Макаришина Юлия Игоревна Факультет экологии и химической технологии Кафедра прикладной экологии и охраны окружающей приодной среды Специальность: экология химических производств Тема выпускной работы: Исследование качества воды водоемов культурно-бытового использования промышленных городов Донбасса Научный руководитель: Трошина Елена Анатольевна

Реферат по теме выпускной работы

Цель и задачи

Целью работы является изучение существующих систем критериев, используемых для оценки качества воды поверхностных водоемов, а так же исследование на их основании водных объектов промышленных городов Донбасса с целью оценки качества их воды как водоемов культурно-бытового использования.

Актуальность

В результате интенсивного использования человечеством водных ресурсов происходит количественное и качественное изменение гидросферы. Изменяется водный баланс, режим рек, состав воды, что связано с загрязнением природных водоемов сточными водами, а так же с внесением загрязняющих веществ с поверхностным и внутрипочвенным стоком и непосредственно из воздуха. В настоящее время на территории всей Украины не осталось ни одного водоема сохранившего чистоту, все они характеризуются высоким уровнем загрязнения, в относительно удовлетворительном состоянии находятся только реки Карпат и горного Крыма.

Особенно остро подвергнуты антропогенному влиянию водоемы, которые расположены в Донбассе, где сосредоточены крупные промышленные предприятия горнодобывающей, металлургической, коксохимической, тепловой и др. отраслей промышленности, которые являются одними из крупнейших загрязнителей окружающей среды региона. Таким образом, поверхностные водоемы, находящиеся в зоне их влияния испытывают значительное антропогенное воздействие.

В результате загрязнения происходит резкое ухудшение качества воды в водоемах, природные водоемы теряют способность к самоочищению. Загрязнение природной воды создает угрозу для жизни и здоровья населения, а так же существованию биосферы в целом. Многочисленные проявления негативного влияния хозяйственной деятельности человечества на водные объекты обусловили необходимость соблюдения экологических приоритетов для сбалансирования требований к охране водных экосистем – с одной стороны, и решения задач рационального хозяйственного использования их водных и биологических ресурсов – с другой стороны. Поэтому оценка состояния водных экосистем под действием антропогенных факторов является одной из наиболее актуальных задач для охраны поверхностных водных ресурсов.

Научная новизна

Впервые проведена комплексная экологическая оценка качества воды природных водоемов, расположенных на территории крупных городов Донбасса, а так же впервые проведено изучение динамики изменения качества воды для водоемов г.Алчевска.

Обзор исследований и разработок по теме

Современные комплексные оценки степени загрязнения поверхностных вод представляют собой достаточно разнородную систему методов разной степени формализации. Разнообразие методов оценки загрязненности поверхностных вод обусловлено разными уровнями исследования водных объектов, целями и задачами оценки качества воды, многообразием позиций, с которых ведется оценка [1].

Современные методы комплексной оценки загрязненности поверхностных вод различаются по цели использования, принципам разработки, критериям оценки, по объему и характером имеющейся информации, по способу формализации данных.

Общепринятая экологическая классификация качества воды, охватывающая как общие, так и специфические параметры, до этого времени не создана. Наилучшей из предложенных до этого времени можно признать классификацию венгерского ученого Л.Фелфельди [2-3].

В Институте гидробиологии АН Украины [4] разработана комплексная экологическая классификация поверхностных вод суши, которая позволяет оценить состав и свойства воды как среды проживания гидробионтов и изменения состояния водных объектов под воздействием антропогенной нагрузки.
Согласно данному методу, комплексная экологическая классификация качества поверхностных вод суши включает следующие частичные классификации:

а) по солевому составу, в том числе:
—  по степени минерализации;
—  по ионному составу;
б) по еколого-санитарным (трофо-сапробиологическим) показателям;
в) по еколого-токсикологическим показателям, в том числе:
—  по содержанию токсичных веществ;
—  по уровню токсичности;
г) по радиобиологическим показателям (за содержанием радионуклидов).

