Лекция 12. Гидрохимические и гидробиологические исследования на водных объектах

Комплексная цель: рассмотреть основные источники загрязнения природных вод и принципы функционирования системы мониторинга состояния и загрязнения водных объектов

Лекция 11. Источники загрязнения поверхностных вод суши. Контроль за загрязнением природных вод и мониторинг ЛВС

Водные ресурсы на территории России распределены по регионам крайне неравномерно, и проблема чистой воды стоит очень остро. Основой водных ресурсов является речной сток, 90 % которого приходится на бассейны Северного Ледовитого и Тихого океанов.

На большей части водных объектов, по данным наблюдений ГСН, качество воды не отвечает нормативным требованиям. Основные реки: Волга, Дон, Кубань, Обь, Енисей, Лена, Печора - оцениваются как загрязненные, их крупные притоки: Ока, Кама, Томь, Иртыш, Тобол, Миасс, Исеть, Тура - как сильно загрязненные [10].

Источники поступления загрязняющих веществ в водные объекты

Главным источником поступления в природные воды загрязняющих веществ как в РФ, так и в других странах является промышленность, отрасли которой могут быть ранжированы по количеству сбрасываемых сточных вод и степени их загрязнения в следующий ряд [10, 11]:

целлюлозно-бумажная > химическая > цветная металлургия > черная металлургия > угольная > машиностроение > нефтедобывающая > нефтехимическая > электроэнергетика.

Объем и состав промышленных сточных вод зависят от мощности каждого предприятия, технологии производства и степени очистки сточных вод.

Большой вред водоемам и рекам приносят сточные воды с сельскохозяйственных территорий, особенно коллекторные и дренажные воды орошаемых земель. Сток с сельскохозяйственных территорий может быть поверхностным и почвенным. Эти же территории нередко загрязняют грунтовые воды и верховодку. С коллекторными и дренажными водами в водные объекты поступают минеральные и органические вещества, а также пестициды. Загрязнение водного объекта, вызывая изменения состава и свойств воды, приводит к нарушению экологического баланса системы, изменению состояния флоры и фауны.

Увеличение эрозии почв при распашке сельскохозяйственных угодий и особенно при поливе способствует выносу значительного количества минеральных и взвешенных веществ, что приводит не только к загрязнению водных объектов, но и к усилению темпов их эвтрофирования. Значительную долю в загрязнение водных объектов вносят стоки животноводческих комплексов (бактериальное загрязнение) [10, 11].

Существенным источником загрязнения водоемов и водотоков являются хозяйственно-бытовые (в том числе фекальные) сточные воды, спускаемые через канализационную сеть. Бытовые сточные воды насыщены бактериальной флорой, значительную долю которой составляют болезнетворные формы.

Возрастающее загрязнение воздушного бассейна также вызывает ухудшение качества поверхностных вод. Из воздуха в гидросферу поступают минеральные, органические и взвешенные вещества, и прежде всего соединения серы, углерода, некоторые тяжелые металлы и др. Особенно сильно загрязнен воздух в крупных городах, где основным источником загрязнения является автомобильный транспорт. В автомобильном топливе содержатся соединения свинца (тетраэтилсвинец), которые попадают в воздух, а затем и в водные объекты [10, 11].

Значительное загрязнение водоемов вызывают кислотные дожди, образующиеся в результате соединения в атмосфере диоксида серы с парами воды. По некоторым данным (Ю. А. Израэль), ущерб от закисления почв в северо-западной части территории СНГ (в том числе за счет трансграничного переноса) достигал 100 млн руб./год, для раскисления почв здесь вносилось до 1,5 млн т извести [10].

На гидрохимический и гидробиологический режим водных объектов в значительной мере влияют тепловые и атомные электростанции, происходит повышение температуры воды водного объекта за счет сброса в них подогретых сточных или охладительных вод промышленных предприятий, ТЭС или АЭС. Такое загрязнение природных вод называют тепловым.

Тепловое загрязнение влияет на гидролого-экологическое состояние экосистем. Сброс горячих вод в водный объект нарушает тепловой баланс. Более 80 % поступающей на ТЭС природной воды используется для охлаждения аппаратов. И эта нагретая на 8—10 градусов вода возвращается в водоем с тем же химическим составом, но со значительным дефицитом растворенного в ней кислорода. Происходит изменение скоростей продукционно-дест-рукционных процессов и соотношения содержания в водной среде азот- и фосфорсодержащих соединений. Это приводит к усилению процессов антропогенного эвтрофирования водной экосистемы [Ю, 11].

