Макаришина Юлія Ігорівна Факультет: Екології та хімічної технології Кафедра прикладної екології та охорони навколишнього середовища Спеціальність: Екологія хімічних виробництв Тема випускної роботи: Оцінка якості води водоймищ культурно-побутового призначення промислових міст Донбасу Керівник: Трошина Олена Анатоліївна

Реферат з теми випускної роботи

Мета і задачі

Метою роботи є вивчення існуючих систем критеріїв, що використовуються для оцінки якості води поверхневих водоймищ, а також дослідження на їх підставі водних об'єктів промислових міст Донбасу з метою оцінки якості їх води як водоймищ культурно-побутового використання.

Актуальність

В результаті інтенсивного використання людством водних ресурсів відбуваються кількісні і якісні зміни гідросфери. Змінюється водний баланс, режим річок, склад води, що пов'язано із забрудненням природних водоймищ стічними водами, а також з внесенням забруднюючих речовин з поверхневим і внутрішньогрунтовим стоком і безпосередньо з повітря. В даний час всі водоймища на території України характеризуються високим рівнем забруднення, у відносно задовільному стані знаходяться тільки річки Карпат і гірського Криму.

Під особливо гострого антропогенного впливу зазнають водоймища, які розташовані в Донбасі, де зосереджені крупні промислові підприємства гірничовидобувної, металургійної, коксохімічної, теплової і ін. галузей промисловості, які є одними з найбільших забруднювачів навколишнього середовища регіону. Таким чином, поверхневі водоймища, що знаходяться в зоні їх впливу, знаходяться під значним антропогенним впливом.

В результаті забруднення відбувається різке погіршення якості води у водних об’єктах, природні водоймища втрачають здатність до самоочищення. Забруднення природної води створює загрозу для життя і здоров'я населення, а також існуванню біосфери в цілому. Численні прояви негативного впливу господарської діяльності людства на водні об'єкти зумовили необхідність дотримання екологічних пріоритетів для того, щоб збалансувати вимоги до охорони водних екосистем - з одного боку, і вирішити задачі раціонального господарського використання їх водних і біологічних ресурсів - з іншого боку. Тому оцінка стану водних екосистем під дією антропогенних чинників є однією з найактуальніших задач для охорони поверхневих водних ресурсів.

Наукова новизна

Вперше проведена комплексна екологічна оцінка якості води природних водоймищ, розташованих на території крупних міст Донбасу, а також вперше проведено вивчення динаміки зміни якості води для водоймищ м. Алчевська.

Огляд досліджень та розробок за темою

Сучасні комплексні оцінки забрудненості поверхневих вод являють собою досить різнорідну систему методів різного ступеня формалізації. Різноманітність методів оцінки забрудненості поверхневих вод обумовлено різними рівнями дослідження водних об’єктів, цілями і задачами оцінки якості води. Різноманіттям позицій, з яких ведеться оцінка [1].

Сучасні методи комплексної оцінки забрудненості поверхневих вод розрізняються за метою використання, принципами розробки, критеріями оцінки, за обсягом та характером наявної інформації, за способами формалізації даних.

Загальноприйнятої екологічної класифікації якості води, що охвачує як загальні, так і специфічні параметри, до цього часу не створено. Найкращою з запропонованих до цього часу можна визнати класифікацію венгерського вченого Л.Фелфельді [2-3].

У Інституті гідробіології АН України [4] розроблено комплексну екологічну класифікацію поверхневих вод суші, яка дозволяє оцінити склад та властивості води як середовища проживання гідробіонтів та зміни стану водних об’єктів під впливом антропогенного навантаження.

Згідно цього методу комплексна екологічна класифікація якості поверхневих вод суші включає наступні часткові класифікації:

а) за солевим складом, у тому числі:
-  за ступенем мінералізації;
-  за іонним складом;
б) за еколого-санітарними (трофо-сапробіологічними) показниками;
в) за еколого-токсикологічними показниками, у тому числі:
-  за вмістом токсичних речовин;
-  за рівнем токсичності;
г) за радіобіологічними показниками (за вмістом радіонуклідів).

Для використання підрозділам Держкомгідромету була рекомендована методика оцінки якості води за індексом забрудненості води (І3В) [5]. Гідрохімічний індекс забрудненості води є комплексним показником якості води.
Сутність цієї методики полягає у розрахунку індексу забруднення води за гідрохімічними показниками, а потім за величинами розрахованих ІЗВ воду, яку досліджують, відносять до відповідного класу якості. При цьому виділяються такі класи якості води:

I — дуже чиста (ІЗВ < 0,3);
II — чиста (0,3 < ІЗВ < 1);
III — помірно забруднена (1 < ІЗВ < 2,5);
IV — забруднена (2,5 < ІЗВ < 4);
V — брудна (4 < ІЗВ < 6);
VI — дуже брудна (6 < IЗB < 10);
VII — надзвичайно брудна (IЗB > 10).