Для использования подразделениями Госкомгидромета была рекомендуемая методика оценки качества воды за индексом загрязненности воды (И3В) [5]. Гидрохимичний индекс загрязненности воды является комплексным показателем качества воды.

Сущность этой методики заключается в расчете индекса загрязнения воды по гидрохимическим показателям, а затем по величинам рассчитанных ИЗВ исследуемую воду, относят к соответствующему классу качества. При этом выделяются такие классы качества воды:

I — очень чистая (ИЗВ < 0,3);
II — чистая (0,3 < ИЗВ < 1);
III — умеренно загрязненная (1 < ИЗВ < 2,5);
IV — загрязненная (2,5 < ИЗВ < 4);
V — грязная (4 < ИЗВ < 6);
VI — очень грязная (6 < IЗB < 10);
VII — чрезвычайно грязная (IЗB > 10).

Из гидробиологических показателей качества наибольшее применение нашел индекс сапробности водных объектов [6], который рассчитывают исходя из индивидуальных характеристик сапробности видов, представленных в разных водных сообществах (фитопланктоне, перифитоне):

где  S_i — значение сапробности гидробионта, которое задается специальными таблицами;
h_i — относительная встречаемость индикаторных организмов (в поле зрения микроскопа);
N — число выбранных индикаторных организмов.

Каждому виду исследуемых организмов присвоено некоторое условное численное значение индивидуального индекса сапробности, что отображает совокупность его физиолого-биохимических свойств, которые обусловливают способность жить в воде с тем или другим содержанием органических веществ. Для статистической достоверности результатов необходимо, чтобы в пробе содержалось не меньше двенадцати индикаторных организмов с общим числом особей в поле наблюдения не меньше тридцати.

В табл. 1 приведенная классификация водных объектов по значению индекса сапробности S.

Таблица 1 —  Классы качества вод в зависимости от индексов сапробности

Гидрохимическим институтом Госкомгидромета прежнего СССР разработан один из возможных методов оценки качества воды водных объектов по гидрохимическим показателям [7], который широко применяется при проведении исследований качества воды, в том числе в Украине.

Главная цель метода заключается в получение оценки качества воды и проведении на ее основе классификации воды по степени пригодности для основных видов водопотребления - хозяйственно-питьевого, культурно-бытового, а также для рыбохозяйственных целей.

Принципиальную основу метода составили сочетание дифференцированного и комплексного подходов к оценке качества и использование при этом набора относительных критериев, которые позволяют с разных сторон решить поставленное задание.

Структура метода включает такие основные направления обработки аналитического материала:

— определение характера загрязнения по величине условного коэффициента комплексности;
— установка уровня и класса качества воды по величине комбинаторного индекса загрязнения;
— выделение приоритетных загрязняющих компонентов по количеству и составу лимитирующих показателей загрязнения;
— проведение дифференцированной оценки лимитирующих загрязняющих веществ.

В странах Европейского экономического содружества (ЕЭС) специально разработана для использования Экологическая классификация естественных вод (ЕСЕ Classification of Ecological Freshwater Quality, CES/668) [8]. Эта классификация базируется на критериях, разработанных специально с ориентацией на защиту водной флоры и фауны.

Данная классификация выделяет пять классов качества воды:

I — отличное качество (на картах воды этого класса условно отражаются голубым цветом);
II — хорошее качество (зеленый цвет);
III — удовлетворительное качество (желтый цвет);
IV — неудовлетворительное качество (оранжевый цвет);
V — плохое качество (красный цвет).

Отнесение исследуемой воды к тому или другому классу качества, проводят сравнением полученных в результате анализа показателей качества воды с интервалами концентраций аналогичных показателей, которые принадлежат определенному классу качества из классификации CC. Определение класса качества воды проводится с использованием специальных таблиц.

