Экологические критерии нормирования сброса загрязняющих веществ в водные объекты Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 504.06

ББК 28.082

Селезнев В.А., Беспалова К.В.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ НОРМИРОВАНИЯ СБРОСА ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ВОДНЫЕ ОБЪЕКТЫ

Seleznev V. A., Bespalova K. V.

ENVIRONMENTIAL CRITERIA FOR RATIONIG DISCHARGE OF POLLUTANTS INTO WATER BODIES

Ключевые слова: водные объекты, антропогенная нагрузка, качество воды, региональные нормативы, нормирование сброса веществ.

Keywords: water, anthropogenic stress, water quality, regional standards, rationing reset substances.

Аннотация: по данным многолетних наблюдений на водных объектах Нижней Волги рассчитаны региональные допустимые концентрации для веществ двойного генезиса. Полученные нормативы качества воды учитывают природные особенности формирования качества вод и предлагаются для использования в качестве критериев нормирования сброса загрязняющих веществ в водные объекты.

Abstract: according to the long-term observations on the water bodies of the Lower Volga Regional calculated allowable levels of dual origin. The resulting water quality standards take into account the natural features of the formation of water quality and available for use as a valuation criteria pollutant discharge into water bodies.

На крупных водохранилищах Нижней Волги особую тревогу вызывает органическое загрязнение, обусловленное чрезмерным сбросом биогенных веществ в составе сточных вод, что в условиях замедленного водного обмена вызывает массовое развитие водорослей и ухудшение качества воды источников питьевого водоснабжения. Вместе с тем, официальные источники указывают на загрязнение волжской воды медью, цинком и марганцем.

Одна из причин сложившейся ситуации - это несовершенство методики расчета нормативов допустимого сброса (ПДС) загрязняющих веществ в водные объекты [2]. В настоящее время в качестве критериев при нормировании сброса веществ двойного генезиса используются предельно допустимые концентрации (ПДК) [4], которые являются одинаковыми для всей территории РФ, зависят только от вида водопользования и не учитывают природных особенностей водных объектов.

Использование ПДК при нормировании сбросов веществ в составе сточных вод приводит к установлению ошибочных приоритетов при управлении антропогенной нагрузкой на водные объекты.

Для решения данной проблемы авторы предлагают при нормировании сброса веществ двойного генезиса вместо ПДК, установленных на основе лабораторных экспериментов, использовать региональные допустимые концентрации (РДК), полученные по данным мониторинга водных объектов.

Региональное нормирование основывается на учете природных особенностей формирования качества вод. Основная цель разработки РДК состоит в том, чтобы антропогенное воздействие не приводило к нарушению нормального функционирования водных экосистем и ухудшению качества воды.

В каждом отдельно взятом бассейне или его части формируется особенный состав воды, свойственный данной водосборной территории и зависящий от природных условий. Условия формирования химического состава поверхностных вод в бассейне Нижней Волги

существенно отличаются и зависят, прежде всего, от климата, рельефа, гидрогеологических условий и растительности [5].

Географическое положение района, значительная его протяженность в широтном направлении обусловили разнообразие климатических условий. В его пределах наблюдается смена климатических зон от достаточно влажного климата северной части до засушливого континентального климата пустынь - в южной его части.

Средняя годовая температура воздуха по мере продвижения к югу увеличивается от 2,2°С в самых северных районах до 3,5-4,0°С на преобладающей части территории и до 9,4°С на юге (Астрахань).

Распределение атмосферных осадков по территории отличается неравномерностью. Годовые суммы осадков по правобережью р. Волги изменяются от 600 мм в бассейнах рек, впадающих в Куйбышевское водохранилище (в низовьях р. Свияги), до 520-550 мм на восточных склонах Приволжской возвышенности; в долинах рек бассейна Саратовского водохранилища они уменьшаются до 500 мм, а в бассейне р. Терешки - до 460-480 мм.

Речная сеть по территории распределена неравномерно, что тесно связано с особенностями рельефа и геологического строения, а также с широтным изменением климата. Наиболее густой речной сетью характеризуется бассейн Куйбышевского водохранилища. Густота речной сети составляет 0,29 км/км2. В бассейне Саратовского водохранилища густота сети несколько уменьшается (до 0,22 км/км2) главным образом за счет территорий, расположенных к югу от р. Самары, где водотоки сравнительно редки и маловодны. Бассейн Волгоградского водохранилища характеризуется самой редкой речной сетью. Почти на всех реках левобережья водохранилища вода в межень сохраняется лишь в небольших глубоких плесах и многочисленных прудах.

В распространении растительного покрова также ярко проявляется широтная зональность: происходит смена растительности от смешанных лесов на севере до полупустынной и пустынной растительности на юге. Рельеф и геологическое строение оказывают влияние на размещение растительных формаций внутри природных зон.

По гидрогеологическим условиям на описываемой территории выделяют две основные зоны: северную в пределах лесостепи и степи и южную - в зоне засушливых степей и полупустынь. Северная зона характеризуется залеганием вод в отложениях до четвертичного возраста на глубине более

20 м. По химическому составу воды характеризуются как гидрокарбонатно-кальциевые с концентрацией солей до 1г/л. На участках, сложенных загипсованными и соленосными породами, они имеют повышенную и высокую минерализацию хлоридного и сульфатного состава.

В южной зоне грунтовые воды прикаспийских равнин залегают в линзах песка и супесей среди толщи глины на глубине 0-5 м на равнине и от 0 до 20 м на участках эоловыми формами рельефа. Воды здесь обладают повышенной минерализацией с концентрацией солей 3-100 г/л и характеризуются как воды хлоридного и сульфатного состава.

При таком разнообразии природно-климатических условий в бассейне Нижней Волги совершенно очевидно, что концентрация химических веществ двойного генезиса в различных речных бассейнах может изменяться в широких пределах. Наиболее хорошо изучены закономерности формирования неоднородностей по минерализации вод. Концентрация и режим органических и биогенных веществ, содержащихся в водных объектах, изучен по сравнению с ионным составом значительно хуже [1].

С целью определения пространственных неоднородностей качества воды в бассейне Нижней Волги осуществляется региональное или водохозяйственное районирование. Региональные допустимые концентрации (РДКу) рассчитываются для определенного вещества в конкретный гидрологический сезон по аналогии с расчетом фоновых концентраций [5] по формуле:

РДКу = (Си + Оу • 18» / П1/2) , (1)

где Су - средняя концентрация ьго вещества в фоновом створе j-го экологического сезона; ^ - коэффициент Стьюдента;

п - число данных; о; - среднеквадратичное отклонение.

Территория бассейна Нижней Волги охватывает часть реки Волги от г. Казани до впадения ее в Каспийское море и разделена органами Водного кадастра на 28 водохозяйственных участков. Каждый участок охватывает водосбор определенного отрезка Волги либо отдельные бассейны ее крупных притоков. Почти на всем своем протяжении русло Волги в нижнем своем течении зарегулировано тремя крупными водохранилищами: Куйбышевским, Саратовским и Волгоградским. И только часть р. Волга от Волгоградского гидроузла до ее впадения в Каспийское море, в строгом смысле, можно назвать рекой.

В качестве объектов для разработки РДК в бассейне Нижней Волги из 28 участков выбраны: участок 2 (река Шешма), участок 6 (река Сок), участок 14 (река Малый Иргиз), участок 19 (река Терешка), участок 15 (Саратовское) и участок 22 (Волгоградское) водохранилища. Выбранные участки охватывают различные природные условия формирования качества вод в бассейне Нижней Волги.

Исходными данными для расчета РДК на указанных участках послужили данные систематических гидрохимических наблюдений в период 2006-2009 гг. На основе совместного анализа данных за расходами и температурой воды выделены гидрологические сезоны: зимняя межень (декабрь, январь, февраль и март); весеннее половодье (апрель, май, июнь); летне-осенняя межень (июль, август, сентябрь, октябрь и ноябрь).

В данной статье представлены результаты расчета РДК для следующих химических веществ и элементов двойного генезиса: сухой остаток, хлориды, сульфаты, аммоний, нитриты, нитраты, органические вещества (по интегральным показателям БПК5, ХПК), медь и цинк.

Река Шешма. Участок 2 охватывает весь бассейн р. Шешма. Длина реки - 259 км, площадь бассейна - 6,04 тыс. км2. Ширина реки от 20 до 60 м, глубина в среднем 0,5 м, в самых глубоких местах до 3,0 м.

Река является левым притоком Куйбышевского водохранилища и впадает в его Камскую ветку ниже устья р. Вятки. Берет начало на Бугульминско-Белебеевской возвышенности. Протекает по волнистой равнине, расчленённой густой сетью речных долин, балок и оврагов. В реку впадает 69 притоков. Расход межени в устье 8,8 м3/с.

Река средней водности. Питание преимущественно снеговое, а также подземное и дождевое. Вода в реке гидрокарбонатно-хлоридно-кальциевая, средней минерализации (200-400 мг/л) весной, и повышенной в межень (600-700 мг/л). В меженный период река отличается высоким подземным питанием. Сток реки зарегулирован. Отличается повышенным грунтовым стоком.

Река Сок. Участок 6 охватывает весь бассейн р. Сок. Река является левым притоком Саратовского водохранилища. Это типичная равнинная река Волжского бассейна. Длина реки - 375 км, площадь водосбора - 11,7 тыс. км2. Берет начало на западных склонах Бугульминско-Белебеевской возвышенности. На своем протяжении река принимает 53 притока, главный приток - правобережная р. Кондурча. Русло реки извилистое, на отдельных участках разделяющееся на рукава. Преобладающая ширина реки 25-35 м, наибольшая 100 м (в устье). Глубина реки изменяется в широких пределах: от 0,20,5 м в верховье, до 2-5 м на остальном протяжении.

Средний расход воды у водомерного поста с. Красный Яр составляет 38,4 м3/с. Для бассейна р. Сок характерно обилие подземных вод, приуроченных к водоносному горизонту казанского и татарского ярусов. Глубина залегания вод в зависимости от рельефа меняется от 5-12 до 30-50 м. Сток в межень зарегулирован плотинами, построенными на притоках.

Результаты расчета сезонных значений РДК по бассейнам рек Шешма и Сок представлены в таблице 1.

Река Малый Иргиз. Участок 14 охватывает весь бассейн р. М. Иргиз. Река является левым притоком Саратовского водохранилища. Длина ее составляет 203 км, площадь водосбора - 3,9 тыс. км2. Берет начало в отрогах Каменного Сырта на территории Самарской области. Долина реки достаточно четко выражена. Русло сильно извилистое, основные притоки - Сухой Иргиз, Чернава, Красная, Кулечиха, Стерех.

Таблица 1 - Сезонные значения Р 3ДК для р. Шешма (уч. 2) и р. Сок (уч. 6)

Показатели качества Зимняя межень Весеннее половодье Летне-осенняя межень

2 6 2 6 2 6

Сухой остаток, мг/дм3 581,1 1299,4 480,3 782,9 501,1 1108,1

Хлориды, мг/дм3 30,3 51,4 22,0 29,5 26,5 45,1

Сульфаты, мг/дм3 181,9 489,3 141,9 315,9 152,6 440,5

Аммоний мгМдм3 0,381 0,535 0,576 0,819 0,325 0,238

Нитриты, мгМдм3 0,035 0,026 0,018 0,024 0,030 0,027

Нитраты, мгК/дм3 1,65 1,95 1,36 2,03 1,54 1,29

Фосфаты, мгР/дм3 0,101 0,134 0,064 0,097 0,108 0,080

БПК5, мгО/дм3 1,42 2,55 4,92 4,33 3,12 4,29

ХПК, мгО/дм3 15,1 26,2 24,5 35,9 18,2 32,8

Железо общее, мг/дм3 0,091 0,106 0,124 0,152 0,087 0,080

Медь, мг/дм3 0,003 0,005 0,003 0,004 0,002 0,005

Цинк, мг/дм3 0,009 0,021 0,008 0,019 0,007 0,020

Река Терешка. Участок 19 охватывает весь бассейн р. Терешка. Река является правым притоком Волгоградского водохранилища. Длина реки составляет 270 км, площадь водосбора - 9,68 тыс. км2. Берет начало на юге Ульяновской области.

Образуя просторную долину в Приволжской возвышенности, река течет параллельно Волге в 30-50 км от нее в широкой (1-5 км) долине с крутым правым и более пологим левым склонами.

В среднем и нижнем течении характерны пойменные леса, озера-старицы. Река и многие ее притоки постоянно подпитываются родниками. Вода в реке прозрачная, хорошего качества. Используется для водоснабжения, орошения. Основные правые притоки - рр. Лебежайка, Избалык, Алай, Казанла, Карабулак, левые - рр. Елшанка, Маза, Жилой Ключ, Чернавка, Багай, Березовка.

Результаты расчета сезонных значений БДК по бассейнам рек М. Иргиз и Терешка представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Сезонные значения РДК для р. М. Иргиз (14) и для р. Терешка (19)

Показатели качества Зимняя межень Весеннее половодье Летне-осенняя межень

14 19 14 19 14 19

Сухой остаток, мг/дм3 1092,0 625,0 618,8 366,1 938,8 554,1

Хлориды, мг/дм3 292,5 36,2 149,9 20,5 256,0 32,3

Сульфаты, мг/дм3 182,5 169,6 102,3 99,5 164,8 154,3

Аммоний мгК/дм3 0,532 0,363 1,029 0,550 0,570 0,306

Нитриты, мгК/дм3 0,048 0,074 0,041 0,058 0,029 0,065

Нитраты, мгМдм3 1,32 1,76 1,15 1,64 1,23 1,64

Фосфаты, мгР/дм3 0,165 0,131 0,109 0,194 0,172 0,108

БПК5, мгО/дм3 4,63 4,31 7,45 4,76 5,99 5,84

ХПК, мгО/дм3 44,0 41,5 44,6 51,7 46,7 42,3

Железо общее, мг/дм3 0,138 0,144 0,173 0,190 0,120 0,138

Медь, мг/дм3 0,004 0,004 0,005 0,003 0,003 0,003

Цинк, мг/дм3 0,006 0,010 0,007 0,009 0,005 0,007

Саратовское водохранилище. Участок 15 охватывает бассейн Саратовского

водохранилища без бассейнов рек Сок, Самара, Чапаевка, Сызранка и Малый Иргиз. Площадь участка составляет 8,64 тыс. км2. Водохранилище имеет емкость при НП1 12,9 км , длину - 357 км, наибольшую ширину 25 км. Основное назначение гидроузла - пропуск сбрасываемой из Куйбышевского водохранилища воды и выработка электроэнергии; существенного регулирования стока не производится.

Основным регулятором стока является Куйбышевское водохранилище, которое существенно перераспределяет сток внутри года, задерживая воду в половодье и постепенно отдавая накопленный запас в течение межени.

Волгоградское водохранилище. Участок 22 охватывает бассейн Волгоградского водохранилища без бассейнов рек Большой Иргиз, Больщой Караман, Терешка, Еруслан и Торгун. Площадь участка составляет 29,1 тыс. км2. Ёмкость водохранилища при НП1 составляет 31,4 км3. Она может обеспечить лишь незначительное увеличение зарегулированных меженных расходов воды, поэтому гидроузел проводит сезонное регулирование только в маловодные годы. Длина распространения подпора от плотины водохранилища - 540 км (до плотины Саратовского гидроузла), наибольшая ширина водохранилища - 17 км.

Результаты расчета сезонных значений РДК для Саратовского и Волгоградского водохранилищ представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Сезонные РДК Саратовского (15) и Волгоградского (22) водохранилищ

Показатели качества Зимняя межень Весеннее половодье Летне-осенняя межень

15 22 15 22 15 22

Сухой остаток, мг/дм3 352,6 370,5 259,5 267,3 290,5 301,7

Хлориды, мг/дм3 32,6 34,5 24,4 25,9 28,4 29,8

Сульфаты, мг/дм3 79,8 85,1 57,2 60,4 66,2 70,4

Аммоний мгК/дм3 0,194 0,285 0,272 0,407 0,146 0,198

Нитриты, мгК/дм3 0,026 0,035 0,024 0,026 0,016 0,017

Нитраты, мгМдм3 0,95 1,09 1,23 1,41 0,48 0,61

Фосфаты, мгР/дм3 0,094 0,120 0,058 0,080 0,099 0,125

БПК5, мгО/дм3 1,80 1,95 3,49 2,71 2,80 3,03

ХПК, мгО/дм3 28,4 26,8 33,9 32,2 34,4 33,3

Железо общее, мг/дм3 0,070 0,102 0,134 0,141 0,056 0,075

Медь, мг/дм3 0,005 0,003 0,004 0,003 0,004 0,002

Цинк, мг/дм3 0,012 0,010 0,016 0,012 0,013 0,010

Вполне допустимо на начальном этапе внедрения РДК отказаться от сезонных значений и перейти к годовым значениям, чтобы не осуществлять расчеты НДС по отдельным гидрологическим сезонам. Для этого из сезонных значений РДК выбирают их максимальные значения.

Полученные значения РДК существенно отличаются друг от друга на различных участках в бассейне Нижней Волги. Диапазон изменений составляет: 353-1300 мг/дм по

3 3

сухому остатку; 30-293 мг/дм по хлоридам; 80 - 490 мг/дм по сульфатам; 0,27 - 1,03 мгМдм3 по аммонию; 0,03 - 0,07 мгК/дм3 по нитритам; 1,2 - 2,0 мгМдм3 по нитратам; 0,10 -0,20 мгР/дм3 по фосфатам; 3,0 - 7,5 мг/дм3 по БПК5; 25 - 52 мгО/дм3 по ХПК; 0,003 - 0,005 мгО/дм3 по меди; 0,007 - 0,021 мг/дм3 по цинку (таблица- 4).

Таблица 4 - Сравнение значений РДК и ПДК для участков 2-22

Показатели качества РДК ПДК

2 6 14 19 15 22

Сухой остаток, мг/дм3 580 1300 1090 625 353 370 1000

Хлориды, мг/дм3 30 51 293 36 33 35 300

Сульфаты, мг/дм3 182 490 183 170 80 85 100

Аммоний мгМдм3 | 0,58 | 0,82 | 1,03 | 0,55 | 0,27 | 0,41 | 0,39

Продолжение таблицы 4

Нитриты, мгМдм3 0,04 0,03 0,05 0,07 0,03 0,04 0,02

Нитраты, мгК/дм3 1,7 2,0 1,3 1,8 1,2 1,4 9,1

Фосфаты, мгР/дм3 0,11 0,13 0,17 0,19 0,10 0,13 0,20

БПК5, мгО/дм3 4,9 4,3 7,5 4,8 3,5 3,0 2,0

ХПК, мгО/дм3 25 36 47 52 34 33 25*

Железо общее, мг/дм3 0,12 0,15 0,17 0,19 0,13 0,14 0,10

Медь, мг/дм3 0,003 0,005 0,005 0,004 0,005 0,003 0,001

Цинк, мг/дм3 0,009 0,021 0,007 0,010 0,016 0,012 0,010

Примечание: * - ПДК для водных объектов хозяйственно-питьвого водоснабжения

РДК превышают ПДК по сухому остатку - в бассейне рек Сок и Малый Иргиз; по сульфатам - в бассейнах рек Шешма, Сок, Малый Иргиз и Терешка. По хлоридам РДК существенно меньше ПДК на всех участках за исключением участка 14 (р. М. Иргиз).

По меди РДК на всех участках в 3-5 раз превышает ПДК, по цинку превышение менее значительное, но наблюдается на всех участках кроме 2 (река Шешма) и 14 (река М. Иргиз).

По органическим веществам (БПК5 и ХПК) РДК превышают ПДК на всех участках. По биогенным веществам картина не столь однозначная. По нитритам и железу общему РДК превышают ПДК на всех расчетных участках. А по фосфатам и, особенно, нитратам, наоборот, РДК меньше ПДК.

В настоящее время расчет норматива допустимого сброса (НДС) загрязняющих веществ в водные объекты [2] осуществляется по формуле:

НДС, = q х Сдсь (2)

где q - расчетный расход сточных вод; Сда - допустимая концентрация i-го вещества, которая может быть допущена в сточных водах.

Величина Сдс определяется следующим образом:

сда = N х (ПДК, - сфонО + сфон , (3)

где N - кратность общего разбавления сточных вод в водном объекте; ПДК, -предельно допустимая концентрация i-го вещества; СФОН - фоновая концентрация i-го вещества, которая оценивается согласно действующим методическим указаниям [4].

На наш взгляд, для улучшения экологического состояния водохранилищ и не предъявления необоснованных требований к водопользователям целесообразно в формуле (3) заменить ПДК; на РДК;, а СФОН на С;. Данная замена позволит при нормировании сброса веществ учесть природные особенности формирования качества вод. Кроме того, подобная замена позволит, с одной стороны, снизить биогенную нагрузку, а с другой, отказаться от предъявления необоснованных требований к водопользователям при сбросе ряда металлов.

Разработка и внедрение РДК по бассейнам рек позволит ранжировать проблемы по загрязнению водных объектов химическими веществами и составить научно обоснованную программу поэтапного снижения антропогенной и, прежде всего, биогенной нагрузки на водохранилища.

С целью охраны водных объектов от загрязнения сточными водами необходимо внести коррективы в действующую методику по разработке НДС, чтобы учитывать природные особенности водных объектов при нормировании сброса сточных вод.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Алекин, О.А. Основы гидрохимии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1970. - 444 с.

2. Методика расчета нормативов допустимых сбросов (НДС) веществ и микроорганизмов в водные объекты для водопользователей. Утверждена приказом от 17.12.2007 № 333.

3. Перечень рыбохозяйственных нормативов: предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение. - М.: ВНИВО, 1999. - 304 с.

4. РД 52.24.622-2001 Методические указания «Проведение расчетов фоновых концентраций химических веществ в воде водотоков». - Л.: Гидрометеоиздат, 2001. - 64 с.

5. Ресурсы поверхностных вод СССР. Том 12. Нижнее Поволжье и Западный Казахстан. Выпуск 1. - Л.: Гидрометеоиздат, 1971. - 411 с.