3.1 Оценка влияния и выявление источников загрязнения гидросферы при штатном режиме работы предприятий

При осуществлении мониторинговых исследований и при поиске источника загрязнения важной задачей является выделение примесей техногенного характера, подлежащих обязательному экологическому контролю, и веществ природного происхождения, составляющих естественный геохимический фон воды в данном регионе.

Главным критерием для выявления источника загрязнения является обнаружение в воде компонентов, специфичных для сточных вод конкретных предприятий – «отпечатков предприятий» (например, хлорорганических соединений или других ксенобиотиков). Следует отметить, что выявление примесей в природной среде, поступивших с известными сбросами, во многих случаях является относительно легко решаемой задачей при наличии наработанной базы данных по составу сточных вод промышленных предприятий.

Сложнее выявить источник загрязнения в тех случаях, когда предприятия сбрасывают со сточными водами компоненты, которые могут поступать из разных источников (например, тяжелые металлы, углеводороды, ПАУ). В этом случае критерием для выявления источника загрязнения является превышение концентраций токсикантов, обнаруженных в створе ниже сброса конкретного предприятия, над их фоновым содержанием.

Отдельно следует отметить случаи, когда предприятия сбрасывают компоненты, характерные для состава природной воды (например, хлориды, сульфаты). В этом случае для оценки влияния сбросов предприятия на качество воды используется нарушение естественного гидрохимического состава природных вод на участках рек ниже сброса сточных вод. Так, например, со сточными водами южного промышленного узла РБ, расположенного в г.Стерлитамаке, в р.Белую попадают хлориды и натрий. Эти ингредиенты всегда присутствуют в природных водах, но то количество, которое сбрасывается со сточными водами, изменяет природный гидрохимический состав воды в реке ниже г.Стерлитамака с гидрокарбонатного, характерного для всех пресных вод, на хлоридный.

3.1.1 Выявление источников загрязнения гидросферы по нарушению гидрохимического состава воды в реке ниже сброса сточных вод

Природные воды в первую очередь различаются между собой по общему количеству растворенных в них минеральных и органических веществ. Суммарное содержание всех растворенных веществ называется минерализация. Минерализация определяется по массе сухого остатка пробы воды, предварительно отфильтрованной и выпаренной. Классификация природных вод по степени минерализации приведена в табл. 8.

Минерализация речных вод определяется минеральным составом пород и грунтов бассейна, питанием подземными водами, поступлением атмосферных осадков. На минерализацию воды также существенное влияние оказывают различные антропогенные факторы; особенно это проявляется в районах горно-обогатительных комбинатов, сбрасывающих шахтные и подотвальные сточные воды.

Таблица 8

Классификация природных вод по минерализации

Категория вод	Минерализация, г/дм3
Ультрапресные	<0,2
Пресные	0,2 – 0,5
Воды с относительно повышенной минерализацией	0,5 – 1,0
Солоноватые	1,0 – 3,0
Соленые	3,0 – 10
Воды повышенной солености	10 – 35
Рассолы	>35

С уменьшением расхода воды в реках, в том числе в засушливые годы, общая минерализация увеличивается. Это объясняется тем, что в многоводные периоды питание рек осуществляется поверхностными водами, а в маловодные преобладает подземное питание. Поскольку подземные воды сильнее минерализованы, то их поступление в поверхностные воды приводит к повышению минерализации. Минимум минерализации воды в реках приходится на период половодья и дождевых паводков, максимум – на зимний период.

В целом минерализация речных вод увеличивается с севера на юг по мере возрастания сухости климата. Самую малую минерализацию имеют реки тундровой зоны, а самую большую – реки пустынной зоны.

Основными минеральными компонентами природных вод являются: анионы гидрокарбонаты (HCO₃^-), сульфаты (SO₄^2-), хлориды (Cl^-) и катионы кальций (Ca²⁺), магний (Mg²⁺), натрий (Na⁺), калий (K⁺). По преобладающему аниону природные воды подразделяются на три класса – гидрокарбонатный, сульфатный и хлоридный. К гидрокарбонатному классу относится большая часть пресных вод суши. Хлоридный класс характерен для высокоминерализованных вод внутренних морей, бессточных озер и рек полупустынной и пустынной зоны. Сульфатные воды занимают промежуточное положение между гидрокарбонатными и хлоридными водами, например, это некоторые подземные воды.

Таким образом, химический состав воды отражает условия, в которых находится водоем, и происходящие в нем изменения. Ионный состав в природных условиях формируется в зависимости от пород земной коры, через которые протекает река.

