Загрязнение воды 6 страница

Таблица 10.11

Экологически доступный сброс биогенных веществ от СА Сапкт-Петербург (по Е.В. Неверовой, 1990)

Очистные сооружения	ДКст, мг\л	Qст, млн м^3/сут	ДС, т/сут	Сфакт, т/сут	Степень очистки
Фосфор минеральный
Северная СА	0,4	1,25	0,5	1,4	65%
Центральная СА	2,7	1,5	4,0	1,7	-
Красносельская СА	0,6	0,3	0,2	0,3	30%
Азот минеральный
Северная СА	16,7	1,25	20,9	16,1	-
Центральная СА	19,1	1,5	28,6	16,2	-

Интересно сравнить также ДК_ст фосфора, рассчитанные на основе ЭДК для различных районов Невской губы, с ДК_ст, утвержденной Хелком для стран региона Балтийского моря и равной 1,5 мг/л. Как видно, норматив Хелком не может пре­дотвратить эвтрофирование в северной и южной прибрежных зонах Невской губы (см. табл. 10.11). В то же время для Центральной станции аэрации норма Хелком слишком жесткая, ДК_ст для нее может быть 2,7 мг/л. Соблюдение норм Хелком в этом случае приведет к излишним затратам на внедрение доро­гой технологии доочистки от фосфора огромных объемов сточ­ных вод (1,5 млн м³/сут).

Рассмотренный пример еще раз подтверждает необходимость разработки экологических нормативов и методологии инженер­ных расчетов ЭДС в пределах экологической емкости водоемов, что позволит предотвратить их деградацию и обеспечить нормальные условия водопользования населения без излишних экономических затрат.

Нормативное обеспечение экологической безопасности природной среды как ресурса жизнеобеспечения населе­ния, т.е. создание дополнительно к действующим нормативов, защищающих интересы природных систем надорганизменного уровня, - одна из ключевых проблем охраны природы.

Мониторинг

Специальные мероприятия по охране и за­щите окружающей природной среды необхо­димы, когда ее качество не соответствует нормативным требованиям, а экосистемы не компенсируют антропогенные нагрузки и разру­шаются. Поэтому для принятия решений о природоохранной деятель­ности прежде всего нужна информация о фактическом состоянии природных объектов.

Наблюдения за состоянием окружающей природной среды осуществляются человеком давно для определения оптималь­ных условий ведения хозяйства, принятия мер по предотвраще­нию неблагоприятных воздействий на жизнь людей и т.д. В состав информации о качестве окружающей природной среды входят донные о существующем состоянии и прогнозы изменений природных условий.

Биосфера меняется под влиянием естественных процессов и антропогенных воздействий. После естественных изменений эко­системы обычно восстанавливаются и возвращаются в начальное состояние. Перепады температур, давления, сезонные колебания биомассы растений и животных - примеры естественных измене­ний, которые варьируют около относительно постоянных средних значений. Средние характеристики состояния биосферы (клима­та, круговорота воды, глобальной продукции и др.) могут замет­но изменяться в течение тысяч и миллионов лет. Антропогенные изменения происходят быстро (за одно-два десятилетия) и сопоста­вимы по масштабам с естественными, протекающими в течение тысячелетий.

Естественные изменения изучаются геофизическими служба­ми: гидрометеорологической, сейсмической, ионосферной, грави­метрической, магнитометрической и др. Чтобы выделить антропо­генные изменения на фоне естественных, необходимы специаль­ные наблюдения.

Систему наблюдений за изменением состояния окружающей природной среды называют мониторингом (лат. monitor, англ. monitoring -надзирающий).

Мониторинг - это система контроля, оценки и прогно­за качества окружающей природной среды, включаю­щая наблюдения за воздействием на нее человека.

