СИСТЕМА НАБЛЮДЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД

4.1 Структура экологического мониторинга поверхностных вод

При проведении экологического мониторинга в рамках ОГСНК предусмотрены несколько иерархических уровней:

· станции наблюдения (первичные пункты), осуществляющие наблюдение, первичную обработку и обобщение данных;

· территориальные и региональные центры, осуществляющие обобщения, анализ материалов, составление местных прогнозов и оценку состояния ОС на своей территории;

· высший ГИДРОМЕТЕОЦЕНТР и головные центры.

В обработанном и систематизированном виде полученная информация представляется в Кадастровых изданиях. Государственный водный кадастр (ГВК)- представляет собой систематизированный свод сведений о водных ресурсах (включающий количественные и качественные данные), данные регистрации водопользователей и учета использования воды.

Государственному учёту и включению в ГВК подлежат:

- воды рек, озер, водохранилищ и т.п.;

- ледники и подземные воды;

- внутренние моря;

- территориальные воды.

Публикуемая часть ГВК имеет следующую структуру: поверхностные воды; подземные воды; использование вод. По каждому разделу выдаются каталожные данные (разовое издание), ежегодные данные, многолетние данные (1 раз в 5 лет).

4.2 Задачи и организация мониторинга вод

Судить о качественных характеристиках воды можно путем сопоставления измеренных показателей с нормативными характеристиками ПДК вещества в воде. Основными задачами мониторинга качества вод суши являются наблюдения, оценка и прогноз их состояния.

Наблюдения и контроль за уровнем загрязнения проводятся на постоянных и временных пунктах наблюдения в местах наличия и отсутствия влияния хозяйственной деятельности (для фона).

При этом организуются:

1) стационарная сеть пунктов наблюдения за естественным составом и загрязнением поверхностных вод по химическим, физическим и гидробиологическим показателям;

2) специализированная сеть пунктов на загрязненных водных объектах;

3) временная эксплуатационная сеть пунктов наблюдений, не охваченных в (1) и (2).

Пункты наблюдений должны располагать данными о расходе воды рек и уровнях воды в водоёмах. Основными объектами при выборе мест установки пунктов наблюдения и контроля являются:

· места сброса ливневых вод и сточных вод крупных предприятий;

· места сброса подогретых вод от ТЭС, АЭС, ТЭЦ;

· места сброса вод с полей орошения и осушаемых земель;

· приплотинные участки рек и крупные нерестилища;

· границы крупных экономических регионов.

4.3 Пункты и программы наблюдений, использование «АСК ПВ»

В каждом пункте наблюдения используются не менее 2 - 3 створов. Первый створ располагается на 1 км выше источника загрязнения (для замера фона). Второй створ для контроля за изменением качества воды - вблизи выпуска сточных вод. Третий створ оценивает качество воды после перемешивания со сточными водами и располагается ниже второго. Отбор проб проводится:

- в фоновом створе- с поверхности;

- на остальных створах- в зависимости от глубины через каждые 5 - 10 метров (с обязательным отбором в придонном слое).

Все стационарные пункты по месту установки делятся на 4 категории: 1)на водоемах, имеющих важное народно-хозяйственное значение; 2) вблизи крупных промышленных городов, имеющих горячую воду и канализацию; 3)вблизи небольших населенных пунктов, испытывающих слабую антропогенную нагрузку; 4) на незагрязненных водных объектах ( для фона).

Программы наблюдений на пунктах разной категории отличаются по объемам и срокам наблюдений:

· на пунктах 1-й категории- 3 раза в месяц по полной программе и ежедневно по сокращенной;

· на пунктах 2-й категории- 1 раз в месяц по полной программе и ежедневно только визуальные наблюдения;

· на пунктах 3-й категории- 1 раз в квартал по полной программе и ежемесячно по сокращенной;

· на пунктах 4-й категории- 1 раз в квартал по полной программе.

4.4 Автоматизированная система контроля поверхностных вод

В настоящее время отбор проб и анализ автоматизирован и используется автоматизированная система контроля качества поверхностных вод (АСКПВ) в местах водозабора и наибольших антропогенных воздействий.

Отбор проб воды проводится на 1 - 7 створах, анализируется до 20 компонентов, производится расчет и передача данных в территориальные центры обработки информации.

Автоматизированные системы позволяют прогнозировать уровень загрязнения водных объектов и управлять качеством воды. Изменение качества воды хорошо фиксируется с космических аппаратов и искусственных спутников.

В России разработано автоматизированное рабочее место "Русалка", которое позволяет обеспечить ввод, хранение и накопление данных о составе поверхностных и сточных вод, о предприятиях водопользователях, лабораториях, очистных сооружениях и т. д. Комплекс позволяет вести мониторинг поверхностных и сточных вод и состоит из 3-х блоков:

1) "Справочники" - состоят из отдельных баз данных, полученных на основе гидрохимических и гидробиологических анализов в контрольных точках и других показателях водопользования;

2) "Документы" - предназначены для учета актов предписаний и других документов;

3) "Анализ данных" - позволяет выводить в табличной или графической форме динамику изменения состава воды в абсолютных показателях или долях ПДК от истоков реки до устья.

Понятия и структура биомониторинга

При классификации подсистем мониторинга выделяют подсистему наблюдений за реакцией основных составляющих биосферы:

· абиотической составляющей (геофизический мониторинг);

· биотической составляющей (биологический мониторинг).

Основной задачей биологического мониторинга является определение состояния биотической составляющей биосферы, её отклика, реакции на антропогенное воздействие на разных уровнях:

1)молекулярном; 2)субклеточном; 3)организменном;

4)популяционном; 5)биоценотическом; 6)экосистемном.

К биомониторингу относят наблюдения за состоянием биосферы с помощью биологических индикаторов.

Структура биологического мониторинга, состоящая из отдельных подпрограмм, строится из принципа, основанного на уровнях организации биосистем. При таком подходе можно выделить:

- субклеточный уровень организации, которому будет соответствовать генетический мониторинг;

- клеточный уровень организации, которому будет соответствовать биохимический мониторинг;

- организменный уровень организации, которому будет соответствовать физиологический мониторинг;

- популяционному и биоценологическому уровням организации, которым будет соответствовать экологический мониторинг.

Один из возможных путей подхода к рассматриваемой проблеме с позиций биологического мониторинга – это биоиндикация и биотестирование антропогенных факторов.

Полную, комплексную оценку качества природной среды можно дать только при сочетании физико-химических методов исследований с биологическими, так как живые организмы и их сообщества интегрально реагируют на совокупность биотических и абиотических факторов (в т.ч. и поллютантов).

Методы биоиндикации

БИОИНДИКАЦИЯ.Способ оценки антропогенной нагрузки по реакции на неё живых организмов и их сообществ получил название биоиндикации, а сами организмы- биоиндикаторов.

Биоиндикаторы имеют ряд преимуществ, позволящих успешно использовать их в целях биомониторинга:

В настоящее время в биоиндикационных исследованиях выделяют три приоритетных направления:

1. Биологическая индикация действия на организм естественных природных факторов (действие климата, взаимоотношений между организмами и т.п.).

2. Анализ процессов модификации естественных факторов человеком (мелиорация земель, эксплуатация биоресурсов, экологические результаты интродукции новых для региона видов животных и растений и т.п.).

3. Комплекс экологических явлений под влиянием глобального загрязнения биосферы.

условия.

В холодное время года системы биоиндикации в гидробиологии вообще не могут быть применимы.

Методы биотестирования

БИОТЕСТИРОВАНИЕ.В связи всем, что удовлетворить всем указанным требованиям в реальных условиях сложно прибегают к методам биотестирования, которые дополняют данные биоиндикаторных исследований.

Биотестирование- использование в контролируемых условиях биологических объектов ( тест-объектов) для выявления и оценки действия токсических факторов окружающей среды на организм, его отдельную функцию или систему организмов.

Наиболее полно методы биотестирования разработаны для гидробионтов и позволяют использовать их для:

· оценки токсичности загрязняемых природных вод;

· контроля токсичности сточных вод;

· экспресс-анализа в сангигиенических исследованиях.

Методы биотестирования все чаще используются для определения токсических свойств воздуха, воды, почвы, промышленных отходов.

Биотестирование дает возможность получать интегральную токсикологическую характеристику окружающей среды полигонов, независимо от качественного и количественного состав загрязняющих веществ.

По итогам биотестирования, используя шкалу токсичности требуемого фактора, проводится расчет индекса токсичности почвы.

Методы биотестирования, наряду с физико-химическими методами широко используются в мировой практике мониторинга качества воды.

Экспериментальное определение класса опасности отходов заключается в лабораторном исследовании экологической токсичности анализируемых образцов с использованием биологических тест-объектов.

Экспериментальная оценка токсичности отходов проводится в следующих случаях:

1) если расчетным методом установлен 5 класс опасности, то необходимо подтвердить отсутствие токсичности на биологических объектах;

2) если невозможно определить качественный и количественный состав отходов и установить класс опасности расчетным методом;

3) по желанию заинтересованной стороны или при необходимости уточнить полученный расчетным методом класс опасности.

При биотестировании проводится лабораторная оценка качества образцов по реакциям подопытных организмов с известными или поддающимися учету характеристиками.

Класс опасности устанавливается по водной вытяжке, разведенной до такой степени, когда не проявляется вредное воздействие на биологические объекты.

Отношение отходов к 5 классу опасности основано на действии водной вытяжки отхода без её разведения.

ЛЕКЦИЯ 5

ТЕМА: Вода, как объект анализа, основные характеристики воды

5.1 КАЧЕСТВО ВОД И ВИДЫ ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ

Под качеством воды понимается характеристика ее состава и свойств, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования (ГОСТ 17.1.1.01-77).

Виды водопользования на водных объектах определяются органами Министерства природных ресурсов и утверждаются органами местного самоуправления субъектов РФ.

К хозяйственно-питьевому водопользованию относится использование водных объектов в качестве источников хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также снабжения предприятий пищевой промышленности.

К культурно-бытовому водопользованию относится использование водных объектов для купания, занятия спортом и отдыха населения.

Рыбохозяйственные водные объекты могут относиться к одной из трех категорий:

*-к высшей категории (места нерестилищ особо ценных рыб;

*- к первой категории (места, используемые для сохранения и воспроизводства ценных видов рыб;

*-ко второй категории (водные объекты, используемые для других рыбохозяйственных целей.

ПДК в воде водоема хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ПДК _в) -это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать прямого или косвенного влияния на организм человека в течение всей его жизни и не ухудшать гигиенические условия водопользования. Известны значения ПДК_в для 640 загрязнителей, которые получены с учетом 3-х показателей вредности: органолептического; общесанитарного; санитарно-гигиенического.

ПДК в воде водоема, используемого для рыбохозяйственных целей (ПДК _в.р.)-это концентрация вредного вещества, которая не должна оказывать вредноговлияния на популяции рыб. Известны значения ПДК _в.р. для 147 токсичных веществ, которые устанавливались по 5-ти показателям вредности: 1)органолептического; 2)санитарного; 3)санитарно-гигиенического; 4)токсикологического; 5)рыбохозяйственного.

5.2 ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА И УРОВНИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДЫ

Дадим краткую характеристику показателям качества вод.

Органолептический показатель- характеризует способность токсичного вещества изменять органолептические свойства воды.

Общесанитарный показатель- определяет влияние токсичного вещества на процессы естественного самоочищения вод за счет биохимических процессов и химических реакций.

Санитарно-токсикологический показатель- характеризует вредное воздействие токсичного вещества на организм человека.

Токсикологический показатель- показывает токсичность веществ для живых организмов, населяющих водный объект.

За лимитирующий показатель принимается наименьший из используемых .

Классификация вод на 7 классов проводится с использованием гидрохимического индекса загрязнения воды (ИЗВ):

ИЗВ = Σ (С_i / ПДК_i ) / N,

где С_i- концентрация компонента;

N- число показателей, используемых для расчета индекса;

ПДК_i - установленная величина для соответсвующего водного объекта.

В зависимости от величины ИЗВ (она меняется от 0,2 до 10,0) участки водных объектов подразделяются на 7 классов.

Кроме того, уровень загрязнения водных объектов может устанавливаться в зависимости от микробиологических показателей, что можно видеть на примере табл.5.1 .

Таблица 5.1 Уровни загрязнения и классы качества вод

5.3 ОСОБЕННОСТИ ВОДЫ, КАК ОБЪЕКТА АНАЛИЗА

Изучение загрязнения воды является одной из главных проблем химии окружающей среды. Можно отметить следующие особенности воды, как объекта анализа:

- сложный состав органических и неорганических веществ в воде;

- постоянное изменение состава веществ из-за протекания химических, фотохимических и биологических процессов;

- различное поведение веществ, попадающих в воду (абсорбция, адсорбция, осаждение, вовлечение в биологические циклы и т.п.);

- влияние на качество воды распределения загрязняющих веществ в воде.

Распределение загрязняющих веществ в воде зависит от скорости и характера движения воды и осадков, физико-химических свойств загрязняющих веществ, устойчивости веществ в воде, действия кислорода и т.д.

При распределении загрязняющих веществ воде различают поверхностную пленку, основную водную массу и донный осадок. Считается, что поверхностная пленка имеет толщину δ = 50-500 мкм и является зоной активных реакций.

Донный осадок является хорошим сорбентом для ртути, хлорорганики, обладает биологической активностью и может катализировать некоторые реакции. Все нерастворимые вещества и часть растворимых находятся в донном слое.

ПРИМЕР: Концентрация металлов в донном осадке может быть на несколько порядков выше, чем в воде. Содержание ртути в осадке находится в пределах 80-800 мкг / л, а в воде 0,1-3.6 мкг / л.

На протекание в воде химических, фотохимических и биологических превращений оказывает большое влияние растворенный кислород.

Кроме того, перенос и перераспределение химических веществ между водой, воздухом и почвой зависит от их происхождения, переработки и применения.

5.4 ОСНОВНЫЕ ЗАГРЯЗНИТЕЛИ ВОДЫ И МЕТОДЫ ИХ АНАЛИЗА

Основными нормативными документами, оценивающими загрязнение в водной фазе, являются "Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения", перечни ПДК _в, ПДК _в.р..

Наиболее распространенными загрязнителями воды являются пестициды, сельскохозяйственные удобрения, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), моющие средства, тяжелые металлы и их соли, нефтепродукты и др.

Поступление их в воду осуществляется:

- с промышленными сточными водами;

- с бытовыми и ливневыми сточными водами;

- из воздуха с осадками;

- при вымывании из почвы.

Основными изменениями в качестве воды, происходящими под влиянием хозяйственной деятельности людей, являются:

1. Снижение рН пресных вод под действием кислотных дождей и увеличение в них сульфатов и нитратов.

2. Увеличение содержания ионов Ca²⁺, Mg²⁺, Si⁴⁺ в подземных и речных водоемах вследствие вымывания из горных пород.

3. Повышение содержания ионов тяжелых металлов (меди, кадмия, ртути, мышьяка, цинка), фосфатов, нитратов и нитритов.

4. Увеличение общего солесодержания воды рек на 30-50 мг / л ежегодно за счет солей из сточных вод, атмосферы, твердых бытовых и промышленных отходов.

5. Повышение содержания биостойких органических соединений (СПАВ, пестициды и другие средства защиты растений).

6. Снижение содержания кислорода в природных водах (за счет перехода сульфатов с сероводород).

7. Снижение прозрачности воды.

8. Возможность повышения загрязнения вод радиоактивными изотопами.

На протекание естественных процессов в воде влияет содержание в ней тяжелых металлов, ионов различных электролитов, нефтепродуктов, пестицидов, мутность воды.

Основными методами анализа используемыми при определении загрязнителей воды являются газо-жидкостная хроматография, фотокалориметрия, спектрофотометрия, атомно-абсорбционная спектроскопия. Для автоматизации химического анализа вод наиболее пригодны электрохимические методы (потенциометрия, кондукто- и кулонометрия, полярография).

В настоящее время разработаны и используются автоматизированные системы контроля качества поверхностных вод "АСК-ПВ" на основе автоматических анализаторов с определением до 20 физико-химических параметров.

5.5 ОТБОР, ХРАНЕНИЕ И ПОДГОТОВКА ПРОБ К АНАЛИЗУ

Отбор проб проводится в зависимости от поставленных задач в одном из створов, но чаще всего на 1 км выше пункта водопользования.

Приборы и устройства для отбора проб должны соответствовать требованиям ГОСТ 17.1.5.04-81. Они могут быть ручными, полуавтоматическими и автоматическими. Материал пробоотборников должен быть инертным (стекло, полиэтилентерефталат). Перед отбором посуду моют СЖК, хромовой смесью, водой, дистиллированной водой и ополаскивают пробой.

Водозабор осуществляется батометрами разной конструкции.

Отбор проб проводится не ближе, чем на 1-2 м от берега и на глубине не менее, чем 0,5-0,75 м от поверхности или дна водоема. При отборе проб на растворенный кислород и сероводород, проба не должна соприкасаться с воздухом.

Отбор проб из подземного источника проводится в часы максимального

расхода.

Отбор проб оформляется актом с датой, временем и указанием места отбора.

Хранение и консервирование пробы проводятся, если вода не исследуется в первые 2-4 часа после отбора пробы. Консервированные пробы не могут анализироваться, если срок их хранения превышает 72 часа.

Для консервирования используются хлороформ, серная или азотная кислота в количествах 2-4 мл на 1 л пробы.

Хлороформ добавляется в пробы при определении азотсодержащих веществ, соляная кислота- при определении Fe, Al, Cu, Zn, As, азотная кислота- при определении Mn, Mo, Pb, Ag, Se.

Не консервируют пробы при определении органолептических показателей, остаточного хлора, общей жесткости, хлоридов сульфатов.

Подготовка воды для анализа заключается в проведении следующих манипуляций:

- нейтрализации консервированных проб;

- удалении мутности и цветности (путем фильтрования и центрифугирования, коагулирования и отстаивания);

- при определении БПК, ХПК, металлов, взвешенных веществ, прозрачности пробу взбалтывают;

- при санитарно-химическом анализе используются неотфильтрованные пробы.

5.6 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНЦИИ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ (АСК ПВ)

"Аналитприбор" (Тбилиси), ЦКБ ГМП (Обнинск) и Гидрохимический институт (Новочеркасск) разработали и внедрили АСК ПВ, содержащие анализаторы многоканальные автоматические: АМА-201, АМА-201М, АМА-202.

Количество измеряемых параметров 16-20.

АСК ПВ предназначены для решения следующих задач:

- получения пространственной и временнóй картины загрязнения воды;

- накопления и статистической обработки информации;

- анализа эффективности работы очистных устройств;

- отработки моделей водных объектов с целью временнóго прогнозирования.

Первичными элементами АСК являются насосы и гидравлические системы, осуществляющие забор воды из источника, и работающие вместе с ними анализаторы АМА-202. Их количество может быть от 1 до 7.

Результаты измеренных параметров воды поступают на блок аппаратуры передачи данных (АПД), после которых передаются на блок коммутируемых телефонных линий связи (КТЛС).

Коммутационные линии передают информацию в центр сбора и обработки информации (ЦСОИ), который с свою очередь объединяет три взиамодействующих и последовательно связанных системы: комплекс обмена и выдачи информации (КОВИ), управляющий вычислительный комплекс (УВК) и работающий на выход блок средств выдачи информации (СВИ).

С блока СВИ информация передается потребителю информации (ПИ). Все блоки, кроме последнего (СВИ), обладают возможностью обратной связи с предыдущим блоком для коррекции проводимых измерений.

Такие системы позволяют обрабатывать данные от 2 до 50 створов и работают без присутствия персонала в течении 15 дней. Контроль от 12 до 20 параметров может осуществляться с периодичностью 1-4 часа. Существует тенденция объединения АСК в более крупные системы регионального или национального уровня.

ЛЕКЦИЯ 6