ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Вода — это основа жизни на Земле, и её качество напрямую влияет на здоровье экосистем, человека и экономическое развитие регионов.

В Донецкой Народной Республике ситуация с водообеспеченностью очень сложная, особенно в условиях текущей военной обстановки. В настоящее время регион испытывает нехватку воды, и требуется поиск дополнительных источников. Один из таких источников — река Кальмиус. Вода из неё используется для нужд промышленности и сельского хозяйства. Для республики Кальмиус имеет большое значение в историческом, социальном, экономическом, хозяйственном и рекреационном аспектах.

Однако, как и многие другие водоёмы и водотоки, Кальмиус подвержен воздействию антропогенных факторов. В реки его бассейна сбрасывается более 60% сточных вод от предприятий республики, что представляет угрозу для экосистем и здоровья людей, а также затрудняет использование реки для водоснабжения.

1 Актуальность темы

Актуальность анализа качества воды реки Кальмиус и её притоков обусловлена потребностью региона в дополнительных источниках хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Кроме того, важно следить за состоянием водных ресурсов в условиях изменения климата и антропогенного воздействия.

Исследование качества воды поможет определить основные загрязняющие вещества, оценить их воздействие на экосистему и здоровье людей, а также разработать меры по улучшению состояния водных ресурсов.

2 Цель и задачи исследования

Основными целями данного исследования являются:

Задачи исследования включают:

3 Общая характеристика водных ресурсов Донецкой Народной Республики

Все водные ресурсы Донбасса представляют собой национальное достояние, которое включает в себя как поверхностные, так и подземные воды. Реки региона немногочисленны и маловодны.

В Донецкой Народной Республики насчитывается 1695 водных объектов, среди которых:

Главными водными артериями региона являются реки Северский Донец, Бахмутка, Лугань, Кальмиус и другие. Эти реки имеют развитую систему оврагов и балок, что способствует формированию уникальных экосистем.

Канал Северский Донец-Донбасс ранее был основным источником водоснабжения региона, но сейчас его использование затруднено из-за продолжающихся боевых действий. Постоянные обстрелы гидротехнических сооружений привели к их разрушению и выходу из строя.

Обеспеченность Донбасса водой остаётся крайне низкой. Реки, такие как Кальмиус и Лугань, не могут полностью удовлетворить потребности населения в воде. Отсутствие крупных озёр и значительных запасов подземных вод делает вопросы рационального использования и охраны водных ресурсов особенно актуальными, а вопрос дополнительного водоснабжения стоит остро [1].

4 Характеристика реки Кальмиус и её притоков

4.1 Физико-географические характеристики

Река Кальмиус — значимый водный объект Донецкой Народной Республики. Она берёт своё начало на южном склоне Донецкого кряжа. Протяжённость реки составляет 209 километров, и она протекает через важные населённые пункты, включая города Донецк и Мариуполь, прежде чем впасть в Азовское море [1].

Исток реки расположен недалеко от села Яковлевка, между станцией Ясиноватая и городом Донецком. Средняя глубина Кальмиуса составляет 2 м, площадь водосборного бассейна — 5070 км, а уклон — 0,91 м/км. Среднегодовой расход воды у посёлка Сартана составляет 8,25 м3 [2].

Река также подвержена сезонным изменениям: она замерзает в декабре и вскрывается в марте. В верхнем течении Кальмиус течёт в юго-восточном направлении, а затем поворачивает на юго-запад, проходя через Старобешевский район.

Кальмиус относится к рекам средней протяжённости, и в её средней части ширина варьируется от 15 до 25 метров. На реке расположены четыре водохранилища: Верхнекальмиусское, Нижнекальмиусское, Старобешевское и Павлопольское. Верхнекальмиусское водохранилище является охраняемой санитарной зоной. Здесь же заканчивается канал «Северский Донец-Донбасс», который ранее использовался для обеспечения региона питьевой водой. После строительства обходного канала было создано искусственное русло [1, 3].

Притоки Кальмиуса и основная информация о них приведены в таблице 4.1.


Таблица – 4.1 Притоки Кальмиуса и их характеристики
Правый / левый Наименование реки Расстояние от устья (по реке), км Длина, км Площадь бассейна, км2 Уклон реки, м/км
Правый Широкая 182 11 – 5,1
Левый Богодухова 178 13 – 6,1
Левый Грузская 162 47 517 2,2
Правый Берестовая 154 – – –
Правый Камышеваха 140 – – –
Левый Осыковая 135 – – –
Правый Мокрая Волноваха 115 63 909 2,8
Правый Дубовка 81 20 – 8,3
Правый Кальчик 6,6 88 1263 2,4

4.2 Экологическое состояние вод реки Кальмиус

Основными отраслями промышленности Донецкой Народной Республики выступают металлургия, коксохимия и горнодобывающая промышленность. Водные ресурсы региона подвержены значительному воздействию промышленных предприятий, осуществляющих интенсивное водопользование и сбрасывающих недостаточно очищенные сточные воды. Эти стоки являются основным источником загрязнения водотоков, что приводит к повышению концентрации солей, нитритов, аммонийного азота и органических соединений в воде большинства рек региона [4].