З гідробіологічних показників якості найбільше застосування знайшов індекс сапробності водних об'єктів [6], який розраховують виходячи з індивідуальних характеристик сапробності видів, представлених в різних водних співтовариствах (фітопланктоні, перифітоні):

де  S_i -значение сапробності гідробіонта, яке задається спеціальними таблицями;
h_i - відносна зустрічається індикаторних організмів (у полі зору мікроскопа);
N - число вибраних індикаторних організмів.

Кожному виду досліджуваних організмів привласнено деяке умовне чисельне значення індивідуального індексу сапробності, що відображає сукупність його фізиолого-біохімічних властивостей, що обумовлюють здатність мешкати у воді з тим або іншим змістом органічних речовин. Для статистичної достовірності результатів необхідно, щоб в пробі містилося не менше дванадцяти індикаторних організмів із загальним числом особин в полі спостереження не менше тридцяти.

У табл. 1.1 приведена класифікація водних об'єктів по значенню індексу сапробності S.

Таблиця 1.1– Класиякостіводзалежновідіндексівсапробності

Гідрохімічним інститутом Держкомгідромету колишнього СРСР розроблено один з можливих методів оцінки якості води водних об'єктів за гідрохімічними показниками [7], який широко застосовується при проведенні досліджень якості води, в тому числі в Україні.

Головна мета методу полягає в одержання оцінки якості води i проведенню на її основі класифікації води за ступенем придатності для основних видів водоспоживання — господарсько-питного, культурно-побутового, а також для рибогосподарських цілей.

Принципову основу методу складами поєднання диференційованого i комплексного підходів до оцінки якості та використання при цьому набору відносних критеріїв, які дозволяють з різних сторін вирішити поставлене завдання.

Структура методу включає такі основні напрямки обробки аналітичного матеріалу:

— визначення характеру забруднення за величиною умовного коефіцієнту комплексності;
— установлення рівня i класу якості води по величині комбінаторного індексу забруднення;
— виділення пріоритетних забруднюючих компонентів за кількістю i складом лімітуючих показників забруднення;
— проведення диференційованої оцінки лімітуючих забруднюючих речовин.

В країнах Європейського економічного співтовариства розроблена спеціально для використання Екологічна класифікація природних вод (ЄЕС) (ECE Classification of Ecological Freshwater Quality, CES/668) [8]. Ця класифікація базується на критеріях, розроблених спеціально з орієнтацією на захист водної флори i фауни.

Дана класифікація виділяє п'ять класів якості води:

I — відмінна якість (на картах води цього класу умовно позначаються голубим кольором);
II — добра якість (зелений колір);
III — задовільна якість (жовтий колір);
IV — незадовільна якість (оранжевий колір);
V — погана якість (червоний колір).

Віднесення досліджуваної води до того чи іншого класу якості, проводять порівнянням отриманих в результаті аналізу концентрацій показників якості води з інтервалами концентрацій аналогічних показників, що належать тому чи іншому класу якості з класифікації CC. Визначення класу якості води проводиться з використанням спеціальних таблиць.

При оцінюванні впливу антропогенної діяльності людини може також використовуватись метод біоіндикації та біотестування. Ці  методи дозволяють оцінювати вплив антропогенного навантаження на природне середовище, орієнтуючись на реакцію біологічних систем. У основі методу біотестування лежить використання біологічного організму для визначення якості водного середовища. Для біотестування можуть використовуватись рослини, тварини, мікроорганізми та гриби. Однією з таких рослин є цибуля звичайна, дослідження зростання корінців якої може дати інформацію про токсичність води об’єкту, що досліджують. Методику визначення якості води на цибулі звичайній описано у [9]. Визначення токсичності водного об’єкта проводиться за впливом на ріст коренів або зеленого листя цибулі.

Отримані результати

Для дослідження було обрано водоймища міст Алчевська і Донецька.

