Способы оценки качества воды

Существует несколько направлений и способов оценки качества воды в зависимости от вида водопользования: оценка состояния поверхностных вод, гигиеническая классификация подземных вод по степени влияния техногенного фактора и правила таксации вод для установления их рыбохозяйственной ценности. При оценке состояния поверхностных вод необходимо знать два показателя: индекс загрязнения воды (ИЗВ) и удельный комбинаторный индекс загрязнения воды (УКИЗВ).

Официально индекс загрязнения воды (ИЗВ) применялся при проведении экологического мониторинга поверхностных вод в системе Росгидромета до 2004 года. Однако и в настоящее время он используется для оценки качества воды при исследовании аквальных систем. Этот подход в равной мере применяется для пресных и морских вод.

Оценка базируется на анализе нормированных к ПДК значений содержания загрязняющих веществ в воде. При расчете индекса используются шесть ингредиентов. В качестве обязательных показателей рассматриваются биохимическое поглощение кислорода за 5 сут (БПК₅) и содержание растворенного кислорода. Кроме того, в расчет включаются четыре поллютанта с максимальными значениями нормированных показателей.

Расчет по БПК₅ и растворенному кислороду проводится по специальным нормам, которые применяются в зависимости от величины биохимического поглощения кислорода или содержания растворенного кислорода в воде.

Нормы по БПК₅ следующие: не более 3 мгО₂/л – норма 3; 3–15 мгО₂/л – норма 2; более 15 мгО₂/л – норма 1. При расчете нормированной величины значение БПК делится на соответствующую норму.

В качестве норм содержания растворенного кислорода предлагаются следующие величины: более 6 мг/л – норма 6; 6–5 мг/л – норма 12; 5–4 мг/л – норма 20; 4–3 мг/л – норма 30; 3–2 мг/л – норма 40; 2–1 мг/л – норма 50; 1–0 мг/л – норма 60. При расчете нормированной величины норма делится на содержание кислорода.

Окончательное вычисление ИЗВ проводится по соотношению

ИЗВ = ,

где С_i – фактическая концентрация i-го вещества (для БПК₅ и растворенного кислорода в формулу вводятся нормированные величины, полученные с использованием приведенных выше способов).

Необходимо иметь в виду, что ПДК загрязняющего вещества, применяемая в расчете, зависит от назначения водоема (рыбохозяйственного или хозяйственно-питьевого). В результате вычисления средней нормированной величины по шести ингредиентам получаем индекс загрязнения воды, который в зависимости от численного значения соответствует одному из семи классов качества воды. Для пресных и морских вод численные градации индекса различаются (табл. 21).

Проблемы и недостатки использования ИЗВ определяются зависимостью его величины от перечня изученных ингредиентов. Кроме того, необходимо отметить условность градаций качества воды по классам загрязнения, имеющих в основном относительное значение.

Таблица 21. Классификация загрязнения пресных и морских вод по ИЗВ

В настоящее время при выполнении мониторинга состояния вод взамен ИЗВ в системе Росгидромета используется комбинаторный индекс загрязнения воды (КИЗВ) в соответствии с РД 52.24.643-2002 «Метод комплексной оценки степени загрязненности поверхностных вод по гидрохимическим показателям». Этот показатель рекомендуется рассчитывать с помощью компьютерной программы, разработанной специалистами Гидрохимического института – авторов методики. Расчет КИЗВ вручную возможен, однако требуется использование большого количества вспомогательного материала, заключенного в таблицах в составе РД. Тем не менее основной алгоритм и некоторые нюансы расчета индекса мы постараемся здесь изложить.

Предварительная оценка состояния водных объектов проводится с помощью коэффициента комплексности загрязненности воды, который рассчитывается по формуле

,

где K_fj – коэффициент комплексности загрязненности воды в f-м результате анализа для j-го створа;

– количество нормируемых ингредиентов и показателей качества воды, содержание или значение которых превышает соответствующие им ПДК в f-м результате анализа для j-го створа;

N_fj – общее количество нормируемых ингредиентов и показателей качества воды, определенных в f-м результате анализа для j-го створа.

