Введение Актуальность проблемы. Актуальность исследования качества воды подчёркивается в

Введение
Актуальность проблемы. Актуальность исследования качества воды подчёркивается в
итоговых документах международных конференций: Всемирная конференция по
проблемам воды для крупных городов (октябрь, 1994 г.); конференция по сохранению и
защите запасов питьевой воды (октябрь, 1997 г.); Международная конференция «Вода и
устойчивое развитие» (март, 1998 г.); Международный научно-промышленный форум
«Великие реки» (май, 1999 г.). Во многом возникновение кризисных экологических
ситуаций связано с состоянием водных ресурсов. Воздействие на водные ресурсы
настолько возросли, что масштабы их загрязнения в отдельных регионах угрожают
системам жизнеобеспечения. По данным Международной комиссии по окружающей среде
и развитию [150], более 1 млрд. человек на Земле не располагают чистой водой.
Одними из основных гидрохимических показателей качества природных вод являются
ионно-солевой состав и органические вещества (ОВ).
Проблема техногенных преобразований гидрохимических показателей остаётся
дискуссионной и актуальной с позиции принятия санитарно-гигиенических критериев
качества вод, так как принятая в настоящее время концепция ПДК не отражает всего
спектра воздействия на экосистему. Актуальность таких задач определяется тем, что они
непосредственно связаны с фундаментальными характеристиками химического состава
воды (класс, группа, тип).
В результате сложнейшей истории развития и дифференциации техногенеза
сформировалось разнообразие бассейновой гидрохимической структуры, что
обусловливает актуальность исследования пространственно-временной эволюции
техногенеза гидрохимических показателей качества вод. Количественные различия
ионного и органического стока отдельных
бассейнов являются основой определения интенсивности и специфики проявления
техногенных факторов по временным интервалам технико-экономического развития
урбанизированных территорий.
Несмотря на многочисленные и значительные работы по исследованию трансформации
химического состава вод, описание их во многом оказывается неполным и разрозненным,
а также недостаточным для установления основных закономерностей эволюции
техногенеза гидрохимических показателей качества вод в условиях многофакторного
техногенного воздействия урбанизированных территорий.
Цель и задачи исследований. Основной целью работы является установление
количественных и качественных характеристик эволюции техногенеза гидрохимических
показателей, выявление на их основе закономерностей трансформации химического
состава вод и разработка модели пространственно-временной структуры эволюции
техногенеза компонентов солевого состава и органических веществ в интервалах техникоэкономического состояния урбанизированных территорий.
В соответствии с поставленной целью оформляются задачи работы:
1. Дать сравнительный анализ методов оценки и дальнейшую разработку
методологических положений исследования техногенеза гидрохимических показателей
качества вод.
2. Установить количественные показатели структуры водопотребления и водоотведения,
характеризующие функционально-техногенные условия формирования химического
состава поверхностных вод.
3. Выявить структуру и динамику техногенеза ионно-солевого состава поверхностных вод
на основе многолетних гидрохимических рядов с дифференциацией химических типов
воды.
4. Дать количественную оценку стока растворённых веществ в диапазонах изменений,
выраженных в процентах за сравниваемые периоды
G
узловых этапов технико-экономического состояния урбанизированных территорий.
5. Разработать методологические основы пространственно-временной модели эволюции
техногенеза растворённых веществ.
6. Установить комплексную характеристику качества вод на основе факторной структуры
гидрохимических показателей.
Научная новизна работы. Разрабатываемое направление исследования эволюции
техногенеза гидрохимических показателей качества вод вносит вклад в развитие
теоретических представлений генезиса гидрохимических преобразований поверхностных
вод урбанизированных территорий.
1. Установлено, что закономерным проявлением эволюции техногенеза гидрохимических
показателей качества является формирование химического состава воды,
характеризуемого трансформацией структуры ионно-солевого состава в направлении
реализации вариантов химических типов воды из множества возможных, определяемых
классификацией О.А. Алёкина.
2. На примере отдельных бассейнов, расположенных в зоне влияния различных
функционально-техногенных комплексов , исследовано формирование стока компонентов
солевого состава и органических веществ. Установлено, что количественные различия
стока компонентов солевого состава и органических веществ обусловлены
пространственно-временной неоднородностью техногенеза. Выявлена бассейновая
дифференциация диапазонов изменений компонентов солевого состава и органических
веществ, характеризуемая интенсивностью и направленностью распределения
техногенной нагрузки. В качестве признаков эволюции техногенеза гидрохимических
показателей рассматриваются структура и динамика стока растворённых веществ в
интервалах технико-экономического состояния урбанизированных территорий.