Повышение температуры воды неизбежно ведет к перестройке экосистемы. Поскольку при повышении температуры водной среды активизируются биохимические процессы, увеличивается выработка первичной продукции, возрастает интенсивность фотосинтеза, наблюдается общее увеличение массы органических веществ, особенно в зонах сильного и умеренного теплового воздействия. Одна из основных опасностей, которую несут «теплые воды» — это усиление токсичного действия загрязняющих компонентов. Значительно быстрее происходит накопление в конечных звеньях трофических цепей таких токсичных элементов, как свинец, ртуть кадмий, цинк, никель.

Таким образом, нарушаются естественные гидрохимические и биологические процессы, часто усиливается эвтрофирование водоемов и изменяется в них биотический круговорот веществ

В нашей стране установлены предельные нормы повышения температуры водоемов в результате сброса теплых вод. Эта температура не должна повышаться более чем на 3 °C по сравнению с максимальной температурой водоема в летнее время для водоемов питьевого и культурно-бытового водопользования и более чем на 3 °C в летний и 5 °C в зимний периоды для водоемов рыбохозяйственного значения [10, 11].

Кроме названных основных источников поступления загрязняющих веществ в водные объекты, следует указать такие, как городские ливневые стоки, лесосплав, утечки и потери нефтепродуктов и химикатов при транспортировке, шахтные и рудничные воды и др.

Особо следует выделить радиоактивное загрязнение водных объектов. Радиоактивное излучение является следствием внутриядерных процессов, оно не зависит от природных физических и химических условий и пока не устраняется на очистных сооружениях.

Радиоактивное загрязнение может быть вызвано наличием в водной среде радиоактивных элементов естественного или искусственного происхождения. Наибольшую опасность представляют осколки деления тяжелых ядер, образующиеся при ядерных взрывах и в атомных реакторах. При расщеплении тяжелых ядер (235U, 233U, 2-зэри и др.) образуется до 200 изотопов различных радиоактивных и нерадиоактивных элементов. Наиболее опасными являются долгоживущие изотопы, такие как 90Sr и 137Cs с периодами полураспада соответственно 29 лет и 33 года [10, 11].

Радиоактивные элементы имеют способность адсорбироваться находящимися в воде взвешенными веществами, которые, оседая, вызывают радиоактивное загрязнение донных отложений.

Организация работ по наблюдению за загрязнением поверхностных вод суши (ПВО)

В основе организации и проведения наблюдений за загрязненностью поверхностных вод суши в рамках ГСН лежат следующие принципы [11, 13]:

  • — комплексность и систематичность наблюдений;
  • — согласованность сроков их проведения с характерными гидрологическими ситуациями;
  • — определение состава и свойств воды по единым или сопоставимым методикам.

К указанным основным принципам примыкает и ряд положений о необходимости соблюдения единства методов сбора, обработки, хранения данных, создания и ведения банков данных, а также непрерывности и своевременности получения и доведения информации до потребителя.

Комплексность обеспечивается проведением наблюдений за загрязненностью воды и донных отложений по физическим, химическим и гидробиологическим (гидрологическим, гидрохимическим и гидробиологическим) показателям [11, 13].

Наблюдения осуществляет наблюдательная сеть пунктов, предназначенных для определения уровня загрязненности поверхностных вод суши.

В зависимости от целей и задач наблюдения подразделяются на следующие виды: режимные, оперативные, фоновые и специальные.

Основную информацию о состоянии поверхностных вод суши и их загрязнении получают в рамках режимных наблюдений на сети пунктов [11, 13]. Под пунктом наблюдений понимается место на водоеме (водотоке), в котором производят комплекс работ для получения данных о составе и свойствах воды.

Пункты наблюдений организуют в первую очередь на водных объектах, имеющих важное хозяйственное значение, а также подверженных значительному загрязнению промышленными, хозяйственно-бытовыми и сельскохозяйственными стоками. На не загрязненных сточными водами водоемах и водотоках создают пункты для фоновых наблюдений. При этом учитываются существующее использование водного объекта для нужд хозяйства и перспективы его развития.