На початковому етапі проведено оцінку якості вод поверхневих водоймищ м. Алчевська і м. Донецька, в яких розташовані крупні промислові підприємства чорної металургії і гірничодобувної промисловості. Це ставки м. Алчевська: Верхньо- і Нижньо-Лиманський, Перший і Другий Орловські, Шкільний і Лікарняний ставки, та Путилівській і Ветковський ставки м. Донецька. Лікарняний ставок є приймачем стічних вод ВАТ «Алчевський металургійний комбінат» і  локомотивного депо залізничного цеху № 2, а до 2007 р. ВАТ «Алчевський завод будівельних конструкцій». Перший Орловський став так само приймає стічні води і води із зливової каналізації металургійного комбінату та переливні води з Лікарняного ставу. У Верхньо-Лиманський, Другий Орловський і  Шкільний стави стічні води не скидаються. У Путилівський і Ветковський пуди стічні води безпосередньо не скидаються.

Дослідження якості води проводили  в період з 2003 по 2008 рік. Контроль проводили за наступними показниками: запах, кольоровість, вміст завислих речовин, розчиненого кисню, сульфатів, хлоридів, сухого залишку, азоту амонійного, азоту нітритного, нітратного, по хімічному і біологічному споживанню кисню, вмісту роданіду, нафтопродуктів, сірководня.

Для виконання комплексної оцінки якості води в досліджуваних водних об'єктах на всіх етапах використовували гідрохімічний індекс забруднення води ІЗВ і методику оцінки якості води за гідрохімічними показниками Гідрохімічного інституту.

Розрахунок гідрохімічного індексу забруднення води ІЗВ проводили за сімома показниками. Для цього середнє арифметичне значення одержаних результатів хімічних аналізів по кожному з показників порівнювали з їх гранично допустимими концентраціями (ГДК). Показниками, обов'язковими для використання в розрахунках, є розчинений кисень, біохімічне споживання кисню (БПК5), азот аммонійний, азот нітритний. Залежно від величини одержаного ІЗВ водний об'єкт може бути віднесений до одного з семи класів якості.

Для оцінки якості води вказаних вище водоймищ також використали метод оцінки якості води Гідрохімічного інституту. У цьому методі для кожного інгредієнта на основі фактичних концентрацій розрахували бали кратності перевищення ГДК, як відношення фактичної концентрації забруднювача до його ГДК, повторюваність випадків перевищення, а також загальний оціночний бал. Комбінаторний індекс забрудненості розраховували як суму загальних оціночних балів всіх інгредієнтів, що враховуються. За величиною комбінаторного індексу забрудненості встановили клас забруднення води. Результати розрахунків і віднесення ставів до класів якості приведені в таблиці 1.

Таблиця 1 - Оцінка якості води по ІЗВ

Як видно з даних табл. 1, ІЗВ для Путилівського ставка дорівнює 5,56 - його можна віднести до п'ятого класу, а для ставка Ветковського ІЗВ складає 8,18, що відповідає шостому класу. Води п'ятого і шостого класів характеризуються порушеними екологічними параметрами, їх стан оцінюється як екологічний регрес. Для ставків шостого класу ступінь забруднення дещо вищий, ніж для води п'ятого класу. Верхньо-Лиманський, Нижньо-Лиманський і Шкільний стави м. Алчевська можна віднести до третього класу, води даного класу якості знаходяться під значним антропогенним впливом, рівень якого близький до межі стійкості екосистем. Перший і Другий Орловські ставки, Лікарняний ставок, а також Ісаківське водосховище можна віднести до четвертого класу, їх стан оцінюється як екологічний регрес, води даного класу характеризуються порушеними екологічними параметрами.

Таблица 2 – Оцінка якості води по КІЗ.

Дані, одержані при оцінці за методикою Гідрохімічного інституту приведені в таблиці 2. Згідно даним таблиці 2, водоймища міста Донецька можна віднести до третього класу підкласу Б, значення комплексного індексу забруднення КІЗ для досліджуваних водоймищ складають 49 одиниць. Згідно проведеним розрахункам, всі водоймища м. Алчевська можна віднести до третього класу, проте якість води Першого Орловського ставка дещо гірша, він відноситься до підкласу Б, решта ставків відноситься до підкласу А. Даний метод дозволяє зробити висновок, що стійке забруднення  ставків спостерігається за такими показниками як вміст завислих речовин, сухого залишку, сульфатів, нафтопродуктів, солей жорсткості, біологічному споживанню кисню. Для водоймищ можливі варіації якісного стану води при оцінці за окремими інгредієнтами. Визначено, що наступні показники є лімітуючими показниками забруднення ставків, забруднення за ними характеризується як «характерне високого і дуже високого рівня» (знижують клас якості води до «неприпустимо брудної» (підклас Г класу IV)) - це  вміст завислих речовин, солей жорсткості і нафтопродуктів.