3. Впервые представлены методологические разработки пространственно-временной
модели эволюции техногенеза стока
растворённых веществ в виде карт-схем. На картах-схемах представлены совмещённые
слои показателей стока компонентов солевого состава и органических веществ
[т/(км2тод)] и диапазоны их изменений выраженные в процентах за расчётные периоды.
Методологическая значимость построения карт-схем совмещённых слоев показателей
стока растворённых веществ заключается в их сравнимости по бассейнам с различной
трансформацией солевого состава и органических веществ в интервалах техникоэкономического состояния урбанизированных территорий.
4. Установлено, что качественная структура гидрохимических показателей в условиях
воздействия различных функционально-техногенных комплексов характеризуется
устойчивой вариабельностью ионно-солевого состава, как ведущего фактора
формирования качества вод. Значимыми факторами интерпретации качества вод
обозначены содержание растворённого кислорода, органические примеси, фенолы и
нефтепродукты. Для отдельных водных объектов отмечается неоднородность
вариабельности показателей, характеризующих влияние органических примесей: ХПК и
БПК5, что выражается в высоких факторных нагрузках по ХПК и более низких по БПК5.
Защищаемые положения. 1. Трансформация ионно-солевого состава дифференцированно
реализует варианты химических типов воды из множества возможных, определяемых
классификацией О.А. Алёкина и характеризует эволюцию техногенеза гидрохимических
показателей.
2. Техногенез гидрохимических показателей изменяет установившееся равновесие в
выносе растворённых веществ, отражая трансформацию химического состава воды через
структуру количественных соотношений компонентов стока. Оценка стока растворённых
веществ в интервалах технико-экономического состояния урбанизированных территорий
определила бассейновую дифференциацию диапазонов изменений стока
В
компонентов солевого состава и органических веществ. Структура и динамика стока
компонетов солевого состава и органических веществ детерминированы дискретнополигенетичным воздействием техногенной нагрузки.
3. Модель пространственно-временной структуры стока растворённых веществ,
представленная в виде карт-схем показателей стока [т/(км2тод)] компонентов солевого
состава и органических веществ, а также диапазонов * их изменений, выраженных в
процентах за рассматриваемые периоды,
рассматривается в качестве методологической основы обоснования эволюции техногенеза
гидрохимических показателей качества вод в интервалах технико-экономического
состояния урбанизированных территорий.
4. Водные объекты территориально расположенные в зонах воздействия различных
функционально-техногенных комплексов % характеризуются устойчивой структурой
качественных процессов. Основным
фактором, формирующим химический состав поверхностных вод,является ионно-солевой
состав. Значимыми факторами интерпретации качества вод обозначены содержание
растворённого кислорода, органические примеси, фенолы и нефтепродукты.
Практическая значимость работы. Полученные результаты исследования эволюции
техногенеза гидрохимических показателей качества вод дают практическое и научнометодическое обоснование для разработки системы структуры водопотребления и
водоотведения с целью экономического развития региона.
Методологический принцип пространственно-временного анализа техногенного
преобразования природных вод, представленный в картах-схемах совмещённых
показателей стока растворённых веществ и диапазонов их изменений за сравниваемые
периоды, является основой для оценки бассейнов по интенсивности образования и
миграции продуктов техногенеза.
Оценка стока растворённых веществ даёт обоснование для бассейнового подхода
разработки вариантов устойчивого экологически безопасного развития территорий с
учётом их технико-экономического состояния.
Полученные количественные и качественные характеристики по стоку растворённых
веществ обеспечивают специалистов водного хозяйства информацией для установления
последовательности водоохранных мероприятий, требующих дополнительных
капиталовложений, обосновании рекомендации по замене оборудования для обеспечения
технологических процессов по регулированию солевого состава.
Полученные материалы и методические основы данного исследования используются в
учебном процессе на геолого-географическом факультете Томского государственного
университета при подготовке студентов по специальности «Природопользование».
Публикации и апробация работы. Всего опубликовано 38 работ, по теме диссертации 27.
Отдельные разделы обсуждались на семинарах отделов речного стока и качества вод ГГИ
(г. Ленинград, 1984 г., 1985 г., 1987 г.); на V Всесоюзном гидрологическом съезде (г.
