CC BY
48
Е. л. счастливцев
д-р техн. наук, заведующий кафедрой Института вычислительных технологий СО РАН (Кемеровского филиала)
с. г. Пушкин
канд. хим. наук, старший научный сотрудник Института вычислительных технологий СО РАН (Кемеровского филиала)
н. и. Юкина
канд. техн. наук, научный сотрудник Института вычислительных технологий СО РАН (Кемеровского филиала)
УДК 556.5: 622.5
мониторинг техноприродных вод
Приводятся сравнительные качественные и количественные оценки состояния водных объектов на основе многопрофильной информации, и обосновывается необходимость кооперации заинтересованных организаций в сфере мониторинга техноприродных вод с целью повышения эффективности природоохранной деятельности.
Ключевые слова: МОНИТОРИНГ, КАЧЕСТВО ТЕХНОПРИРОДНЫХ ВОД, ВОДНЫЕ ОБЪЕКТЫ, СТОЧНЫЕ ВОДЫ УГЛЕДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ, КОСМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ, ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
О проблеме повышенной загрязненности большинства водных объектов Кузбасса (сохраняющейся в течение нескольких десятилетий) говорится в ежегодных докладах Росгидромета и Роспотреб-надзора, а также во многих статьях и монографиях [1, 2, 4-10].
Так, по данным Роспотребнадзора за период с 2003 года по 2012 год качество воды источников централизованного водоснабжения (реки Томь, Кара-Чумыш, Яя, Кондома, Барзас, Тель-бес, Балгашта, Черничный ключ, Кабарзинка, Большая речка, Четвертый ключ, Горный ручей)
несколько улучшилось по микробиологическим показателям и остается стабильно достаточно высоким по санитарно-химическим показателям (рис. 1).
По данным Росгидромета, наиболее загрязненным на контролируемом участке р. Томи по обобщенному показателю удельного комбинаторного индекса загрязненности воды (УКИЗВ) является створ ниже г. Новокузнецка (с. Слави-но), где вода в течение ряда лет характеризуется как очень загрязненная. Загрязненность воды ниже г. Кемерово с 2009 года (рис. 2) сохраняется на уровне 1,5 (слабо загрязненная).
Рисунок 2 - Изменение за 5 лет значений УКИЗВ в р. Томи ниже городов Новокузнецка и Кемерово [2]
В соответствии с [3] выделяются следующие «базовые» классы качества вод, соответствующие диапазонам изменения УКИЗВ: менее 1 - «условно чистая»; 1-2 - «слабо загрязненная»; 2-3 - «загрязненная»; 3-4 - «очень загрязненная»; 4-8 - «грязная»; 8-11 - «очень грязная»; более 11 - «экстремально грязная». Затем определяются критические показатели загрязненности (КПЗ), учет которых повышает соответствующий класс качества. К сожалению, при этом не рассматриваются ингредиенты с нормативно не узаконенными предельно-допустимыми концентрациями (ПДК) (взвешенные вещества, фториды и др.).
В 2012 году улучшилось качество воды в створах пгт Крапивинский: УКИЗВ = 2,68 (вода загрязненная); с. Поломошное: УКИЗВ = 1,97 (вода слабо загрязненная). В остальных створах контроля на р. Томь качество воды сохраняется на уровне 2011 года. В створах выше городов Междуреченска и Новокузнецка вода загрязненная (УКИЗВ = 2,33 и 2,90 соответственно); в районе г. Кемерово (пос. Металлплощадка, деревни Верхотомка и Подъяково) вода сохраняется как слабо загрязненная (УКИЗВ = 1,45/1,73/1,63 соответственно) [2].
В связи с увеличением объемов угледобычи и промышленного производства усложняются задачи оценки качества техноприродных вод, воздействий на них сбросов предприятий угледобывающей и других отраслей промышленности, а также планирования природоохранных мероприятий. Такая ситуация может быть вызвана, например, контролем состава различных вод несколькими организациями, использующими свои ведомственные методики анализа и работающими по своим программам. Так, Кеме-
ровский Центр мониторинга геологической среды (КЦМГС) осуществляет контроль подземных вод; Кемеровский Областной Центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (КО ЦГМС) контролирует поверхностные воды; Роспотребнадзор (УФС по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека) осуществляет мониторинг сточных вод промпредприятий, речных вод подверженных воздействию промышленных стоков и снеговых осадков; мониторинг стоков угледобывающих предприятий (УДП) осуществляется ведомственными лабораториями промпредприятий; Кузбасский Центр экологического мониторинга ликвидируемых шахт (КЦЭМЛШ) ведет наблюдение за качеством вод, сбрасываемых закрытыми шахтами. При этом общие целевые установки отсутствуют, а перечни определяемых ингредиентов на различных пунктах мониторинга содержат от 10 до 70 показателей и слабо отражают специфику сбросов.