Первое Межправительственное совещание по мониторингу было созвано в Найроби (Кения) в 1974 г. На нем обсуждались цели программы глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС). Большой вклад в развитие мониторинга внесли русские ученые: В.Д. Федоров, Ю.А. Израэль и др. В зависимости от целей и объектов наблюдений мониторинг можно подразделить на санитарно-гигиенический, экологический и климатический.

Санитарно-гигиенический мониторинг касается, в основ­ном, контроля за загрязнением окружающей среды и сопостав­ления ее качества с гигиеническими ПДК, разработанными для защиты здоровья населения.

Экологический мониторинг имеет целью оценку и прогноз антропогенных изменений в экосистемах и ответной реакции биоты на эти изменения. Основной задачей современных наблюде­ний становится изучение совокупных ответных эффектов экосис­тем в целом, а не только реакций на внешнее воздействие отдельных организмов.

Климатический мониторинг - служба контроля и прогноза колебаний климатической системы. Он охватывает ту часть био­сферы, которая влияет на формирование климата: атмосферу, океан, ледяной покров и др. Климатический мониторинг тесно смыкается с гидрометеорологическими наблюдениями.

Возможны и другие классификации мониторинга. Так, по одной из них, выделяют: базовый мониторинг (систему слеже­ния за состоянием и прогнозирование изменений природных процессов); глобальный мониторинг (систему слежения за из­менением биосферных процессов, в том числе в результате антропогенных воздействий); импактный мониторинг (наблюде­ния за локальными и региональными антропогенными воздействи­ями в опасных зонах) и др.

Мониторинг антропогенных изменений в природной среде не является принципиально новым: он - часть Всемирной службы погоды. Всемирной метеорологической организации и других служб, давно развивающихся в России и многих странах. Мониторинг использует их опыт, наблюдательные станции, телекоммуникации, центры обработки информации, совершенствуя старые и разви­вая новые элементы измерений.

Структура системы мониторинга включает 4 основных блока: «Наблюдения», «Оценка фактического состояния», «Прогноз сос­тояния» и «Оценка прогнозируемого состояния» (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Блок-схема системы мониторинга (по Ю. Израэлю, 1979)

Мониторинг должен включать: наблюдения за источниками и характером антропогенных воздействий; состоянием окружаю­щей природной среды, отдельных экосистем и биосферы в це­лом; получение данных о фоновом состоянии наблюдаемых объектов (табл. 11.1).

Чтобы определить динамику изменений состояния экосистем и биосферы, измерения должны проводиться через определенные интервалы времени, а по важнейшим показателям - непрерывно. Наблюдения могут быть организованы в виде точечных измерений на сетке станций или площадных съемок для получения интегральных характеристик. Возможна комбинация этих приемов. Важную роль играют авиационные и спутниковые наблюдения. Чтобы выде­лить антропогенные воздействия, надо знать первоначальное, т.е. фоновое состояние экосистем. Для этого необходимы наблюде­ния в местах, удаленных от источников воздействия.

Таблица 11.1

Классификация системы наблюдений

Вид наблюдений	Объекты наблюдений
Источники воздействий	Локальные естественные (вулканы, извержения газов, нефти и др.) и антропогенные (выбросы и др.) источники поступления загрязнений и других воздействий
Характер воздействий	Виды загрязнений, характер излучения, интенсивность шумов и т.д.
Состояние окружающей природной среды	Географические, физические, геохимические, химические, биохимические данные о состоянии среды
Состояние экосистем	Реакция биоты: организмов, популяций, сообществ; изменение структуры и функций экосистем
Состояние биосферы в целом	Изменения погоды, климата, баланса продукционно-деструкционных процессов в биосфере и др.
Состояние человека[3]	Данные о состоянии физического и психологического здоровья населения

Оценка фактического состояния окружающей природной среды позволяет определить тенденции изменений; степень неблагополучия и его причины; помогает принять решения по нормализации положения. Могут быть выявлены и благоприятные ситуации, указывающие на наличие экологических резервов при­роды.

Экологический резерв природной экосистемы есть разни­ца между предельно допустимым уровнем нагрузки и фактическим состоянием экосистемы.