Ленинград, 1986 г.); на конференции «Проблемы рационального водопользования Урала»
(г. Свердловск, 1987 г.); на семинарах лаборатории охраны приоды НИИ биологии и
биофизики ТГУ и кафедры охраны природы ТГУ (г. Томск, 1985, 1987 гг.). На
конференции «Проблемы рационального использования и охраны малых рек» (г. Грозный,
1989 г.); на научно-практической конференции «Водные ресурсы Томской обл., их
рациональное использование и охрана» (г. Томск, 1990 г.); на научно-практической
конференции «Гидрологические исследования в Сибири» (г. Томск, 1997 г.); научные
чтения, посвященные памяти проф. Б.Г. Иоганзена «Состояние водных экосистем Сибири
и перспективы их использования» (г. Томск, 1998 г.); на научной конференции
«Актуальные вопросы геологии и географии Сибири» (г. Томск, 1998 г.); на заседании
Томского отделения РГО (1998 г.);
1О
на Всероссийской научно-практической конференции «Исследования экологогеографических проблем природопользования для обеспечения территориальной
организации и устойчивости развития нефтегазовых регионов России» (г. Нижневартовск,
2000 г.); на Международной конференции «География и природопользование в
современном мире» (г. Барнаул, 2001 г.).
Личный вклад автора. В основе диссертационной работы лежат результаты многолетних
исследований, полученные лично автором. Часть результатов, которая вошла в
диссертацию, получена в совместной работе с сотрудниками кафедры
«Природопользования» ТГУ.
В тексте диссертации имеются соответствующие ссылки, показывающие характер участия
соавторов в совместной разработке конкретных вопросов.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, общим
объёмом 339 страниц. Содержание работы включает 44 рисунка, 60 таблиц и список
литературы из 360 наименований. Благодарности. Автор выражает благодарность коллективу сотрудников географического
отделения геолого-географического факультета Томского государственного университета
за критические замечания и помощь при создании работы.
Автор благодарен д.г.н., проф. И.А. Шикломанову; д.г.н., проф. Б.Г. Скакальскому; к.г.н.
Э.А. Румянцевой за консультации, способствующие завершению работы.
Автор признателен также руководителю Государственного комитета экологии и
природных ресурсов Томской области А.М. Адаму и комитета экологии г. Томска В.А.
Попову за оказанную в 1995-1996 гг. финансовую поддержку при выполнении работы.
ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ
ПОЛОЖЕНИЯ ОЦЕНКИ АНТРОПОГЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ
ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ВОД
1.L Анализ методов оценки влияния антропогенных факторов на химический
состав поверхностных вод
В зависимости от вида и степени развития хозяйственной деятельности на водосборе, а
также имеющихся исходных материалов применяют различные методы оценки влияния
антропогенных факторов на изменение качества вод. В условиях интенсивного
антропогенного воздействия качество природных вод нарушается присутствием таких
загрязняющих веществ, как фенолы, нефть и нефтепродукты, различные микроэлементы,
фосфаты, СПАВ и др. Присутствие в природных водах разнообразных загрязнителей
обусловило разработку комплексных оценок качества вод.
Впервые предложения о комплексной оценке вод представлены А.А. Бьглинкиной и СМ.
Драчёвым [29, 63]. По диапазону изменений исследуемых гидрохимических признаков
было выявлено шесть степеней загрязнения. При этом рассматривались растворённый
кислород, БПК5, окисляемость, аммонийный азот. Тот же принцип классификации с
оценкой качества вод по балльной системе используется в работе [52], как отмечает ряд
авторов [13, 68, -69], основной недостаток этих классиф1жаций и им подобных
заключается в том, что количественные значения критериев, приведённые для одних и тех
же классов загрязнённости, не согласованы между собой. Существенным недостатком
предложений этой группы является невозможность перехода от оценки качества воды к
разработке количественных параметров водоохранных мероприятий с непосредственным
использованием полученных цифр. Следующая группа
комплексных показателей основывается на разработке различных индексов,
характеризующих степень загрязнения (КЗ, ИТ и др.) [18, 142]. Разработка подобных
индексов ведётся с учётом расчёта превышения концентрации исследуемых ингредиентов
над ПДК с дальнейшим их осреднением за различные интервалы времени (квартал, год,
пятилетие). Уровень загрязнения водного объекта оценивается через ранжирование
расчётных показателей, при этом принятые классификации включают от 4 до 6 классов
загрязнённости.