В Институте вычислительных технологий СО РАН создаются модернизированные информационно-вычислительные системы (МИВС) всё более высокого уровня, позволяющие расширять возможности существующих современных систем мониторинга. МИВС водных ресурсов нового поколения объединяет информационные базы данных мониторинговых систем вышеупомянутых и научно-исследовательских организаций в единую базу метаданных, которая сопровождается базами картографической информации на основе геоинформационных систем (ГИС) и спутниковых снимков (рис. 3).
В составе МИВС функционирует комплексная научно-ориентированная система мониторинга водных объектов (КНОСМВО).
Рисунок 3 - Бассейны малых рек на территории освоения Бунгуро-Чумышского месторождения, выделенные с использованием ГИС и спутниковой информации
Элементы комплексной научно-ориентированной системы мониторинга водных объектов
КНОСМВО объединяет экспериментальные данные о водных объектах различных «мониторинговых» и научно-исследовательских организаций в единую базу знаний, которая позволяет анализировать многопрофильную информацию с использованием современных информационно-вычислительных технологий.
Кроме данных официальных источников, для получения информации о качестве водных объектов используются результаты экспедиционных исследований разных авторов с применением мобильных портативных лабораторий и современных физико-химических методов и приборов, имеющихся, в том числе, в аналитических центрах ведущих Институтов РАН.
Оригинальные данные ведомственных лабораторий о сбросах УДП (входящие в обобщенном виде в справочные материалы 2ТПВодхоз, содержащие только среднегодовую информацию) позволяют детализировать результаты наземного мониторинга природных и техногенных вод угледобывающих районов.
Для оценки качества вод (в течение длительного времени) при выполнении природоохранных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в Кузбассе нами применяется оригинальная методика (согласуется с методическими указаниями Росгидромета и Роспотребнадзора [2], но не содержит декларируемых в них ограничений), позволяющая в последующем формировать водоохранные рекомендации. На первом этапе определяются нормализованные параметры состава
различных (кгых) типов вод (НПу), которые являются относительными величинами, вычисляемыми по формуле НПу = Су /ПДК, где Су -усредненные концентрации у-тых ингредиентов, ПДК - предельно допустимые концентрации питьевого (п), рыбо-хозяйственного (рх), хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и рекреационного использования. Для ряда ингредиентов (не имеющих ПДК) используются условно-нормативные величины (НВуу), в основном средние по выборкам экспериментально измеренных концентраций со значениями ниже среднегодовых или среднесезонных в водах данного региона. Такие НВу приближенно характеризуют геохимическую природную ситуацию или некоторый минимальный антропогенный уровень, к которому необходимо стремиться на первом этапе при осуществлении природоохранных мероприятий. На втором этапе вычисляются средние из N индивидуальные НП - называемые ассоциативными N - параметрическими показателями качества воды (АПМ). На их основе выявляются группы приоритетных ингредиентов, по которым требуется первоочередная очистка данных типов вод. После процедуры выявления приоритетных загрязнителей должна осуществляться идентификация их источников с последующими оценками вкладов отдельных специфических промышленных сбросов в загрязнение вод.
КНОСМВО использует данные дистанционного зондирования для получения актуальной информации о состоянии водных объектов и прилегающих к ним территорий, испытывающих негативное влияние промпредприятий. В результате обработки снимков генерируются карты зон угнетения, что является основой для геоэкологи-
ческих оценок.
Наряду с мониторинговыми показателями качества вод на основе физико-химических анализов отбираемых проб в КНОСМВО используются модельные комплексы для создания пространственно-временных полей текущего состояния и прогнозных оценок качества водных объектов.
Ниже приведен ряд примеров, иллюстрирующих возможности МИВС и КНОСМВО.
Поверхностные воды
Территория освоения Бунгуро-Чумышского месторождения плохо изучена с точки зрения гидролого-гидрохимических исследований. В 2011-2013 гг. нами впервые получены гидрохимические данные о качестве воды в р. Чумыш в районе расположения устья р. Кандалеп [10].
Поверхностные воды р. Чумыш характеризуются следующими 24 ингредиентами: благополучными (НП<1) - калий, кобальт, кадмий, свинец, мышьяк, азот нитратный, кремний, сульфаты, магний, никель, кальций, цинк, азот аммония, нефтепродукты, гидрокарбонаты; приоритетными (НП>2,5) - марганец, железо общ., взвешенные вещества, фенол, медь и чрезмерными (НП>1), в состав которых, помимо приоритетных, входят азот нитритный, ХПК и БПК5. Воды р. Кандалеп также характеризуются повышенной загрязненностью.