По коэффициенту комплексности загрязненности воды установлено три категории воды: I категория – 0 < K_fj £ 10% (для высокого и экстремально высокого уровня загрязнения – 0 < K_fj £ 5%); II категория – 10 < K_fj £40% (для высокого и экстремально высокого уровня загрязнения – 5 < K_fj £ 20%); III категория – 40 < K_fj £ 100% (для высокого и экстремально высокого уровня загрязнения – 20 < K_fj £ 100%). Высокий и экстремально высокий уровни загрязнения оцениваются при значительном превышении содержания поллютантов над ПДК (табл. 22).

Таблица 22. Критерии определения высокого и экстремально высокого уровней загрязненности воды водных объектов по гидрохимическим показателям

Однако основным показателем при оценке степени загрязненности является комбинаторный индекс загрязнения воды. Он может рассчитываться как для рядов данных при проведении мониторинга, так и единичных измерений содержания загрязняющих веществ в водном объекте. В определении значения индекса учитываются только те вещества, которые превышают ПДК. Последовательность расчета КИЗВ следующая. Если имеется ряд наблюдений в водном объекте или в определенном створе, проводится выбор нормированных (деленных на ПДК) содержаний по каждому загрязняющему веществу, превышающих единицу. Затем рассчитывается повторяемость случаев загрязненности a_ij, т.е. частота обнаружения концентраций, превышающих ПДК:

× 100%

где - число результатов анализа по i-му ингредиенту в j-м створе за рассматриваемый период времени, в которых содержание или значение их превышает соответствующие ПДК;

- общее число результатов химического анализа за рассматриваемый период времени по i-му ингредиенту в j-м створе.

По значению повторяемости рассчитывается частный оценочный балл по повторяемости . Он может меняться от 1 (повторяемость загрязнения 1-10%) до 4 (повторяемость загрязнения > 50%). Если расчет проводится по единичному измерению целесообразно принять наихудшие условия, т.е. = 4.

Далее в ряду наблюдений рассчитывается среднее значение кратности превышения ПДК (только для величин выше ПДК). По значению кратности превышения ПДК определяют уровень загрязненности воды, так называемый частный оценочный балл по кратности превышения . Его величина изменяется от 1 до 2 (при кратности превышении ПДК 1-2); от 2 до 3 (при превышении ПДК от 2 до 10); 3-4 (10-50); более 4 (более 50). Расчет баллов проводится с применением линейной интерполяции.

После этого определяется обобщенный оценочный балл по каждому ингредиенту. Он рассчитывается как произведение частного оценочного балла по повторяемости случаев загрязненности и частного оценочного балла по кратности превышения (для единичного измерения – частный оценочный балл по кратности превышения умножается на 4):

S_ij =

Затем определяется удельный комбинаторный индекс загрязненности воды:

- общее число учитываемых в оценке ингредиентов.

Однако для окончательного определения качества воды необходимо установить критический показатель загрязненности воды F. Им считается такой показатель, для которого ³ 9.

Для анализа состояния загрязненности используется перечень и число критических показателей загрязненности (КПЗ) воды F. По величине F рассчитывается коэффициент запаса

k = 1 – 0,1F,

который вводится далее в градации классов качества воды дополнительно к удельному комбинаторному индексу загрязненности воды для ужесточения оценки в случае обнаружения концентраций, близких или достигающих уровней высокого или экстремально высокого загрязнения. Его значение уменьшается с увеличением числа КПЗ: от единицы при отсутствии КПЗ, 0,9 при одном КПЗ и до 0, 5 при пяти КПЗ. То есть коэффициент запаса рассчитывается до 5. В случае, когда F ³ 6 и k £ 0,4, вода без расчета относится к 5-му классу и оценивается как «экстремально грязная». Градации классов качества воды представлены в табл. 23.