Пункты наблюдений организуют на водоемах и водотоках в районах [11, 13]:

  • — расположения городов и крупных рабочих поселков, сточные воды которых сбрасываются в водоемы и водотоки;
  • — сброса сточных вод отдельно расположенными крупными промышленными предприятиями, территориально-производственными комплексами, а также организованного сброса сельскохозяйственных сточных вод;
  • — мест нереста и зимовья ценных и особо ценных видов промысловых организмов;
  • — предплотинных участков рек, важных для рыбного хозяйства;
  • — пересечения государственной границы;
  • — замыкающих створов больших и средних рек;
  • — устьев, загрязненных притоков больших водоемов и водотоков;
  • — не подверженных прямому антропогенному воздействию.

Расположение пунктов наблюдения на загрязненных объектах должно обеспечивать возможно более полную характеристику масштабов и вида загрязнения. Выбор пунктов фоновых наблюдений, расположенных в районах с наименьшим загрязнением, должен быть обусловлен физико-географическими данными региона. Пункты определения фонового состояния воды водоемов, водотоков создаются также на территории государственных заповедников и природных национальных парков и в местах, которые являются уникальными природными образованиями [11, 13].

Экологический мониторинг (мониторинг окружающей среды,) — это система комплексных наблюдений за состоянием окружающей среды, в том числе компонентов природной среды, естественных экологических систем, за происходящими в них процессами, явлениями, оценка и прогноз изменений состояния окружающей среды [11].

Мониторинг окружающей среды решает следующие задачи:

  • 1) наблюдение за изменениями состояния биосферы, выделение изменений, обусловленных деятельностью человека, и обобщение результатов наблюдений;
  • 2) определение тенденций и прогноз возможных изменений;
  • 3) оценка изменений и тенденций изменений состояния биосферы путем сравнения с критериями (ПДК и ПДН), устанавливающими предел возможного экологического ущерба.

Национальная система мониторинга состояния и загрязнения окружающей среды включает в себя [11]:

  • — мониторинг источников загрязнения;
  • — мониторинг загрязнения поверхностных вод суши;
  • — мониторинг загрязнения атмосферного воздуха;
  • — мониторинг загрязнения почв;
  • — мониторинг загрязнения морей;
  • — фоновый мониторинг.

Таким образом, мониторинг окружающей среды (ОС) - комплексная система долгосрочных наблюдений, оценки и прогноза изменения состояния окружающей среды под влиянием антропогенных факторов. Основными задачами мониторинга выступают: наблюдение за состоянием биосферы, оценка и прогноз состояния природной среды, выявление факторов и источников антропогенных воздействий на ОС, предупреждение о создающихся критических ситуациях, вредных или опасных для жизнедеятельности и здоровья людей и других живых организмов.

Одной из важных частей мониторинга ОС является мониторинг состояния и загрязнения поверхностных вод суши (ПВО, осуществляемый Росгидрометом и его структурными подразделениями [11, 13].

Структура системы мониторинга состояния и загрязнения ПВС

Система мониторинга состояния и загрязнения ПВС в России построена по иерархическому принципу и состоит из трех уровней [П, 13].

Первый уровень - станции наблюдений, которые проводят отбор проб, их обработку, химические определения и первичное обобщение полученной информации.

Второй уровень - территориальные и региональные центры по гидрометеорологии и мониторингу ПВС. Здесь осуществляется анализ и обобщение полученной информации, оценка состояния водных объектов на региональном уровне, составляются прогнозы для данной территории.

Третий уровень - Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет) и головные научно-исследовательские учреждения (НИУ) по каждому виду мониторинга.

В структуру мониторинга состояния и загрязнения ПВС также входят [И, 13]:

  • - стационарная сеть пунктов наблюдений по физическим, химическим и гидробиологическим показателям для постоянного контроля качества вод;
  • - специальная сеть пунктов наблюдений, которая служит для изучения процессов, происходящих в водном объекте (например, для изучения эвтрофирования или самоочищения водного объекта);
  • - временная экспедиционная сеть пунктов наблюдений, предназначенная для рекогносцировочного обследования;
  • - автоматизированные станции наблюдений, которые служат для непрерывного контроля загрязненности вод и устанавливаются на наиболее напряженных с экологической точки зрения участках водных объектов.