Территория Республики Башкортостан характеризуется комплексом пород, таких как известняки, доломиты, песчаники и сланцы. Известняковые породы представляют собой безводный карбонат кальция (СаСО₃), доломит – это породообразующий минерал, содержащий карбонаты кальция и магния (СаСО₃ · MgCO₃).

Естественным химическим составом воды водных объектов Башкортостана является гидрокарбонатно-магниево-кальциевый, преобладающими анионами – гидрокарбонаты, а преобладающими катионами – кальций и магний. При поступлении в реки сильноминерализованных сточных вод химических или горнорудных предприятий гидрохимический состав природных вод нарушается, и преобладающими ионами могут стать сульфаты, хлориды или натрий. Таким образом, оценивая анионный и катионный состав природных вод, можно выявить антропогенное воздействие на гидросферу и источники ее загрязнения.

Для записи гидрохимического состава воды используется формула Курлова (рис. 4), представляющая собой дробь:

Рис. 4. Формула Курлова

Слева перед дробью записывается округленная величина общей минерализации, выраженная в г/дм³. В числителе дроби в порядке уменьшения концентраций записывают в виде химических формул анионы, а в знаменателе – катионы. Рядом с химическим символом анионов сверху записывают химический индекс, показывающий число атомов элемента в анионе (например, для аниона SO₄^2-, содержащего 4 атома кислорода, запись в формуле Курлова будет выглядеть как SO⁴). Рядом с химическим символом иона снизу цифрами записывают величину его концентрации, выраженную в процент-эквивалентах (% экв). Например, для сульфат-аниона с концентрацией, равной 21 % экв (рис. 4), запись в формуле будет выглядеть следующим образом: SO⁴₂₁.

Процент-эквивалент (% экв) – это содержание анионов или катионов в процентах от их общей концентрации, выраженной в мг- экв/дм³. Рассчитывается отдельно для каждого аниона и катиона:

Аналогично % экв рассчитывается для катионов.

Концентрация в мг-экв/дм³ или эквивалентная концентрация для каждого аниона или катиона рассчитывается путем деления концентрации иона в пробе воды на эквивалентную массу, представляющую собой отношение молекулярной массы иона к валентности этого иона.

Так, молярная масса эквивалента (то есть отношения молекулярная масса / валентность) основных ионов составят:

гидрокарбонат-иона (НСО₃^-): 61 / 1 = 61;

сульфат-иона (SO₄^2-): 96 / 2 = 48;

хлорид-иона (Cl^-): 35,5 / 1 = 35,5;

иона кальция (Ca²⁺): 40 / 2 = 20;

иона магния (Mg²⁺): 24 / 2 = 12;

ионов натрия (Na⁺) и калия (K⁺): (23+39) / 1 = 62.

Тип воды в соответствии с формулой Курлова определяется следующим образом: в название типа воды входят анионы и катионы, имеющие эквивалентную концентрацию более 20 %-экв; сначала перечисляются анионы, затем катионы, причем, в первую очередь, перечисляются подчиненные анионы и катионы, а затем преобладающие. Так, вода, формула Курлова которой приведена на рис. 4, является сульфатно-гидрокарбонатно-магниево-кальциевой. Эквивалентное содержание хлоридов, натрия и калия составляет менее 20 %-экв, поэтому в название типа воды эти ионы не входят.

Пример. В пробе воды обнаружены концентрации следующих ионов: гидрокарбонатов – 93,75 мг/дм³, сульфатов – 14,5 мг/дм³, хлоридов – 4,58 мг/дм³, кальция – 21,63 мг/дм³, магния – 4,1 мг/дм³, натрия и калия (в сумме) – 4,12 мг/дм³. Минерализация воды составила 99 мг/дм³. Определить гидрохимический тип воды.

Расчеты приведены в табл. 9 и 10.

Таблица 9

Концентрации анионов в пробе воды

Анионы	Концентрация, мг/дм3	Эквивалентная масса	Эквивалентная концентрация, мг-экв/дм3	% экв
НСО3-	93,75	61	1,537	78
SO42-	14,5	48	0,302	15
Cl-	4,58	35,5	0,129	7
Сумма эквивалентных концентраций анионов			1,968	100

Таблица 10

Концентрации катионов в пробе воды

Катионы	Концентрация, мг/дм3	Эквивалентная масса	Эквивалентная концентрация, мг-экв/дм3	% экв
Ca2+	21,63	20	1,082	73
Mg2+	4,1	12	0,342	23
Na+ + K+	4,12	62	0,066	4
Сумма эквивалентных концентраций катионов			1,49	100

Формула Курлова для данной пробы воды будет иметь вид:

Вода относится к гидрокарбонатно-магниево-кальциевому типу.

По показателю минерализации вода классифицируется как ультрапресная.