При оценивании влияния антропогенной деятельности человека может также использоваться метод биоиндикации и биотестирования. Эти  методы позволяют оценивать влияние антропогенной нагрузки на естественную среду, ориентируясь на реакцию биологических систем. В основе метода биотестирования лежит использование биологического организма для определения качества водной среды. Для биотестирования могут использоваться растения, животные, микроорганизмы и грибы. Одним из таких растений является лук обыкновенный, исследование роста корешков которого может дать информацию о токсичности воды исследуемого объекта. Методика определения качества воды на луке обыкновенном описана в [9]. Определение токсичности водного объекта проводится по влиянию на рост корней или зеленых листьев лука.

Полученные результаты

Для исследования были выбраны водоемы городов Алчевска и Донецка.

На начальном этапе проведена оценка качества вод поверхностных водоемов г.Алчевска и г.Донецка, в которых расположены крупные промышленные предприятия черной металлургии и горнодобывающей промышленности. Это пруды г.Алчевска: Верхне-Лиманский, Первый и Второй Орловские, Школьный и Больничный, и Путиловский и Ветковский пруды г.Донецка. Больничный пруд является приемником сточных вод ОАО «Алчевский металлургический комбинат» и  локомотивного депо железнодорожного цеха № 2, а до 2007 г. ОАО «Алчевский завод строительных конструкций». Первый Орловский пруд так же принимает сточные воды и воды из ливневой канализации металлургического комбината и переливные воды из Больничного пруда. В Верхне-Лиманский, Второй Орловский и  Школьный пруды сточные воды не сбрасываются. В Путиловский и Ветковский пуды сточные воды непосредственно не сбрасываются.

Исследование качества воды проводили  в период с 2003 по 2008 год. Контроль проводили по следующим показателям: запах, цветность, содержание взвешенных веществ, растворенного кислорода, сульфатов, хлоридов, сухого остатка, азота аммонийного, азота нитритного, нитратного, по химическому и биологическому потреблению кислорода, содержанию роданидов, нефтепродуктов, сероводорода.

Для выполнения комплексной оценки качества воды в исследуемых водных объектах на всех этапах использовали гидрохимический индекс загрязнения воды ИЗВ и методику оценки качества воды по гидрохимическим показателям Гидрохимического института.

Расчет гидрохимического индекса загрязнения воды ИЗВ проводили по семи показателям. Для этого среднее арифметическое значение полученных результатов химических анализов по каждому из показателей сравнивали с их предельно допустимыми концентрациями (ПДК). Показателями, обязательными для использования в расчетах, являются растворенный кислород, биохимическое потребление кислорода (БПК5), азот аммонийный, азот нитритный. В зависимости от величины полученного ИЗВ водный объект может быть отнесен к одному из семи классов качества.

Для оценки качества воды указанных выше водоемов так же использовали метод оценки качества воды Гидрохимического института. В этом методе для каждого ингредиента на основе фактических концентраций рассчитывали баллы кратности превышения ПДК как отношение фактической концентрации загрязнителя к его ПДК, повторяемость случаев превышения, а также общий оценочный балл. Комбинаторный индекс загрязненности рассчитывали как сумму общих оценочных баллов всех учитываемых ингредиентов. По величине комбинаторного индекса загрязненности устанавливали класс загрязнения воды. Результаты расчетов и отнесение прудов к классам качества приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Оценка качества воды по ИЗВ

Как следует из данных табл. 1, ИЗВ для Путиловского пруда равен 5,56 - его можно отнести к пятому классу, а для пруда Ветковского ИЗВ составляет 8,18, что соответствует шестому классу. Воды пятого и шестого классов характеризуются нарушенными экологическими параметрами, их состояние оценивается как экологический регресс. Для прудов шестого класса степень загрязнения несколько выше, чем для воды пятого класса. Верхне-Лиманский, Нижне-Лиманский и Школьный г.Алчевска пруды можно отнести к третьему классу, воды данного класса качества находятся под значительным антропогенным влиянием, уровень которого близок к границе устойчивости экосистем. Первый и второй Орловские пруды, Больничный пруд, а так же Исаковское водохранилище можно отнести к четвертому классу, их состояние оценивается как экологический регресс, воды данного класса характеризуются нарушенными экологическими параметрами.