Типы информации о загрязненности ПВС

  • 1. Экстренная (штормовая) информация содержит сведения о резких изменениях уровня загрязненности, которые могут быть вызваны неблагоприятными метеорологическими условиями или авариями, влекущими за собой выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду. Эта информация немедленно передается в местные органы управления для срочного принятия мер, а также в головные НИУ и Росгидромет, которые оперативно проводят анализ данной информации и передают ее в центральные органы власти и управления [11, 13].
  • 2. Текущая (режимная) информация охватывает трехмесячный период наблюдений. Информация передается по цепочке: региональный центр - НИУ - Росгидромет. Последний извещает органы власти о текущем состоянии окружающей среды и выявленных тенденциях.
  • 3. Обзорная (обобщающая) информация охватывает период в 1 год и отражает общее состояние водных объектов. Обзорная информация служит для планирования природоохранных мероприятий, для составления долгосрочных прогнозов состояния ОС и использования водных ресурсов [11].
  • 4. Информация по запросам потребителей. Подготавливается и предоставляется обзорная информация об экологическом состоянии водного объекта в зависимости от тематики запроса (оценка качества воды, состояния водной экосистемы, уровне загрязнения и/или токсичности воды и т. и.).

Лекция 12. Гидрохимические и гидробиологические исследования на водных объектах

Наблюдения в пунктах производят комплексно по физическим, химическим и биологическим показателям. Одновременно определяют гидрологические показатели. Состав и объем контролируемых показателей качества воды обусловлены характером использования водного объекта, видом загрязнения и требованиями потребителей информации.

Наблюдения в пунктах проводят по определенным видам программ, зависящим от категории пункта. Наблюдения по гидрохимическим показателям проводятся по обязательной и сокращенной программам, которые включают в себя определение обязательных показателей и веществ, загрязняющих воду в данном пункте наблюдений [13, 16].

Обязательная программа является общей для сети и включает следующие разделы [13]:

  • — визуальные наблюдения (отмечаются явления, необычные для данного водного объекта, например наличие и характер пленки на поверхности воды и на береговой полосе, плавающие примеси, повышенная мутность, посторонняя окраска, цветение, пена, выделение пузырьков донных газов, гибель рыбы, земноводных, растений и др.);
  • — измерение расхода и скорости течения воды на водотоках или уровня на водоемах;
  • — измерение температуры, цветности, прозрачности, запаха, pH и Eh, концентрации кислорода и диоксида углерода, взвешенных веществ, главных ионов и их суммы, органических веществ (по ХПК и ВПК), биогенных веществ и основных загрязняющих веществ (нефтепродукты, синтетические поверхностно-активные вещества, фенолы, пестициды, тяжелые металлы).

Кроме обязательной программы, имеется три сокращенные, каждая из которых включает ряд показателей [13]:

программа 1 - визуальные наблюдения, расход воды (или уровень), Т °C, растворенный кислород, удельная электрическая проводимость;

программа 2 - визуальные наблюдения, расход воды (или уровень), Т °C, удельная электрическая проводимость, pH, ХПК, ВПК5, взвешенные вещества, растворенный кислород, два-три основных загрязняющих вещества, характерных для этого пункта;

программа 3 - визуальные наблюдения, расход, скорость течения воды (или уровень), Т °C, растворенный кислород, pH, ХПК, ВПК,., взвешенные вещества, все загрязняющие вещества, характерные для данного пункта

Наблюдения за содержанием загрязняющих веществ в донных отложениях проводятся не во всех пунктах и створах. Перечень определяемых в них показателей включает в себя хлорорганиче-ские пестициды (ХОП), нефтепродукты, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и тяжелые металлы. Указанные ве щества выбраны на данном этапе из-за их биохимической устойчивости, сорбции на взвешенных веществах, аккумуляции донными отложениями, водными растениями и животными, а также высокой токсичности для гидробионтов [13, 16].

Программы работ в пунктах наблюдений (пунктах контроля) разных категорий различаются не только по объему определяемых показателей, но и по срокам наблюдений [11, 13]. По обязательной программе отбор проб в большинстве водотоков осуществляется семь раз в год: во время половодья - на подъеме, пике и спаде, во время летней межени — при наименьшем расходе и при прохождении дождевого паводка, осенью перед ледоставом и во время зимней межени.