Многообразие методов комплексной оценки загрязнённости поверхностных вод
представлено [252], где содержится краткий обзор 14 методов. Как отмечается в обзоре
данных методов, само понятие «комплексная оценка загрязнённости поверхностных вод»
не гостировано, но этот термин используется во многих работах. В целом, комплексные
оценки загрязнённости поверхностных вод представляют довольно разнообразную
систему методов оценки различной степени формализации. Качество вод определяется
через систему различных классификаций, в основу которых положен сопряжённый анализ
по превышению ПДК различных ингредиентов. По нашему мнению, комплексные оценки
качества вод, построенные по принципу ранжирования по отношению к ПДК с
дальнейшей классификацией по системе балльных оценок, входят в противоречие с
принципом назначения самого ПДК. Согласно [79], предельно допустимая концентрация
вещества (ПДК) - концентрация вещества в воде, выше которой вода не пригодна для
одного или нескольких видов водопользования.
Ряд работ своей задачей ставят проведение сравнительного анализа вод близких по
естественным условиям формирования химического состава, но имеющих различную
интенсивность развития хозяйственной деятельности [135, 269]. Данный метод
исследования химического состава вод даёт представление о количественных
характеристиках изменения химического
13
состава вод изучаемого объекта, но практически не раскрывает закономерностей их
техногенного преобразования.
Определённое практическое значение имеет метод, предлагающий выражать качественное
состояние водотоков через условный расход воды, который сравнивается с реальным [81,
115, 196]. Условный расход воды характеризует необходимое количество воды рек для
разбавления избыточной средневзвешенной массы выносимых в водные объекты
примесей до концентраций, не превышающих ПДК на воду, используемую для
хозяйственно-питьевого водоснабжения. К преимуществам этого метода относится
возможность использования как гидрологической информации, так и гидрохимической,
путём сопоставления величин расхода воды в реке с рассчитанным (условным) расходом,
необходимым для полного разбавления сбрасываемых сточных вод. Проведение
практических расчётов по данному методу вызывает трудности из-за множества
различных ингредиентов, поступающих в водоток в составе отходов техногенного
происхождения, имеющих различную степень токсичности, а значит и требующих
различных объёмов воды для разбавления.
Большое распространение для оценки гидрохимического режима исследуемых водных
объектов получили статистические методы. Обработка исходной гидрохимической
информации методами математической статистики позволяет установить определённые
закономерности формирования гидрохимических показателей в зависимости от
гидрологических параметров, а также антропогенных факторов. Статистическими
методами анализируется тенденция изменения концентраций различных ингредиентов
(нитратов, нитритов, хлоридов, сульфатов, минерализации и т.д.) от расходов воды в реке
в различные фазы гидрологического режима [103, 123, 140, 174, 244], а также проводят
картографирование гидрохимических показателей, определяя
пространственные изменения исследуемых показателей [132, 138].
Применение статистических методов для оценки качества вод оправдывает себя, когда
имеются достаточно длинные ряды систематических наблюдений за загрязнённостью
водного объекта и за режимом сброса загрязняющих веществ на исследуемой территории.
Полученные статистические зависимости могут быть достоверны в условиях постоянства
режима воздействия техногенных факторов, неизменности гидравлических и
гидрологических параметров водотока.
Высокие коэффициенты корреляции связаны с такими общими изменениями
концентрации как паводки, межень и вообще с явлениями, при которых уменьшается или
ослабляется поступление в русло реки грунтовых вод с содержащимися в них ионами. По
этой причине расчёт коэффициента корреляции даёт в соответствующем интервале
графика для любой произвольно выбранной пары ионов высокое значение, несмотря на
отсутствие характерных процессов, связывающих именно данную пару ионов [57].
При рассмотрении динамики загрязнения в реках, озёрах, водохранилищах в первую
очередь обращается внимание на процессы смешения и разбавления, как на
существеннейшие факторы снижения концентраций загрязняющих веществ в водной
среде.
Изучению процессов распределения и трансформации загрязняющих веществ в результате
смешения и разбавления их в водной среде посвящены работы А.В. Караушева [94, 95],
И.Д. Родзиллер [229, 230], Л.Л. Пааль [172], Н.Н. Лапшева [119], В.А. Знаменского [81] и
др. Практические возможности и рекомендации по применению этих методов
представлены в «Методических основах...» [140], а также в работах [170, 210] и др.