Если эта величина отрицательна, то экосистема перегру­жена и требует восстановления, в противном случае она поги­бает.

Метод анализа результатов наблюдений и оценка состояния экосистемы зависят от вида мониторинга. Обычно оценка осущест­вляется по совокупности показателей или по условным индексам, разработанным для атмосферы, гидросферы, литосферы. К сожа­лению, нет унифицированных критериев даже для одинаковых элементов природной среды. Для примера рассмотрим лишь от­дельные критерии.

В санитарно-гигиеническом мониторинге обычно исполь­зуют: 1) комплексные оценки санитарного состояния природных объектов по совокупности измеряемых показателей (табл. 11.2, 11.3) или 2) индексы загрязнений. Общий принцип расчета индексов загрязнений следующий: вначале определяется степень отклонения концентрации каждого загрязняющего вещества от его ПДК, а затем полученные величины объединяются в суммар­ный показатель, который учитывает воздействие нескольких ве­ществ.

Приведем примеры расчета индексов загрязнения, используе­мых для оценки загрязненности атмосферного воздуха (ИЗ) и качества поверхностных вод (ИЗВ).

Расчет индекса загрязнения (ИЗ) атмосферного возду­ха начинается с нахождения отношения измеренной концентра­ции i-го вещества С_i к его ПДК_i (А_i);

A_i = С_i/ПДК_i. (11.1)

Величина А_i дает возможность оценивать действие концентра­ций различных веществ в сопоставимых единицах. Далее воздей­ствие веществ учитывают введением весовых коэффициентов и выбором вида функции j(z), которая характеризует закономер­ности влияния определяемых загрязняющих веществ на те или иные объекты. Индекс загрязнения атмосферного воздуха ИЗ рассчи­тывают по формуле

где j^-1(z) - обратная функции; k - число показателей, используемых в расчете.

Таблица 11.2

Комплексная оценка санитарного состояния водоемов по совокупности физических, химических и гидробиологичиских показателей (по С.М. Драчеву, 1964, с изменениями)

Степень загрязнения	Физические показатели	Химические показатели	Гидробиологические показатели
Взвешен-ные вещества, мг/л	рН	Запах, баллы	О2, %	БПК5, мг/л	NH4^+, мг/л	Титр ки-шечной палочки, мл	Сапрофит. бактерии1, кол/мл	БПЗ2, %
Очень чистые	1-3	6,5-8,0			0,5-1,0	0,05	10-100	а•10^1	0-5
Чистые	4-10	6,5-8,5			1,1-1,9	0,10	<10^-1	а•10^2	6-10
Умеренно загрязненные	11-19	6,0-9,0			2,0-2,9	0,20-0,30	<5•10^-2	а•10^3	11-20
Загрязненные	20-50	5,0-6,0 9,0-10,0			3,0-3,9	0,40-1,00	<5•10^-2-5•10^-3	а•10^4	21-60
Грязные	51-100	5,0-6,0 9,0-10,0			4,0-10,0	1,10-3,00	<5•10^-3-1•10^-3	а•10^5	61-99
Очень грязные	>100	2,0-4,0 11,0-13,0	>5		>10,0	>3,0	<1•10^-3	>а•10^6

Таблица 11.3

Комплексная оценка санитарного состояния почв (по Г.В. Стадницкому и др., 1996)

Санитарное состояние почвы	Показатели
Личинки мух в 0,25 м^3 почвы, экз.	Яйца гельминтов, экз./кг	Колититр	Титр анаэробных бактерий	Санитарное число
Чистая			>1	>0,1	0,98-1,00
Слабо загрязненная	Единично	До 10	1,0-10^-1	0,1-10^-1	0,85-0,98
Загрязненная	10-25	11-100	10^-2-10^-3	10^-3-10^-5
Сильно загрязненная	>25	>100	<10^-3	<10^-5	<0,70

Частными случаями формулы (11.2) являются: j'(z) = z - среднее арифметическое, j"(z) = ln z - среднее геометрическое, j"'(z) - z² - среднее квадратическое.

Далее могут быть рассчитаны индексы загрязнения (ИЗ) с дополнительным взвешиванием членов суммы с помощью весов а_i:

где a₁ + а₂ +... + a_к = 1, a_i ³ 0.

Таким образом, с помощью а_i - можно учесть разницу в харак­тере воздействия различных веществ.

При использовании в расчетах взвешенного среднего ариф­метического формула имеет вид:

При квадратическом осреднении, которое подчеркивает вклад веществ с наиболее высокими по отношению к их ПДК концентра­циями, расчет ведут по формуле:

(11/5)

Существует методика расчета ИЗ, учитывающая класс опас­ности загрязняющих веществ. Часто в качестве ИЗ используют максимальный показатель из числа полученных:

На рис. 11.2 показаны значения индексов при арифмети­ческом (j'), геометрическом (j") и квадратическом (j'") осредне­нии в случае присутствия в воздухе пяти примесей с различной концентрацией: A₁ (взвесь) = 0,1; А₂ (СО) = 0,1; А₃ (NO) = 0,5; А₄ (SО₂) = 0,9; А₅ (NO₂) = 0,9.

Рис. 11.2. Индексы загрязнения воздуха при различных видах функции j (по О.Ф. Балацкому и др., 1984)

Расчеты индекса загрязнения природных вод (ИЗВ) так­же могут быть выполнены несколькими методами.

Приведем в качестве примера метод, рекомендованный нор­мативным документом - СанПиН 4630-88.

Измеренные концентрации загрязняющих веществ группируют по ЛПВ (органолептическому, токсикологическому и общесанитарному). Затем для первой и второй (органолептический и токсикологический ЛПВ) групп рассчитывают степень отклонения (А_i) фактических концентраций веществ (С_i) от их ПДК; так же, как и для атмосферного воздуха (11.1). Далее находят суммы показателей А_i для первой и второй групп веществ:

где S - сумма А_i для веществ, нормируемых по органолептическому (S_орг) и токсикологическому (S_токс) ЛПВ; n – число суммируемых показателей качества воды.

Кроме того, для определения ИЗВ используют величину растворен­ного в воде кислорода и БПК₂₀ (общесанитарный ЛПВ), бактерио­логический показатель - число лактозоположительных кишечных палочек (ЛПКП) в 1 л воды, запах и привкус. Индекс загрязне­ния воды определяется в соответствии с гигиенической классифи­кацией водных объектов по степени загрязнения.

Сопоставляя соответствующие показатели (S_орг, S_токс, БПК₂₀ и т.д.) с оценочными (табл. 11.4), определяют индекс загрязнения, степень загрязнения водного объекта и класс качества воды. Ин­декс загрязнения определяют по наиболее жесткому значению оценочного показателя. Так, если по всем показателям вода отно­сится к I классу качества (ИЗВ = 0), но содержание кислорода в ней меньше 4,0 мг/л (но больше 3,0 мг/л), то ИЗВ такой воды следует принять за 1 и отнести ее ко II классу качества (умеренная степень загрязнения).

Таблица 11.4

Гигиеническая классификация водных объектов по степени загрязнения (по СанПиН-4630-88)

Класс качества и степень загрязнения	Оценочные показатели для водоемов I и II категорий	ИЗВ
Органолептический ЛПВ	Токсикологический ЛПВ	Общесанитарный ЛПВ
Запах, привкус, баллы	Степень привышения ПДК (Sорг)	Степень привышения ПДК (Sтокс)	БПК20	O2, мг/л
I	II
I - допустимая
II - умеренная
III - высокая
IV - чрезвычайно высокая	>4	>8	>100	>8	>10	<1,0

В службах Росгидромета РФ для оценки качества воды исполь­зуют методику расчета ИЗВ только по четырем химическим инг­редиентам, концентрация которых в воде наибольшая. При этом выделяют не 4, а 7 классов качества:

I - очень чистая вода (ИЗВ = 0,3);

II - чистая (ИЗВ = 0,3 - 1,0);

III - умеренно загрязненная (ИЗВ = 1,0 - 2,5);

IV - загрязненная (ИЗВ - 2,5 - 4,0);

V - грязная (ИЗВ = 4,0 - 6,0);

VI - очень грязная (ИЗВ = 6,0 - 10,0);

VII - чрезвычайно грязная (ИЗВ более 10,0).