С целью получения более статистически обоснованных показателей качества вод района обработаны данные Росгидромета с 1990 года по 2003 год по пункту «выше г. Осинники» и данные КЦЭМЛШ по р. Кондома в районе сбросов закрытой ш. Шушталепская (2010-2011 гг.). Поверхностные воды характеризуются следующими 30 ингредиентами: благоприятными - хлориды, свинец, азот нитратный, фосфаты, кальций, минерализация, магний, сульфаты, СПАВ, никель, гидрокарбонаты, кремний, кислород, азот нитритный, ХПК, азот аммонийный, углекислый газ, алюминий, БПК5, марганец, цинк, молибден; приоритетными - железо, смолы и асфальтены,
медь, нефтепродукты, фенолы, хром, взвешенные вещества; чрезмерными, в состав которых входят, наряду с приоритетными, дополнительно фториды. Класс качества поверхностных вод на основе АПп = 6,5 (грязная). Качество воды, оцененное по среднегодовым показателям, колеблется от «грязной» до «экстремально грязной», что согласуется с оценками Росгидромета по показателю УКИЗВ (рис. 4). При этом наши оценки учитывают, в том числе, данные по взвешенным веществам и фторидам, а также позволяют формировать первоочередные мероприятия по снижению загрязненности этих вод, например по приоритетным ингредиентам, что является несомненным преимуществом описанного выше подхода.
Кроме того, совместный анализ гидрохимических и гидрологических данных позволяет получать показатели качества речных вод в различные гидрологические сезоны (половодья -ПЛ, дождей - Д, летне-осенней межени - ЛОМ, зимне-весенней межени - ЗВМ), что не фиксируется в отчетах Росгидромета (рис. 5). Концентрации приоритетных ингредиентов (алюминий, медь, фенолы, хром, железо и взвешенные вещества) речных вод в период половодья более чем в 10 раз превышают аналогичные значения зимне-весенней межени (когда основной вклад в загрязненность вод вносят сосредоточенные промышленные источники сбросов). Это свидетельствует об атмосферном доминирующем вкладе в загрязненность воды весеннего периода оседающих на снег поллютантов.
Дополнительные возможности, связанные с прогнозными пространственно-временными оценками распространения примесей в водных объектах, появляются при использовании различных модельных комплексов (рис. 6).
Так, при изучении качества воды в р. Кан-далеп были получены гидрохимические данные только по двум точкам наблюдения, находящимся в верхнем и нижнем бьефах водохранилища. При использовании дополнительной гидрологической, гидрохимической и метеорологической информации и калибровки модели по экспери-
Рисунок 4 - Среднегодовые АПп речных вод
Рисунок 5 - Сезонные АПп речных вод
бОШЧ
м
<»>
_ <
-м
■ < 1!
■ тд
«
в Эт? г) ни ч» ни :в кШ №
Рисунок 6 - Расчетные поля концентраций азота нитратного при миграции стоков УДП по водохранилищу на р. Кандалеп
ментальным данным получены поля концентраций различных ингредиентов в этом водоеме рекреационного назначения, которые в последующем будут применяться при разработке природоохранных мероприятий.
Воды действующих карьеров
Стоки действующих в этом районе карьеров (по данным экспедиций 2011-2013 гг.) характеризуются следующими 19 ингредиентами: благоприятными - азот нитратный, гидрокарбонаты, кальций, сухой остаток и хлориды; приоритетными - марганец, медь, взвешенные вещества, нефтепродукты, азот нитритный, алюминий, железо, магний, фенолы; чрезмерными, в состав которых входят, наряду с приоритетными, дополнительно: азот аммонийный, БПК5, сульфаты, ХПК, цинк. Класс качества сточных вод на основе АПп = 13 «экстремально грязная», что свидетельствует о необходимости осуществления первоочередных водоохранных мероприятий по снижению загрязненности стоков приоритетными ингредиентами.
Воды старых карьерных горных выработок
Подготовительные вскрышные работы и добыча угля на территории Бунгуро-Чумышского месторождения в основном открытым способом в течение более чем сорока лет привели к образованию карьеров площадью до нескольких гектаров и глубиной более ста метров. В дальнейшем такие старые горные выработки за-
полняются водой, обогащенной рядом вредных поллютантов, что приводит к негативному воздействию на окружающую среду не только в настоящее время, но и в обозримом будущем. С целью получения статистически обоснованных гидрохимических показателей «рукотворных» озер были обследованы воды четырех из них.