Таблица 2 – Оценка качества воды по комплексному индексу загрязнения.

При оценке по методике Гидрохимического института получены данные приведенные в таблице 2. Согласно данным таблицы 2, водоемы города Донецка можно отнести к третьему классу подклассу Б, полученные значения комплексного индекса загрязнения КИЗ для исследуемых водоемов равны и составляют 49 единиц. Согласно проведенным расчетам, все водоемы г.Алчевска можно отнести к третьему классу, однако качество воды Первого Орловского пруда несколько хуже, он относится к подклассу Б, остальные пруды относятся к подклассу А. Данный метод позволяет сделать вывод, что устойчивое загрязнение  прудов наблюдается по таким показателям как содержание взвешенных веществ, сухого остатка, сульфатов, нефтепродуктов, солей жесткости, биологическому потреблению кислорода. Для водоемов возможны вариации качественного состояния воды при поингредиентной оценке. Определено, что следующие показатели являются лимитирующими показателями загрязнения прудов, загрязнение ими характеризуется как «характерное высокого и очень высокого уровня» (снижают класс качества воды до «недопустимо грязной» (подкласс Г класса IV)) - это  содержание взвешенных веществ, солей жесткости и нефтепродуктов.

Оценить и спрогнозировать экологическое состояние водных объектов можно на основании изучения динамики изменения качества воды [10]. Для этого были проанализированы показатели качества поверхностных водоемов г.Алчевска (пруды Верхне-Лиманский, Первый и Второй Орловские, Школьный, Больничный пруды) в период с 1988 по 2007 год. Для проведения анализа использовались данные систематических исследований, проводимых Алчевской городской СЭС и Алчевской экологической инспекцией. Для комплексной оценки качества воды в исследуемых водных объектах использовали гидрохимический индекс загрязнения воды ИЗВ и методику оценки качества воды по гидрохимическим показателям Гидрохимического института.

Динамика изменения качества воды при оценке по ИЗВ приведена на рисунке 1. Исходя из приведенных на рисунке 1 данных следует, что изменение качества воды исследуемых водоемов не имеет общей тенденции, однако качество воды в 2007 году является наилучшим за период исследования для всех водоемов, кроме Школьного пруда. Для Верхнего Лиманского и Больничного прудов наблюдается уменьшение величины ИЗВ, наибольшие значения индекса ИЗВ (наибольшая степень загрязнения воды) наблюдаются с 1988 до 1996 гг. Для Первого и Второго Орловых прудов наблюдается общая тенденция к ухудшению качества воды в период с 1988 до 2004 гг., максимальное значение индекса наблюдается в 2004 году. Для Верхнего Лиманского пруда наблюдается колебание значений ИЗВ, наибольшее значение ИЗВ (наихудшее качество воды) наблюдается в 1996 году. Как следует из рис. 1 в различные годы рассматриваемого периода воды водоемов могут быть отнесены ко всем выделяемым классам качества воды. Классы качества воды отмечены на рисунке римскими цифрами.

Рисунок анимирован, содержит 6 кадров с задержкой 100 числом повторений 5.

Рисунок 1 – Динамика изменения качества воды при оценке по ИЗВ

На рисунке 2 приведена динамика изменения качества воды при оценивании по КИЗ. Как видно из рисунка 2 наблюдается общая тенденция к улучшению качества воды в рассматриваемый период для всех исследуемых водоемов. Наибольшие значения КИЗ (наихудшее качество воды) наблюдаются для Больничного пруда, по этим  значениям водоем можно отнести к третьему классу качества воды подклассу Б. Для Первого и Второго Орловых прудов в 2004 г. наблюдается резкое ухудшение качества воды, что выделяется из общей тенденции для этого водоема. Наименьшие значения индекса КИЗ (наименьшая степень загрязнения воды) на протяжении всего рассматриваемого периода наблюдаются для Школьного пруда.