Достаточно полное перемешивание вод потока со сточными водами осуществляется на
значительном расстоянии от места сброса сточных вод. Это расстояние находится на
основании расчёта разбавления (расчёта турбулентной диффузии вещества) в потоке.
Теоретический створ полного
is
перемешивания в потоке оказывается на бесконечном расстоянии от места выпуска,
поэтому принято говорить о створе достаточного перемешивания. Предполагается, что в
этом створе достигнута достаточная степень однородности водных масс, оцениваемая
средним значением концентрации сбрасываемого в поток вещества. Отклонения от этого
среднего в отдельных точках рассматриваемого створа являются небольшими, не
превышающими точности измерений или расчётов.
В условиях интенсивного антропогенного воздействия, расчёты по рассматриваемым
методам вызывают много трудностей, связанных с физико-химическими процессами
трансформации веществ (сорбция, десорбция, осаждение и т.д.). Интенсивность этих
процессов зависит от конкретных условий того или иного водного объекта: химического
состава сбрасываемых в него веществ, биомассы, микроорганизмов, кислородного
режима, степени турбулентности, температурного режима, гидрохимического фона и
некоторых других. Для оценки степени загрязнения водного объекта изучают
многолетнюю и внутригодовую динамики таких показателей как растворённый кислород
СЬ мг/л; химическое потребление кислорода ХПК мг О/л; биохимическое потребление
кислорода БПК5 мг Ог/л [185]. Эти показатели характеризуют условия и ход протекания
процессов превращения (распада) различных загрязняющих веществ, тем самым в
определённой мере раскрывая особенности техногенного воздействия на водный объект.
Работы по оценке качества вод урбанизированных территорий на основе сопряжённого
анализа многолетней и внутригодовой изменчивости содержания растворённого
кислорода, химического потребления кислорода, биохимического потребления кислорода
получили большое распространение в России и за рубежом. Репрезентативность
показателей Ог, ХПК, БПК5, на основе которых возможно провести оценку качественного
состояния поверхностных вод, рассматривается для бассейнов рек, расположенных в
различных физико-географических условиях и влияния окружающего
ландшафта. При этом основные тенденции изменения этих показателей связываются с
поступлением органических веществ промышленного происхождения. Изменения
качества воды при поступлении органических веществ, сопровождаемое снижением
содержания растворённого кислорода (Ог мг/л) и повышением значений химического
потребления кислорода (ХПК мг О/л) отмечается О.М. Кожовой [102] при исследовании
химических процессов в водной толще ангарских водохранилищ, А.Б. Китаев, СВ.
Маленьких [97] при определении интенсивности разрушения органических соединений в
водах Камских водохранилищ, М. Gladyshev, J. Gribovskaya при исследовании загрязнения
Красноярского водохранилища фенолами [315].
Обоснование применимости использования показателей Ог, БПК5, ХПК для интегральной
оценки качества поверхностных вод даны в работах Ф. Берне [20], А.П. Лепихин [124,
125], Л.С. Эрнестова, И.В. Семёнова [300], О. Атанасова [304], М. Иванова [326], N. Lair,
D. Sarges [333], W. Pings [345], M. Sharifi [350], S. Shukla, B. Mishra [353], G. Tauglol [358],
St. Vemer, P. Martinek [359], G. Gasparini, С Grazioli [314].
На значительный диапазон изменений ХПК в результате залповых сбросов сточных вод
обращается внимание в работах J. Dojlido, J. Raniszewski [308], М. Karydis [329], М.
Kroupa, E. Burgerova [331].
При этом в ряде работ подчёркивается, что поступление токсичных соединений подавляет
процессы биохимического окисления органических веществ. Подобные проявления
отмечены В. Richardson, M. Martin [348], Z. Pavlicek, J. Cihalik [341], St. Verner, P. Martinek
[359], J. Wotzka, S. Pfitzner [360], Г.Т. Фрумин, СЕ. Слотина [274].
В качестве токсикантов, подавляющих процессы биохимического окисления в
поверхностных водах, рассматриваются Ф. Берне [20] фенолы; С.Г. Сергеев, Ю.Ф. Казнин,
А.В. Кравчук [241], D. Nondek [339] галогено-органические соединения; S. Krupicka, N.
Frolikova [332] полихлорные бифенилы, поликонденсатные ароматические углеводороды,
17
Список литературы