Воды старых карьерных горных выработок (по данным экспедиций 2011-2013 гг.) характеризуются следующими 19 ингредиентами: благоприятными - азот нитратный, азот нитритный, гидрокарбонаты, железо, кальций, магний, марганец, нефтепродукты, сухой остаток и хлориды; приоритетными - алюминий, БПК5, взвешенные вещества, медь, фенолы; чрезмерными, в состав которых входят, наряду с приоритетными, дополнительно: азот аммонийный, сульфаты, ХПК, цинк. Класс качества сточных вод на основе АПп = 12,5 «экстремально грязная». Использование таких вод без очистки ограничено.
Воды действующих шахт
Использование оригинальной информации химических лабораторий УДП о качестве транзитных вод на участке от выпуска из шахты до стока в реку и речных вод выше и ниже промсброса позволяет осуществлять относительные оценки различных типов вод. Так, стоки действующих шахт (на примере ш. Кирова, расположенной в бассейне р. Иня) после очистных сооружений характеризуются следующими 20 ингредиентами: благоприятными - азот нитратный, никель, СПАВ, БПК, хлориды, хром, азот аммиака, фенолы, кислород; приоритетными -
железо, взвешенные вещества, нефтепродукты; чрезмерными, в состав которых входят, наряду с приоритетными, дополнительно: сульфаты, марганец, азот нитритный, ХПК, сухой остаток, рН, медь и цинк. Класс качества на основе АПп = 3,2 «очень загрязненная». Первоочередные водоохранные мероприятия - доочистка стоков по приоритетным ингредиентам.
Воды р. Иня выше сброса ш. Кирова, характеризуемые теми же 20 ингредиентами, заметно чище стоков только по сухому остатку, сульфатам и хлоридам в 2-3 раза соответственно. Их класс качества на основе АПп = 2,8 «загрязненная». Изменение состава вод реки ниже сброса ш. Кирова по данным ингредиентам статистически не выявляется из-за повышенной загрязнённости стоками выше расположенных предприятий. В связи с тем, что эта дополнительная (по сравнению с годовыми отчетами 2 ТПВодхоз) информация достаточно важна для планирования природоохранных мероприятий, видимо, целесообразно добавлять в годовые таблицы 2 ТПВодхоз данные о качестве вод, принимающих сбросы.
Воды закрытых шахт
Закрытие шахт методом частичного или полного затапливания зачастую приводит к обострению гидроэкологических проблем недропользования в Кузбассе, таких как:
- уменьшение запасов природных подземных вод, перспективных для питьевого водоснабжения;
- интенсификация процессов их загрязнения;
- возникновение в районах затопления предпосылок для проявления локальных процессов проседания поверхности и заболачивания земли.
Стоки старых шахтных выработок характеризуются как благоприятными (азот нитратный, азот нитритный, нефтепродукты и хлориды), так и чрезмерными (взвешенные вещества, марганец, железо, сульфаты, БПК, ХПК, фенолы, сухой остаток, медь, цинк) ингредиентами.
Помимо количественных превышений концентрации загрязняющих веществ, наблюдается отличие ионного состава сточных вод закрытых шахт от аналогичных показателей подземных вод. Так, подземные воды бассейна р. Иня имеют следующий ионный состав: гидрокарбонатно-натриевые (89 %), сульфатно-
натриевые (8 %) и хлоридно-натриевые (3 %). В то же время сточные воды ш. Пионерка состоят из гидрокарбонатно-кальциевых (87 %) и сульфатно-кальциевых (13 %) вод. Сравнение составов подземных вод и стоков закрытых шахт для бассейна р. Иня свидетельствуют о том, что закрытые шахты все еще являются источником загрязнений подземных вод. Отработанное подземное пространство закрытых шахт, с одной стороны, является источником повышенного выноса для многих ингредиентов, а с другой -может быть использовано как первая стадия очистки шахтных, карьерных вод и сбросов обогатительных фабрик. После прохождения стоков обогатительной фабрики по горным выработкам ш. Кольчугинская концентрация в них взвешенных веществ уменьшается в десятки раз. Затем сбросы подвергаются доочистке в очистных сооружениях ш. Красноярская.
Таким образом, описанные выше примеры показывают, что для выработки научно обоснованных природоохранных мероприятий необходимы обобщение, совместный анализ и обработка данных различных «мониторинговых» и научных организаций, а также формирование модельных представлений о водных объектах, что должно стимулировать кооперацию заинтересованных организаций в сфере мониторинга техноприродных вод.