Рисунок анимирован, содержит 6 кадров с задержкой 100 числом повторений 5.

Рисунок 2 – Динамика изменения качества воды при оценке по КИЗ

Качество воды может быть так же оценено методом биотестирования изучаемых вод с использованием высшего сосудистого растения Allium Сера (лук обыкновенный) [9]. Данный метод может быть использован в дополнение к расчетам. Метод заключается в трехдневном проращивании луковиц в исследуемых образцах воды, с последующим подсчет длины корешков и сравнением их с контрольными результатами в чистой воде. На основе этих данных рассчитывают коэффициент ингибирования роста корешков К, который позволяет оценить интегральную токсичность проб воды.

Для всех прудов наблюдается угнетение роста корней лука. Согласно полученным данным, наибольшее угнетение роста корней лука зафиксировано для образца воды Школьного пруда г. Алчевска и равняется 14,94 % от длины корней лука в контрольном образце, и Путиливского пруда г. Донецка – 19,5%. Также нужно выделить образец воды из Исаковского водохранилища, для которого наблюдалось противоположное влияние – усиление роста, то есть длина корней лука для него превышает длину в контрольном образце.

Заключение

По итогам работы можно сделать следующие выводы:

1. Качество воды поверхностных водоемов региона является неудовлетворительным, загрязнение по отдельным показателям  имеет устойчивый  и даже доминирующий характер.

2. При изучении динамики изменения качества воды установлено, что наблюдается тенденция к улучшению качества воды поверхностных водоемов города Алчевска в последние годы, что связано с проведением ОАО «Алчевский металлургический комбинат»  работы по повышению эффективности проводимых природоохранных мероприятий, однако качество воды в настоящее время все же остается неудовлетворительным.

В перспективе планируется провести аналогичные исследования для водоемов других городов, а так же выполнить оценку и классификацию качества воды природных водоемов с использованием других методик, особенное внимание планируется уделить оценке качества по методикам, используемым западными странами. Параллельно будет проведено исследование тенденции изменения качества воды для водоемов города Донецка.

Литература

1. Лукашевич О.Д. Экологические и технологические аспекты оценки качества природних вод для производственного и хозяйственно-бытового использования // Вода и экология, 2007. – Т. 1, вып. 1. – С. 3-16

2. Felfoldy L. J. M. A new system for the biological qualification of water // research in water quality and technology. – Vol.3. Research center for water resources development. III Institute for water pollution control. – Budapest, 1976. – 37 p.

3. Felfoldy L. J. M. A biological vizminosites. 3 Javitott es bovitett kiadas // Vizugyi hidrobiologia, 9 kotel. – Budapest, 1980. – 263 p.

4. Оксиюк О.П., Жукинский В.Н. и др. Комплексная экологическая классификация качества поверхностных вод суши // Гидробиологический журнал, 1993. – Т. 29, вып. 4. – С. 62-76.

5. Сніжко С.І. Оцінка та прогнозування якості природних вод. – К., 2001. – 264 с.

6. Общественный экологический Internet-проект EcoLife. http://www.ecolife.org.ua/index.php

7. Емельянова В.П. Данилова Г.Н. Колесникова Т.Х. Оценка поверхностных вод суши по гидрохимическим показателям // Гидрохимические матер. – 1983. – Т.88. – с. 119-120.

8. The Draft ECE Classification of ecological Freshwater Quality, CES/668. – Geneva, 1990. – 25 p.

9.  Fiskesjo А., Geirid F. Allium test for screening chemicals; evaluation оf cytological parameters// Ptants Envetomental Studies. —  1997, — Р.308-333.

10. Реймерс Н.Ф. Природопользование. — М: Мысль, 1990г.