Оцінити і спрогнозувати екологічний стан водних об'єктів можна на підставі вивчення динаміки зміни якості води [10]. Для цього були проаналізовані показники якості поверхневих водоймищ м. Алчевська (ставки Верхньо-Лиманський, Перший і Другий Орловські, Шкільний, Лікарняний ставки) в період з 1988 по 2007 рік. Для проведення аналізу використовували дані систематичних досліджень, що проводяться Алчевською міською СЕС і Алчевською екологічною інспекцією. Для комплексної оцінки якості води в досліджуваних водних об'єктах використовували гідрохімічний індекс забруднення води ІЗВ і методику оцінки якості води за гідрохімічними показниками Гідрохімічного інституту.

Динаміка зміни якості води при оцінці по ІЗВ приведена на рисунку 1. З приведених на рисунку 1 даних витікає, що зміна якості води досліджуваних водоймищ не має загальної тенденції, проте якість води в 2007 році є найкращою за період дослідження для всіх водоймищ, окрім Шкільного ставка. Для Верхнього Лиманського і Лікарняного ставків спостерігається зменшення величини ІЗВ, найбільші значення індексу ІЗВ (найбільший ступінь забруднення води) спостерігаються з 1988 до 1996 рр. Для Першого і Другого Орлових ставків спостерігається загальна тенденція до погіршення якості води в період з 1988 до 2004 рр., максимальне значення індексу спостерігається в 2004 році. Для Верхнього Лиманського ставка спостерігається коливання значень ІЗВ, найбільше значення ІЗВ (найгірша якість води) спостерігається в 1996 році. Як видно з рис. 1 в різні роки даного періоду води водоймищ можуть бути віднесені до всіх класів якості води, що виділяються. Класи якості води відмічені на малюнку римськими цифрами.

Рисунок анімовано, містить 6 кадрів із затримкою 100 та кількістю повторів 5.

Рисунок 1 - Динаміка зміни якості води при оцінці по ІЗВ

На рисунку 2 приведена динаміка зміни якості води при оцінюванні по КІЗ. Як видно з рисунка 2 спостерігається загальна тенденція до поліпшення якості води в даний період для всіх досліджуваних водоймищ. Найбільші значення КІЗ (найгірша якість води) спостерігаються для Лікарняного ставка, по цих  значеннях водоймище можна віднести до третього класу якості води підкласу Б. Для Першого і Другого Орлових ставків в 2004 р. спостерігається різке погіршення якості води, що виділяється із загальної тенденції для цього водоймища. Найменші значення індексу КІЗ (найменший ступінь забруднення води) впродовж всього даного періоду спостерігаються для Шкільного ставка.

Рисунок анімовано, містить 6 кадрів із затримкою 100 та кількістю повторів 5.

Рисунок 2 - Динаміка зміни якості води при оцінці по КІЗ

Якість води може бути так само оцінена методом біотестування досліджуваних вод з використанням вищої судинної рослини Allium Сера (лук звичайний) [9]. Даний метод може бути використаний на додаток до розрахункових методів. Метод полягає в триденному пророщуванні цибулин в досліджуваних зразках води, з подальшим підрахунком довжини корінців і порівнянням їх з контрольними результатами в чистій воді. На основі цих даних розраховують коефіцієнт інгібіювання зростання корінців К, який дозволяє оцінити інтегральну токсичність проб води.

Для всіх ставів спостерігається пригнічення росту коренів цибулі. Згідно отриманих даних найбільше пригнічення росту коренів цибулі зафіксовано для зразка води Шкільного ставу м. Алчевська, що дорівнює 14,94 % від довжини коренів цибулі у контрольному зразку, та Путилівського ставу м. Донецька, що дорівнює 19,5%. Також треба виділити зразок води з Ісаковського водосховища, для якого спостерігався протилежний вплив – посилення росту, тобто довжина коренів цибулі для нього перевищує довжину у контрольному зразку.

Висновки

За підсумками роботи можна зробити наступні висновки:

1. Якість води поверхневих водоймищ регіону є незадовільною, забруднення за окремими показниками  має стійкий  і навіть домінуючий характер.

2. При вивченні динаміки зміни якості води встановлено, що спостерігається тенденція до поліпшення якості води поверхневих водоймищ міста Алчевська останніми роками, що пов'язано з проведенням ВАТ «Алчевській металургійний комбінат»  роботи по підвищенню ефективності природоохоронних заходів, що проводяться, проте якість води в даний час все ж таки залишається незадовільною.

У перспективі планується провести аналогічні дослідження для водоймищ інших міст, а також виконати оцінку і класифікацію якості води природних водоймищ з використанням інших методик, особлива увага планується приділити оцінці якості по методиках, використовуваних західними країнами. Паралельно буде проведено дослідження тенденції зміни якості води для водоймищ міста Донецька.

Література

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.