Перспективы совершенствования систем мониторинга водных объектов связаны с созданием и внедрением на промпредприятиях многофункциональных автоматизированных систем датчиков контроля физико-химических показателей сбросов; применением мобильных портативных лабораторий для экспресс-анализов проб при экспедиционных обследованиях; использованием современных физико-химических приборов (храмато-масс-спектрометров,
атомно-эмиссионных спектрометров с индуктивно-связанной плазмой, анализаторов гамма-излучения и т. п.) для всестороннего обследования образцов; развитием систем космического мониторинга состояния объектов земной поверхности, а также систем наблюдения и видеорегистрации, устанавливаемых на беспилотных и пилотируемых малометражных летательных и плавательных аппаратах; использованием всё более информативно насыщенных математических моделей для оценок, мониторинга и прогнозирования состояния и тенденций изменения объектов техноприродных сред.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в Кемеровской области в 2012 году : гос. доклад / Администрация Кемеровской области; Департамент природных ресурсов и экологии Кемеровской области; Областной комитет природных ресурсов. - Кемерово, 2013. - 267 с. -Режим доступа : http://gosdoklad.kuzbasseco.ru/
2. О состоянии и охране окружающей среды Кемеровской области в 2006-2012 гг. : доклад / Администрация Кемеровской области; Департамент природных ресурсов и экологии Кемеровской области; Областной комитет природных ресурсов. - Кемерово, 2013. - 267 с. - Режим доступа : http://gosdoklad. kuzbasseco.ru/
3. Метод комплексной оценки степени загрязненности поверхностных вод по гидрохимическим показателям : РД 52.24.643-2002 : утв. Росгидрометом 03.12.2002 : введ. в действие 03.12.2002. - Режим доступа : http://rosengeneering.ru/
4. Потапов, В. П. Геоэкология угледобывающих районов Кузбасса / В. П. Потапов, В. П. Мазикин, Е. Л. Счастливцев, Н. Ю. Вашлаева. - Новосибирск: Наука, 2005. - 660 с.
5. Ковалев, В. А. Мониторинг состояния природной среды угледобывающих районов Кузбасса / В. А. Ковалев, В. П. Потапов, Е .Л. Счастливцев. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2013. - 312 с.
6. Гридин, В. Г. Методика оценки влияния различных эколого-экономических факторов на промышленный регион (на примере топливно-энергетического комплекса Кузбасса) / В. Г. Гридин // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2007. - № 1. - С. 116-121.
7. Попов, А. А. Пути решения чрезвычайных экологических ситуаций в Кузбассе / А. А. Попов, А. В. Тараканов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2011. -№ 1. - С. 157-162.
8. Счастливцев, Е. Л. Некоторые результаты использования гидрохимически ориентированного программного комплекса для оценок ионного состава техноприродных вод Кузбасса / Е. Л. Счастливцев, С. Г. Пушкин, А. А. Воротилов // Вестник КемГУ. - 2012. - № 4 (52), Т. 2. - С. 181 - 188.
9. Счастливцев, Е. Л. Оценка техногенного воздействия угольных предприятий на водные объекты / Е. Л. Счастливцев, С. Г. Пушкин, Н. И. Юкина, И. А. Жукова // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. - № ОВ6. - С. 496-506.
10. Счастливцев, Е. Л. Параметры изменчивости состава шахтных и карьерных стоков на участках транзита от предприятия до реки / Е. Л. Счастливцев, С. Г. Пушкин, Н. И. Юкина // Водные и экологические проблемы Сибири и Центральной Азии : труды Всерос. науч. конф. с междунар. участием, 20-24 авг. 2012 : в 3 т. - Барнаул, 2012. - Т. 3. - С. 153-161.
NATURAL AND TECHNOGENIC WATER Счастливцев Евгений Леонидович
MONITORING e-mail: schastlivtsev@ict.sbras.ru
E. L. Schastlivtsev, S. G. Pushkin,
N. I. Yukina Пушкин Сергей Григорьевич
Comparative qualitative and quantitative e-mail: pushkin@ict.sbras.ru
assessment of water objects condition on the basis
of multidisciplinary information is presented and the Юкина Наталья Ивановна
necessity of interested organization cooperation e-mail: yukina@ict.sbras.ru
in the natural and technogenic water monitoring
aimed to improve the nature protection activities
effectiveness is proved.
Key words: MONITORING, QUALITY
OF NATURAL AND TECHNOGENIC WATER,
WATER OBJECTS, WASTE WATER,
COAL-MINING ENTERPRISES, SPACE
MONITORING, GEOGRAPHIC INFORMATION
SYSTEM