Количество проб воды, отбираемых для анализа по обязательной программе, может изменяться в зависимости от особенностей водного режима отдельных водотоков: на водотоках с длительным половодьем (более месяца) и с паводочным режимом в течение всего года количество проб не менее восьми в год, на водотоках с устойчивой летней меженью - пять-шесть в год, на временных водотоках три-четыре в год. На горных водотоках число наблюдений может колебаться в зависимости от типа от 4 до 11 раз.

На водоемах наблюдения по обязательной программе проводятся 4 раза в год при следующих гидрологических ситуациях [13]:

  • — зимой, при наиболее низком уровне и наибольшей толщине льда;
  • — в начале весеннего наполнения водоема;
  • — в период максимального наполнения (при наибольшем уровне);
  • — при наиболее низком уровне в летне-осенний период.

Периодичность проведения наблюдений за содержанием в поверхностных водах пестицидов устанавливают с учетом категории и пункта наблюдений и персистентности определяемого пестици-да;сроки проведения наблюдений устанавливают с учетом гидрологической ситуации на водоеме или водотоке и сроков обработки сельскохозяйственных угодий [13].

Периодичность проведения наблюдений за содержанием пестицидов в донных отложениях - не менее двух раз в год. Срок отбора проб устанавливают с учетом гидрологической ситуации на водоеме и водотоке и периода максимального поступления пестицидов в донные отложения, зависящего от времени обработки сельскохозяйственных угодий пестицидами в бассейне. Периодичность наблюдений за нефтепродуктами, ПАУ, тяжелыми металлами - 2-3 раза в год с учетом фаз гидрологического режима.

Помимо наблюдений по гидрологическим и гидрохимическим показателям, на сети проводятся наблюдения по гидробиологическим и токсикологическим показателям [9, 11, 13].

Наблюдения по гидробиологическим показателям проводят не на всех пунктах. При выборе пунктов для проведения данного вида наблюдений учитывают хозяйственную значимость водного объекта, выявленные при рекогносцировочном обследовании изменения в сообществах водных организмов, а также необходимость фоновых наблюдений, в том числе в заповедниках.

Программа наблюдений по гидробиологическим характеристикам включает определение показателей состояния сообществ [13, 15]:

  • — фитопланктона (общая численность клеток, число видов, групп, биомасса, виды-индикаторы сапробности, сапробность и др.);
  • — зоопланктона (общая численность организмов, число видов, групп, биомасса, сапробность и др.);
  • — зообентоса (общая численность организмов, биомасса, число видов, групп, сапробность и др.);
  • — перифитона (общее число видов, массовые виды, частота встречаемости, сапробность);
  • — бактериопланктона (микробиологические показатели: количество бактерий, количество сапрофитных бактерий, отношение этих величин);
  • — макрофитов (проективное покрытие, характер распространения растительности, преобладающие виды, общее число видов);

— интенсивности фотосинтеза фитопланктона, деструкции органического вещества и др.

Перечень определяемых гидробиологических показателей устанавливают, учитывая региональные особенности водного объекта, уровень его загрязненности, экологические последствия антропогенного воздействия.

Наблюдения по токсикологическим показателям проводятся в пунктах, подвергающихся наиболее значительной антропогенной нагрузке. Токсическое действие определяют по биотестам на дафниях, цериодафниях, водорослях, парамециях, коловратках и рыбах [9, 13, 15].

В пунктах I, II и III категорий наблюдения по гидробиологическим показателям рекомендуется проводить ежемесячно в вегетационный период. В пунктах IV категории контроль по гидробиологическим показателям рекомендуется проводить ежеквартально.

Специальные наблюдения. Для решения конкретных задач осуществляются специальные наблюдения. Они могут иметь как ограниченный срок действия, так и неограниченный. Примером первого могут служить проводившиеся в 1980-е гг. наблюдения с целью изучения процессов самоочищения водных объектов, расположенных в различных регионах страны, программа наблюдений за состоянием оз. Байкал и др. [11].