Таблица 23. Классификация качества воды водотоков по значению удельного комбинаторного индекса загрязненности воды

Класс и	Характеристика	Удельный комбинаторный индекс загрязненности воды
Разряд	состояния	без учета	в зависимости от числа учитываемых КПЗ
	загрязненности воды	числа КПЗ	1 (k=0,9)	2 (k=0,8)	3 (k=0,7)	4 (k=0,6)	5 (k=0,5)
1-й	Условно чистая		0,9	0,8	0,7	0,6	0,5
2-й	Слабо загрязненная	(1; 2]	(0,9; 1,8]	(0,8; 1,6]	(0,7; 1,4]	(0,6; 1,2]	(0,5; 1,0]
3-й	Загрязненная	(2; 4]	(1,8; 3,6]	(1,6; 3,2]	(1,4; 2,8]	(1,2; 2,4]	(1,0; 2,0]
разряд "а"	загрязненная	(2; 3]	(1,8; 2,7]	(1,6; 2,4]	(1,4; 2,1]	(1,2; 1,8]	(1,0; 1,5]
разряд "б"	очень загрязненная	(3; 4]	(2,7; 3,6]	(2,4; 3,2]	(2,1; 2,8]	(1,8; 2,4]	(1,5; 2,0]
4-й	Грязная	(4; 11]	(3,6; 9,9]	(3,2; 8,8]	(2,8; 7,7]	(2,4; 6,6]	(2,0; 5,5]
разряд "а"	грязная	(4; 6]	(3,6; 5,4]	(3,2; 4,8]	(2,8; 4,2]	(2,4; 3,6]	(2,0; 3,0]
разряд "б"	грязная	(6; 8]	(5,4; 7,2]	(4,8; 6,4]	(4,2; 5,6]	(3,6; 4,8]	(3,0; 4,0]
разряд "в"	очень грязная	(8; 10]	(7,2; 9,0]	(6,4; 8,0)	(5,6; 7,0]	(4,8; 6,0]	(4,0; 5,0]
разряд "г"	очень грязная	(8; 11]	(9,0; 9,9]	(8,0; 8,8]	(7,0; 7,7]	(6,0; 6,6]	(5,0; 5,5]
5-й	Экстремально грязная	(11; ]	(9,9; ]	(8,8; ]	(7,7; ]	(6,6; ]	(5,5; ]

П р и м е ч а н и е. Круглая скобка показывает, что стоящее при ней значение в интервал не входит; квадратная скобка – значение входит.

Существенным при расчете КИЗВ является выбор перечня загрязняющих веществ. В РД предлагаются три перечня: обязательный перечень № 1 (O_2раст., БПК₅, ХПК, фенолы, нефтепродукты, NO₂^-, NO₃^-, NH₄⁺, Fe_общ., Cu²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺, Mn²⁺, Cl^-, SO₄^2-); рекомендуемый № 2, который включает специфические загрязняющие вещества, которые характерны для определенных водных объектов и имеют локальное распространение (к специфическим загрязняющим веществам могут относиться ртуть, кадмий, свинец, мышьяк, бор, фтор, алюминий, формальдегид, анилин, метилмеркаптан, сульфиды и сероводород, хлор- и фосфорорганические пестициды и др.); свободный перечень № 3 включает те ингредиенты, которые важны для водопользователя при проведении отдельных научно-исследовательских работ или решении производственных задач.

Нужно заметить, что от количества включаемых в рассмотрение веществ зависит величина УКИЗВ. Поэтому целесообразно использовать перечисленные вещества из первого и второго перечней, а также специфические поллютанты, типичные для данного водного объекта, когда их содержания превышают соответствующие статусу водного объекта ПДК. При этом не стоит искусственно расширять этот перечень.

К сожалению УКИЗВ не учитывает фоновые содержания химических веществ. Это приводит к тому, что при расчете индекса (особенно для водоемов рыбохозяйственного назначения) в некоторых районах страны мы сталкиваемся с низким качеством воды за счет повышенного фонового содержания некоторых ингредиентов. Заведомо снижение качества воды будет в районах развития естественных геохимических аномалий. Для многих водоемов типичны повышенные фоновые содержания меди и цинка по отношению к ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения. В северных районах за счет природных факторов повсеместно наблюдаются концентрации железа и марганца, превышающие существующие нормативы. Так, многочисленные расчеты УКИЗВ для водных объектов ЯНАО показывают, что в отсутствие каких-либо источников загрязнения повышенные фоновые содержания металлов снижают класс качества до слабо загрязненных и загрязненных вод.

Кроме этих широко применяемых индексов состояния вод, следует кратко остановиться еще на одном показателе, который используется в системе оценки экологической обстановки территорий (см. раздел 2.6). Это показатель химического загрязнения (ПХЗ-10). Расчет проводится по десяти соединениям, содержание которых максимально превышает ПДК:

ПХЗ-10 =

где ПДК – предельно допустимые концентрации поллютантов в воде рыбохозяйственного назначения, С_i – концентрация i–го химического вещества в воде.

Для установления ПХЗ-10 рекомендуется проводить анализ воды по максимальному числу показателей. Водные объекты, в которых величина ПХЗ-10 по веществам 1–2-го классов опасности составляет более 80 или по 3–4-го классам опасности – более 500, соответствуют статусу зоны экологического бедствия. Критерием зон чрезвычайной экологической ситуации служат значения ПХЗ-10 по веществам 1–2-го классов опасности – 35-80, 3-4 классов – менее 500. В то же время в относительно удовлетворительной ситуации эти величины не превышают 1 и 10 соответственно.

Правила таксации водоемов рыбохозяйственного назначения определяются ГОСТ 17.1.2.04-77. Состояние водных объектов, используемых в рыбохозяйственных целях, оценивается по классам сапробности, которые отражают уровень антропогенного загрязнения воды органическими и биогенными веществами.

Рассматривается шесть классов сапробности водного объекта: ксеносапробность и олигосапробность, характеризующие чистые воды; b-мезосапробность и a-мезосапробность – загрязненные воды; полисапробность и гиперсапробность – грязные воды. Для определения класса сапробности используется ряд количественных показателей и свойств воды: содержание растворенного кислорода (% насыщения), прозрачность воды, значения БПК₅ и БПК₂₀, перманганатная окисляемость, содержание биогенных соединений (нитриты, нитраты, фосфаты и т. д.), сероводорода, а также микробиологические показатели (табл. 24). Существенно, что оценка качества воды в рыбохозяйственных водоемах может проводиться без привлечения значений предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ.

Кроме того, состояние водного объекта оценивается по ряду качественных характеристик (состав донных осадков, гидрологический режим, состояние флоры и фауны с позиций кормовой и промысловой баз и т. д.) и количественных показателей (по pH, показателю жесткости, соотношению показателей содержания органического вещества, концентрации катионов и анионов). Так, по водородному показателю пресные (соленость до 1,00‰), солоноватые и эстуарные (1,01-15,00‰) воды делятся на следующие группы:

- нормальные (pH 6,5-8,5);

- слабокислые (6,4-5,0) – опасны для рыб при концентрации двуокиси углерода выше 20 мг/л, повышенном содержании солей железа и др.;

- кислые (ниже 5,0) – опасны для рыб всегда;

- слабощелочные (8,6-9,5) – опасны для рыб при длительном действии;

- щелочные (выше 9,5) – опасны для рыб всегда.

Гигиеническая классификация состояния подземных вод по степени влияния на них техногенного фактора приведена в санитарных правилах по охране подземных вод (СП 2.1.5.1059-01). В предлагаемом документом варианте она носит сугубо качественный характер (табл. 25). На основе подхода, принятого в данной классификации, можно оценивать степень техногенного влияния на качество вод в сравнении с фоновыми значениями содержания химических элементов и их предельно допустимыми концентрациями.

Таблица 24. Классы качества воды в рыбохозяйственных водоемах

Таблица 25. Гигиеническая классификация подземных вод по степени выраженности влияния техногенного фактора