На рис. 11.3 приводится карта-схема оценки качества поверх­ностных вод Санкт-Петербурга и Ленинградской области, выполнен­ная в соответствии с данной методикой расчета ИЗВ. Однако оценка качества воды по этой методике может вводить в заблуж­дение в тех случаях, когда наивысшие концентрации в воде имеют природные вещества (фенолы, марганец, железо), кото­рые свидетельствуют не о загрязнении воды, а о ее изначальной непригодности для некоторых видов водопользования.

Рис. 11.3. Качество поверхностных вой Санкт-Петербурга и Ленинградской области (по данным Ленкомэкологии, 1997 г.)

От степени загрязнения воды водного объекта зависят виды водопользования (табл. 11.5).

Таблица 11.5

Возможные виды водопользования в зависимости от степени загрязнения водного объекта (по СанПиН-4630-88)

Степень загрязнения	Возможное использование водного объекта
Допустимая	Пригоден для всех видов водопользования населения практически без каких-либо ограничений
Умеренная	Свидетельствует об опасности использования водного объекта для культурно-бытовых целей. Использование как источника хозяйственно-питьевого водоснабжения без снижения уровня химического загрязнения на очистных водопроводных сооружениях может привести к начальным симптомам интоксикации у части населения, особенно при наличии веществ 1-го и 2-го классов опасности
Высокая	Безусловная опасность культурно-бытового водопользования на водном объекте. Недопустимо использование как источника хозяйственно-питьевого водоснабжения из-за сложности удаления токсических веществ в процессе водоподготовки. Употребление для питья воды может привести к появлению симптомов интоксикации и развитию отдельных эффектов, особенно при присутствии веществ 1-го и 2-го классов опасности
Чрезвычайно высокая	Абсолютная непригодность для всех видов водопользования. Даже кратковременное использование воды водного объекта опасно для здоровья населения

Экологический мониторинг имеет особое значение в глобаль­ной системе мониторинга окружающей среды и, в первую оче­редь, в мониторинге возобновляемых ресурсов биосферы. Он включает наблюдения за экологическим состоянием наземных, водных и морских экосистем.

В качестве критериев, характеризующих изменения состояний природных систем, могут быть использованы: сбалансированность продукции и деструкции; величина первичной продукции, структура биоценоза; скорость круговорота биогенных веществ и др. Все эти критерии численно выражаются различными химическими, биоло­гическими или другими показателями. Так, изменения в растительном покрове Земли могут определяться изменением площади лесов.

Главным результатом экологического мониторинга долж­на быть оценка откликов экосистем на антропогенные воз­мущения.

Отклик, или реакция экосистемы - это изменение ее экологичес­кого состояния в ответ на внешние воздействия. Оценивать реак­цию системы лучше всего по интегральным функциональным показателям ее состояния, в качестве которых могут использо­ваться различные индексы. Рассмотрим некоторые из них:

1. Одним из наиболее распространенных откликов водных экосистем на антропогенные воздействия является эвтрофирование (см. гл. 10). Следовательно, слежение за изменением показателей, интегрально отражающих степень эвтрофированности водоема, например рН_100%, - важнейший элемент экологического мониторинга.

2. Откликом на выпадение «кислотных дождей» и другие антропогенные воздействия может быть изменение видовой структуры биоценозов наземных и водных экосистем. Для оценки такой реакции широко используют различные индексы видового разнообразия, отражающие тот факт, что при любых неблагоприятных условиях разнообразие видов в биоценозе уменьшается, а численность устойчивых видов возрастает.

Десятки таких индексов предложены разными авторами. Наи­большее применение нашли индексы, основанные на теории информации, например индекс Шеннона:

где N - общее число особей; S - число видов; N_i - число особей но вида.

На практике имеют дело не с численностью вида во всей попу­ляции, а с численностью вида в пробе; заменяя N_i / N на n_i / n получим:

Максимальное разнообразие наблюдается, когда численнос­ти всех видов равны, а минимальное - когда все виды, кроме одного, представлены одним экземпляром. Индексы разнообра­зия (d) отражают структуру сообщества, слабо зависят от величины пробы и безразмерны. Ю.Л. Вилмом (1970) были подсчи­таны индексы разнообразия (d) на 22 незагрязненных и 21 загрязненном участках разных рек США. На незагрязненных участках индекс колебался от 2,6 до 4,6, а на загрязненных - от 0,4 до 1,6.

Авторы учебника использовали этот же индекс для оценки изменения структуры фитоценоза в различных по степени трофности районах Невской губы (рис. 11.4).

Рис. 11.4. Распределение индекса разнообразия (d) по акватории Невской губы (по Л.И. Цветковой, 1982)

При этом индекс видового разнообразия (d) хорошо коррелировал с упомянутым ранее показателем трофности рН_100%: чем больше рН_100%, тем меньше d (рис. 11.5).

Оценка состояния экосистем по видовому разнообразию приме­нима к любым видам воздействий и любым экосистемам.

Рис. 11 5. Связь индекса видового разнообразия (d) с показателем трофности рН100% (по Л.И. Цветковой, 1982)

3. Реакция системы может проявляться в снижении ее устойчи­вости к антропогенным стрессам. В качестве универсального интег­рального критерия для оценки устойчивости экосистем В.Д. Федоров (1975) предложил функцию, названную мерой гомеостаза и равную отношению функциональных показателей (например, рН_100% или скорости фотосинтеза) к структурным (индексам разнообразия).

Позже (1980) этот же автор считал возможным оценку эффекта вредного воздей­ствия свести к подбору единственного обобщенного показателя состояния экосистемы, объединяющего отдельные отклики, так называемой функции желательности, для постро­ения которой используется интервал значений от нуля до единицы, где единица соответ­ствует максимальной желательности (полной безопасности действующего фактора х_i); нуль - полной нежелательности (максимальной вредности). Функцию d_i = f(х_i) можно задать таким образом, чтобы обеспечить постепенный подход к значениям 0 и 1, например:

Тогда при х=5 d=0,993, при x=1 d=0,37, а при х=-2 значение d близко к нулю.

Оценка состояния экосистемы в целом проводится на основании подсчета обобщен­ного показателя желательности D, который рассчитывается как среднее геометрическое из совокупности оценок d_i:

, ■

где 0 < d_i < 1.

В качестве критического значения неудовлетворительности предлагается D = 0,37.

Этот подход может быть использован и при определении приоритетности наиболее опасных воздействий.

Особенностью экологического мониторинга является то, что эффекты воздействия на экосистемы, малозаметные при изуче­нии отдельных организмов, выявляются при рассмотрении систе­мы в целом.

Прогноз и оценка прогнозируемого состояния экоси­стем и биосферы опираются на результаты мониторинга в про­шлом и настоящем, изучение информационных рядов наблюде­ний и анализ тенденций изменений окружающей природной среды.

На начальном этапе необходимо прогнозировать изменение интенсивности источников воздействий и загрязнений, осуществ­лять прогноз степени их влияния: прогнозировать, например, количество загрязняющих веществ в различных средах, их распределение в пространстве, изменения их свойств и концентраций во времени. Для составления таких прогнозов необходимы данные о планах деятельности человека.

Дата добавления: 2014-11-18