Каждый вид специальных наблюдений базируется на своей сети пунктов, привязанных к пунктам режимных наблюдений. Число пунктов специальных наблюдений в настоящее время невелико — не превышает 2 % от общего числа пунктов режимных наблюдений.

При изучении процессов самоочищения должно быть выбрано не менее трех створов наблюдений: фоновый, главный контрольный и замыкающий. Принципы выбора первых двух створов такие же, как и при изучении загрязненности водотоков: фоновый должен быть расположен выше источника загрязнения, главный контрольный — в створе гарантированного перемешивания сточных вод с речными. Замыкающий створ должен быть расположен на нижней границе участка наблюдений, которая определяется местными условиями водотока и стабильностью концентрации в воде загрязняющих веществ [11].

Экспедиционные наблюдения. На водоемах и водотоках экспедиционные наблюдения проводят при необходимости получения данных о качестве воды вне пунктов наблюдений ГСН (например, для получения информации о качестве воды при чрезвычайных ситуациях в состояния водоемов и водотоков) и при обследовании водных объектов для определения или уточнения расположения пунктов и створов наблюдений и программ работ. Экспедиционным путем возможно также проведение специальных наблюдений.

Проведение гидрохимических работ

Отбор проб и их консервирование. Проблема отбора проб весьма сложна и многообразна. Проба должна представлять водоем или его часть и характеризовать состояние воды за определенный промежуток времени. Степень репрезентативности единичной малой пробы воды зависит от ряда факторов, в числе которых однородность отбираемой водной массы, число точек пробоотбора, размеры отдельных проб и способ их отбора [11, 13].

Отбор репрезентативных проб должен проводиться с учетом особенностей водоема (морфология, гидрология, характер водосбора и т. д.) и состояния, в котором находятся определяемые вещества (растворенное, взвешенное, коллоидное, пленочное).

Существует два вида отбора проб: разовый (нерегулярный) и серийный (регулярный). Разовый отбор проб применяют для периодического определения состава воды на ранее исследованных объектах или в случае, когда необходимо получить общее представление о качестве воды. При серийном отборе проб каждую пробу отбирают в определенной (временной или пространственной) последовательности, что обеспечивает наиболее надежную информацию о состоянии водоема [11, 13].

Природная вода является нестабильной системой, поэтому анализ пробы должен быть проведен как можно скорее после отбора. Если это невозможно в день взятия пробы, то для сохранения определяемых компонентов и свойств воды применяется консервирование и (или) охлаждение. Не существует универсального способа консервации воды, одинаково пригодного по отношению ко всем ингредиентам химического состава воды, поэтому отдельные пробы воды приходится консервировать разными способами. Например, для определения ионов аммония, нитритов, нитратов, ортофосфатов и общего фосфора на длительное время применяют способ замораживания при -20 °C. Однако следует иметь в виду, что ни один из способов консервации не гарантирует стопроцентного сохранения свойств пробы.

Порядок и последовательность работ у водного объекта

При проведении гидрохимических работ непосредственно у изучаемого водного объекта (реки, озера, водохранилища, пруда) рекомендуется придерживаться определенной последовательности. До взятия пробы с поверхности определяют прозрачность по диску, цвет и температуру воды [11, 13].

  • 1. Отбирают пробу воды объемом примерно 5 л; для этого используют батометр или эмалированное ведро, покрытое белой эмалью, ополоснутое предварительно несколько раз водой.
  • 2. Отбирают и фиксируют пробу на О2, заполняют склянки для определения СО2, H.,S.
  • 3. Определяют pH, СО.,, карбонаты, фиксируют или консервируют пробу для определения H0S.
  • 4. Наполняют водой бутылки в соответствии с программой наблюдений. Пробы для определения нефтепродуктов, пестицидов, СПАВ, тяжелых металлов и некоторых других ингредиентов отбирают в отдельные склянки.
  • 5. Отобранные пробы фильтруют, если необходимо, консервируют для определения главных ионов, биогенных элементов и других компонентов, отмечают в талоне, чем законсервирована проба, и плотно закрывают пробку.
  • 6. Определяют вкус и запах воды.
  • 7. Все результаты определений записывают в талоне (на этикетке).

Подробное описание гидрохимических работ у водного объекта приводится в специальных руководствах и указаниях по химическому анализу поверхностных вод.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >