CC BY
52
ЭКОЛОГИЯ
УДК 504.61; 502:63
КАЧЕСТВО ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ г. ТАГАНРОГА И АНАЛИЗ ПУТЕЙ ЕГО УЛУЧШЕНИЯ НА МУНИЦИПАЛЬНОМ И РЕГИОНАЛЬНОМ УРОВНЯХ
© 2011 г. И.А. Ильченко
Таганрогский институт управления и экономики, Taganrog Institute of Management and Economics,
ул. Петровская, 45, г. Таганрог, 347900, Petrovskaya St., 45, Taganrog, 347900,
info@tmei.ru info@tmei.ru
Изучены факторы, влияющие на качество питьевой воды г. Таганрога в условиях антропогенного загрязнения. Разработана когнитивная модель влияния питьевой воды и других факторов урбоэкосистемы на здоровье населения. Проведено сценарное моделирование воздействий муниципалитета с целью обеспечения приемлемого качества воды. Предложены методы улучшения качества питьевой воды на муниципальном и региональном уровнях.
Ключевые слова: питьевая вода, водоснабжение, источники водоснабжения, поверхностные воды, грунтовые воды, подземные воды, антропогенное загрязнение, очистка воды, когнитивная модель влияния питьевой воды и других факторов урбоэкосистемы на здоровье населения, сценарный анализ.
The factors influenced on the quality of drinking water of Taganrog town under anthropogenic pollution conditions have been studied. Cognitive model of the influence of drinking water and other factors of urban ecosystem on the health of city-dwellers has been elaborated. Scenario modelling of the municipality actions for ensuring of acceptable quality of drinking water is carried out. The ways of improvement of drinking water quality on municipal and regional levels have been developed.
Keywords: drinking water, water supply, water supply source, surface water, underground water, ground water, anthropogenic pollution, water purification, cognitive model of the influence of drinking water and other factors of urban ecosystem on the health of city-dwellers, analysis of scenario processes.
Питьевая вода является важным экологическим фактором среды обитания человека, и ее качество оказывает большое влияние на его здоровье [1, 2]. В связи с этим оценка различных путей улучшения качества питьевой воды посредством моделирования представляет и научный, и практической интерес.
Изучение системы хозяйственно-питьевого водоснабжения г. Таганрога показало, что общий объем подаваемой в город воды составляет более 100 тыс. м3/сут, централизованным водоснабжением охвачено более 90 % населения, а дефицит качественной питьевой воды за последние 5 лет существенно вырос и превысил 70 тыс. м3/сут [3-7]. Водообеспечение г. Таганрога осуществляется одновременно от трех источников, два из которых поверхностные (реки Дон и Миус), а один - подземный (городские артезианские скважины). Эксплуатируемые грунтовые скважины имеют высокую степень минерализации, что обусловливает высокую жесткость воды, превышение ПДК по сухому остатку, хлоридам и сульфатам. Эта вода обеззараживается на сооружениях грунтового водопровода мощностью 21,2 тыс. м3/сут. Вода из поверхностных источников проходит полный цикл очистки и обеззараживания на донских очистных сооружениях мощностью 90 тыс. м3/сут и миусских очистных сооружениях мощностью 19 тыс. м3/сут [3-7]. Качество воды поверхностных источников водоснабжения населения Таганрога за последние 5 лет характеризуется тенденцией к увеличению количества проб воды, не отвечающих гигиеническим нормативам [8]: по микробио-
логическим показателям оно выросло с 32,7 до 36,3 %, по химическим - с 19,7 до 35,0 % [6-10]. Наиболее неблагоприятные условия отмечались в 2006 г., когда количество не удовлетворяющих стандарту проб воды по микробиологическим показателям составило 37,8 %, по химическим показателям - 33,9, по паразитологиче-ским - 1,1 [6]. Ростовская область характеризуется высокой концентрацией промышленного и сельскохозяйственного производства, вследствие чего осуществляется значительная антропотехногенная нагрузка на открытые водоемы, такие как реки Дон и Миус. Вода из этих поверхностных водоисточников не соответствует установленным нормативам по микробиологическим, органолептическим и физико-химическим показателям, причем наиболее неудовлетворительна по качеству вода из р. Миус, в которой регулярно обнаруживается существенное превышение предельно допустимых концентраций (ПДК) нитратов, сульфатов, содержания сухого остатка и жесткости. Вода из подземного источника характеризуется несколько меньшей кратностью превышения аналогичных показателей. Химический состав донской воды более соответствует предъявляемым к нему требованиям и нормам, однако микробиологические показатели этой воды выше установленных норм. Для улучшения качества питьевой воды по рекомендации санитарных врачей была создана кольцевая система водоснабжения, благодаря которой увеличено количество воды из р. Дон и тем самым обеспечено разбавление воды из Миуса и артезианских скважин.
В настоящее время в г. Таганроге протяженность городских водопроводных сетей составляет свыше 460 км, из них около 35 % подлежит замене вследствие высокой степени изношенности; износ водоводов сырой воды достигает 95 % [7]. Неудовлетворительное санитарно-техническое состояние водоводов сырой воды и водопроводной распределительной сети приводят к частым авариям и перебоям в водоснабжении и обусловливают дефицит питьевой воды.
Низкое качество питьевой воды в г. Таганроге обусловлено как загрязнением водоисточников, так и недостаточной санитарной надежностью систем хозяйственно-питьевого водообеспечения и физиологической неполноценностью питьевой воды (отсутствием фтора и других микроэлементов), а к недостаткам водоснабжения следует отнести дефицит водных ресурсов (удельное водопотребление на 27 % ниже установленной санитарной нормы) и высокую степень износа водоводов.
На рис. 1 приведена когнитивная модель, отражающая совокупное влияние подземных и поверхностных источников питьевого водоснабжения и других неблагоприятных факторов городской среды обитания на здоровье таганрожцев.
-.-■'уТ.Ззррязндни^воздуха
/I у7.3^ряЭнение донской
/ / X воды
<?---'-*----------------*/---................-------.. .
уЗ.Состояние растительности Г I у2.Здоровье •уаселения ^ -—
• \ / / у уВ.Загрязнение миусской
ч'\ // >
* / / уб.Загрязнение подземных
!/ Увод
чА.Загрязнение почв О
чБ.Загрязнение грунтовых вод
Рис. 1. Когнитивная модель 1 «Влияние подземных и поверхностных источников питьевого водоснабжения и других факторов на здоровье населения г. Таганрога»
Построение модели и последующее ситуационное моделирование было проведено с помощью вычислительных программ ПС КМ [9, 10], а в качестве контролируемых параметров были выбраны главные показатели состояния городской среды обитания: химическое загрязнение воздуха (вершина V!), химическое загрязнение почв (вершина v4), состояние растительности (вершина v3) и здоровье населения (вершина v2). В модели присутствуют восемь вершин, соответствующих основным компонентам и факторам урбо-экосистемы г. Таганрога, включая источники питьевого водоснабжения горожан, представленные тремя вершинами уб, у7 и у8. Анализ факторов природной среды, влияющих на качество городской питьевой воды, показывает, что наличие загрязняющих веществ в атмосферном воздухе (вершина у1), таких как оксиды азота и серы, свинец и др., негативно влияет на состояние почвенного покрова, в частности, нарушает естественное протекание процессов минерализации детрита и вызывает изменение структуры почвы и образование вследствие этого новых химических веществ-загрязнителей, которые с дождем и снегом
проникают в подземные источники водопользования, загрязняют их и затем поступают в питьевую воду [11]. Загрязняющие вещества, содержащиеся в донской и миусской воде, также ухудшают качество городской воды. Соотнесение рассмотренных проблем с предпосылками их возникновения позволяет отнести низкое качество подземных вод к локальному уровню, а загрязнение поверхностных источников водоснабжения - к региональному.
Из рис. 1 видно, что данная модель характеризуется наличием четырех циклов с положительной обратной связью (у1-у3-у1, у1-у4-у1, у3-у4-у3, у1-у4-у3-у1), благодаря которым происходит внутренний перенос загрязняющих веществ, и восемью собственными числами, из которых максимальное по модулю составляет 0,412 и позволяет ожидать проявления системой устойчивости [12]. Значения весовых коэффициентов дуг (таблица) были определены на основе среднемноголет-них данных социально-гигиенического и экологического мониторинга г. Таганрога [3-7]. Данная модель и проведенное на ее основе ситуационное моделирование являются нединамическими, так как не учитывают движения воздушных масс и обусловливаемый ими перенос загрязняющих веществ.
Весовые коэффициенты дуг когнитивных моделей 1 и 2
Вершины дуг Весовой коэффициент
у1. Загрязнение воздуха у2. Здоровье населения - 0,4
у3. Состояние растительности - 0,4
у3. Состояние растительности у1. Загрязнение воздуха - 0,2
у1. Загрязнение воздуха у4. Загрязнение почв 0,7
у4. Загрязнение почв у3. Состояние растительности - 0,3
у5. Загрязнение грунтовых вод 0,5
у5. Загрязнение грунтовых вод у6. Загрязнение подземных вод 0,5
у6. Загрязнение подземных вод у2. Здоровье населения - 0,3
у4. Загрязнение почв у1. Загрязнение воздуха 0,2
у3. Состояние растительности у4. Загрязнение почв -0,1
у2. Здоровье населения -0,1
у7. Загрязнение донской воды -0,2
у8. Загрязнение миусской воды -0,3
у9. Федоровское водохранилище 0,2
Для изучения комплексного влияния факторов городской экосистемы на здоровье горожан было проведено моделирование по четырем сценариям, наиболее интересные из которых приведены на рис. 2, 3: ось абсцисс отражает такты моделирования, а ось ординат - амплитуды изменения контролируемых параметров по отношению к величине внесенного импульса. Исходные уровни загрязнения воздуха, почв, состояния растительности и здоровья населения приняты за фоновые.
Рис. 2. Внесение импульса q1 = +0,1 в вершину VI когнитивной модели 1
- Загрязнение воздуха
........ Здоровье населения
--- - Состояние растительности
-Загрязнение почв
0.113 0. 098 0. 082 0. 067 0. 051 0. 036 0. 020 0. OOS -0.011 -0.026
х :
1 \\
■
- ^
! ;
• :
;
\
1
Рис. 3. Внесение импульсов q1 = +0,1, qз = +0,1 и q6 = -0,1 в вершины VI, v3 и v6 когнитивной модели 1
Моделирование влияния загрязнения компонентов урбоэкосистемы на качество питьевой воды и здоровье горожан было проведено на основе локального сценария, разработанного для изучения режима функционирования экосистемы г. Таганрога с целью получения информации для принятия решений на муниципальном уровне управления. Активизация вершины у1 когнитивной модели 1 внесением импульса q1=+0,1 и последующее наблюдение за характером изменения контролируемых параметров (уровней загрязнения воздуха, почв, состояния растительности и здоровья населения) показали (сценарий 1), что динамика параметров урбоэкосистемы определяется процессами внутреннего переноса загрязнителей [13], и такой комплексный показатель жизнедеятельности людей, как здоровье, отражает совокупное влияние всех факторов среды обитания. Поэтому стабилизация уровней загрязнения воздуха и почв происходит при более высоких значениях по сравнению с исходными фоновыми и составляет соответственно 32 и 8 % по отношению к величине внесенного импульса, а городская растительность и здоровье населения переходят в устойчивые состояния, характеризующиеся более низкими показателями (рис. 2).
В сценарии 2 проведение мероприятий по улучшению состояния растительности ^3=+0,1) в условиях загрязнения воздушной среды города ^=+0,1) приводит к уменьшению загрязнения воздуха и почв, в результате чего по сравнению со сценарием 1 понижают-
ся уровни загрязнения воздуха (примерно на 14 %) и почв (-22 %). В то же время здоровье населения ухудшается до уровня предыдущего сценария.
Введение дополнительной процедуры - очистки воды из подземных источников q6=—0,1 - наряду с загрязнением воздуха промышленными предприятиями и автотранспортом q1=+0,1 и озеленением территории q3=+0,1 (сценарий 3, рис. 3) способствует улучшению здоровья людей (на 53 и 58 % по сравнению со сценариями 1 и 2 соответственно), однако оно по-прежнему остается ниже исходного уровня.
Защита воздуха от загрязнения (сценарий 4, q1=—0,1) как природоохранное мероприятие сопровождается не только понижением уровня его загрязнения более чем на 30 % ниже внесенного импульса, повышая его экологическую безопасность, но и улучшает состояние почв, растительности и подземных вод. Это благоприятно сказывается на здоровье населения вследствие прямого влияния более чистого воздуха и косвенного
влияния менее загрязненных почв и подземных вод (в отличие от сценариев 1-3 уровень стабилизации здоровья выше по сравнению с исходным).
Для решения проблем обеспечения таганрожцев питьевой водой в настоящее время строится третья нитка водовода от р. Дон, однако ввод в действие данного водовода не решит проблем экологической безопасности этого жизненно необходимого ресурса. Принимая во внимание результаты проведенных исследований и моделирования, была разработана наиболее благоприятная с экологической точки зрения когнитивная модель 2 «Оптимизация качества питьевой воды г. Таганрога» (рис. 4), в которой взамен сильно загрязненных подземных водоисточников предлагается использовать соответствующую современным экологическим стандартам, включая СанПиН 2.1.4.559-96 [8], воду из Федоровского подземного водохранилища.
Рис. 4. Когнитивная модель 2 «Оптимизация качества питьевой воды г. Таганрога»
Этот подземный источник водоснабжения расположен в Неклиновском районе Ростовской области на почти таком же расстоянии, что и водозаборные сооружения на р. Дон (с. Дугино Азовского района Ростовской области), поэтому с экономической точки зрения затраты на оба проекта примерно одинаковы.
В сценарии 5 изучалось внесение импульса q1=+0,1 в вершину у1 когнитивной модели 2 и оказалось, что характер изменения контролируемых параметров аналогичен сценарию 1 для когнитивной модели 1. Следовательно, доминирующее влияние на состояние отдельных компонентов урбоэкосистемы,
включая здоровье населения, оказывают процессы внутреннего переноса загрязняющих веществ.
На рис. 5 представлены результаты моделирования ситуации (сценарий 6), когда наряду с загрязнением воздуха = +0,1) осуществляются мероприятия по улучшению растительной подсистемы города = =+0,1). В этом случае стабилизация уровня загрязнения воздуха наступает при значении примерно на 13 % ниже величины внесенного импульса и почти на 20 % ниже по сравнению с предыдущим сценарием. Это в свою очередь приводит к снижению уровня загрязнения почв (примерно на 25 % ниже сценария 5) и улучшению здоровья людей (~ на 10 %).
Рис. 5. Внесение импульсов q1 = +0,1 и qз = +0,1 в вершины у1 и уЗ когнитивной модели 2
Изучение влияния улучшения качества донской и миусской воды путем их дополнительной очистки не проводилось, так как, с одной стороны, это требует больших затрат вследствие значительных объемов используемой воды, и с другой - плохое санитарно-техническое состояние водоводов сырой воды и водопроводной распределительной сети вызывают повторное сильное загрязнение очищенной воды.
Сравнение результатов всех локальных сценариев свидетельствует о том, что исключение из системы городского водоснабжения подземных водоисточников, расположенных в центре города, и их замена на экологически безопасный водоисточник в условиях водоснабжения смешанного типа, когда продолжается эксплуатация не отвечающих гигиеническим нормам поверхностных источников водопользования, не позволяет обеспечить улучшение здоровья населения. Действительно, суточные потребности человека в воде и воздухе различны.
Физиологические потребности человеческого организма в воде и кислороде существенно зависят от его состояния: при напряженной мышечной деятельности они увеличиваются в несколько раз по сравнению с состоянием покоя. Для обеспечения дыхания в состоянии покоя человеку весом 70 кг необходимо в среднем около 250 мл кислорода в час на 1 кг тела [14, 15], для организма в целом - 17,5 л/ч или 0,42 м3/сут. С учетом объемной доли кислорода в воздухе, равной 20 %, это составляет 2,1 м3 или 2,7 кг воздуха (плотность воздуха 1,293 кг/м3). Суточная потребность в воде взрослого человека в покое равна примерно 30 г на 1 кг веса [14,
15], что для человека весом 70 кг составляет 2,1 л. При этом около 48 % суточной нормы воды взрослый человек получает в виде свободной жидкости и разных напитков, 40 % этой нормы поступает в составе пищи и приблизительно 12 % воды образуется непосредственно в организме в результате биохимических процессов окисления белков, жиров и углеводов пищевых продуктов. Приняв среднесуточную норму потребления воды за 1,85 л (88 % от физиологической нормы), получаем 1,85 кг. Следовательно, суточные потребности человека в воздухе превышают его потребности в воде в 1,46 раза. Кроме того, из когнитивных моделей 1 и 2 (рис. 1 и 4) следует, что в отличие от питьевой воды, прямо влияющей на здоровье человека, воздух оказывает прямое и косвенное воздействие [13]. Этими двумя факторами - различием суточных потребностей человека в воздухе и воде и прямым и косвенным влиянием воздуха на его здоровье - можно объяснить малую эффективность проекта замены городских артезианских скважин как подземного источника водоснабжения г. Таганрога на Федоровское подземное водохранилище с целью улучшения здоровья горожан.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы и рекомендации:
1. В системе хозяйственно-питьевого водоснабжения г. Таганрога экологически неблагоприятны все составляющие, начиная с водоисточников и заканчивая транспортировкой воды. Крайне высокая степень неблагополучия водоисточников определяется микробиологическими показателями воды в реках Дон и Миус и санитарно-химическими показателями воды из подземных источников, а системы водоподготовки и транспортировки воды характеризуются недостаточной санитарной надежностью. Кроме того, несоблюдение режима во втором поясе зон санитарной охраны обусловливает неудовлетворительную степень надежности охраны водоисточников.
2. Исключение из системы городского водоснабжения подземных водоисточников, расположенных в центре города, и их замена на экологически безопасный источник в условиях водоснабжения смешанного типа, когда продолжается эксплуатация не отвечающих гигиеническим нормам поверхностных водоисточников за пределами городской территории, не позволяет обеспечить улучшение здоровья населения действиями муниципалитета. Решение этой экологической проблемы следует искать в совершенствовании системы водоподготовки, в ремонте водоводов сырой воды и городской водопроводной распределительной сети, а также в использовании населением индивидуальных бытовых фильтров, гарантирующих качество и безопасность питьевой воды.
3. На региональном уровне можно рекомендовать проведение мероприятий по защите от загрязнения рек Дон и Миус, являющихся источниками питьевого водоснабжения многих населенных пунктов, а также водоохранных зон и зон санитарной охраны этих рек, и мероприятий по улучшению санитарного состояния водосборов вне природоохранных зон и зон санитарной охраны для снижения загрязнения водных объектов диффузным стоком, в особенности в паводковый период.
Литература
1. Экологическая эпидемиология / под ред. Б.А. Ревича.
М., 2004. 384 с.
2. Егорова И.П. Среда обитания и здоровье населения
г. Таганрога. Таганрог, 1995. 334 с.
3. Состояние окружающей среды г. Таганрога. Таганрог,
2004. С. 5—21.
4. Состояние окружающей среды г. Таганрога. Таганрог,
2005. С. 6—27.
5. Состояние окружающей среды г. Таганрога. Таганрог,
2006. С. 5—20.
6. Состояние окружающей среды г. Таганрога. Таганрог,
2007. С. 7—29.
7. Состояние окружающей среды г. Таганрога. Таганрог,
2008. С. 6—28.
8. Санитарные правила и нормы СанПиН 2.1.4.559-96.
Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. М., 1996. 111 с.
Поступила в редакцию
9. Методы и алгоритмы развития сложных ситуаций.
/ О.Н. Пьявченко [и др.]. Таганрог, 2003. С. 7—69.
10. Когнитивные модели и технологии интеллектуальной
поддержки решений / С.В. Качаев [и др.] // Новая парадигма развития России (комплексные исследования проблем устойчивого развития) / под ред. В.А. Коптю-га, В.М. Матросова, В.К. Левашова. М., 1999. С. 442— 449.
11. АлексеенкоВ.А. Экологическая геохимия. М., 2000. 627 с.
12. Касти Дж. Большие системы. Связность, сложность и
катастрофы. М., 1982. 216 с.
13. Ильченко И.А. Влияние основных экологических факто-
ров городской экосистемы на здоровье горожан // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2008. № 5. С. 92—95.
14. Гигиена и основы экологии человека / под ред. Ю.П. Пи-
воварова. М., 2006. 528 с.
15. Начала физиологии / под ред. А.Д. Ноздрачева. СПб.,
2001. 1088 с.
20 мая 2010 г.