Наиболее выраженное загрязнение наблюдается в верхнем течении реки Кальмиус на протяжении 17 км, где расположено несколько источников сброса с суммарным объёмом около 4000 м3/ч. Наибольшее негативное воздействие оказывает шахта «Красногвардейская», где уровень загрязнения взвешенными веществами и нефтепродуктами превышает предельно допустимые концентрации (ПДК) в 2–3 раза. В стоках других промышленных объектов уровень загрязнения ниже: мутность воды колеблется от 8 до 36 мг/дм3, превышение ПДК по нефтепродуктам составляет от 1,2 до 4,3 мг/дм3, а по фенолам — от 2 до 9 раз.

Вода в реке Кальмиус характеризуется буровато-жёлтым цветом и неприятным запахом. Её химический состав варьируется от гидрокарбонатного до сульфатного класса натриевой группы. В устье реки вода приобретает сульфатно-гидрокарбонатный и сульфатно-хлоридный состав.

Загрязнение реки обусловлено как минеральными, так и органическими взвешенными частицами, включая нефть, масла и угольную пыль. Наивысшие концентрации взвешенных веществ наблюдаются в устье реки, в районе городов Донецк и Старобешевское водохранилище. Загрязнение воды летучими и нелетучими фенолами отмечается на всей протяжённости реки Кальмиус. Наибольшие концентрации нефтепродуктов зафиксированы в районах городов Донецк и Мариуполь, где их содержание составляет от 0,6 до 1,4 мг/дм3 в водной среде и от 0,9 до 15 мг/дм3 в донных отложениях [5].

Информация о характеристике сточных вод, сбрасываемых в реку Кальмиус за 2021 г. представлены в таблице 4.2 [6].


Таблица 4.2 – Характеристика сточных вод, сбрасываемых в реку Кальмиус
Показатель Значение
Объём сброса сточных вод, тыс. м³, в т.ч.: 146 015,60
– без очистки (БО) 5 861,70
– недостаточно очищенные (НДО) 47 387,20
– нормативно очищенные (НО) 80 000,30
– нормативно чистые без очистки (НЧ) 12 766,20
БПК, т 1 261,70
Нефтепродукты, т 13,55
Взвешенные вещества, т 2 320,00
Минерализация, т 199 728,60
Железо, т 24,96
Хлориды, т 28 647,00
Сульфаты, т 70,03
Азот аммонийный, т 121,50
Нитраты, т 4 005,20
Нитриты, т 66,90
Фосфаты, т 337,98
ХПК, т 3 873,60
СПАВ, т 7,09
Фенолы, т 0,0536

В последние годы были проведены работы по очистке русла реки Кальмиус, однако это не привело к значительному улучшению состояния её экосистемы. Большинство мер, направленных на очистку промышленных стоков и предотвращение загрязнения, оказались неэффективными и требуют модернизации или полной замены на более современные и действенные [7].

5 Методика отбора проб поверхностных вод

При выборе мест для отбора проб воды необходимо учитывать множество факторов: близость населённых пунктов, водозаборных сооружений и источников загрязнения, а также географические, топографические, гидрологические и гидрогеологические особенности. Важно обеспечить репрезентативность проб, их сохранность при транспортировке и анализе [8].

Отбор проб проводится с учётом расстояния, необходимого для полного смешивания сточных вод с природными, и должен соответствовать требованиям ГОСТ 17.1.5.04-81. Для поверхностных вод пробы отбираются из верхнего горизонта водной толщи на глубине 30-100 см, а иногда и из придонных слоёв [9].

В зависимости от целей исследования применяются точечный или объединённый методы отбора проб воды. Точечная проба характеризует состав и свойства воды в конкретной точке водоёма на определённый момент времени, получаемая однократным отбором заданного объёма. Объединённая проба формируется путём смешивания нескольких точечных проб, взятых из различных мест или в разное время.

Пробы отбираются до полудня с одновременным измерением температуры воды, pH и концентрации растворённого кислорода. Для микробиологических исследований пробы берутся стерильными ёмкостями и анализируются в течение 6 часов [10].

Объём пробы должен быть достаточным для анализа всех запланированных показателей. Пробы хранятся в стеклянных или пластмассовых бутылях ёмкостью 1,5 л (для расширенного анализа — 3 л.), предварительно тщательно промытых и ополоснутых водой не менее трёх раз.

Место для отбора проб воды выбирается в зависимости от типа водного объекта и целей исследования. В открытых водоёмах пробы берут на заранее определённой глубине, при наличии водозаборе — из водоприёмной труб; а в реках — в местах с наиболее бурным течением, где потоки хорошо перемешиваются. Пробоотборники располагаются ниже по течению потока на необходимой глубине.

Транспортировка проб проводится в специальной таре с прокладками и маркировкой, гарантирующей сохранность и идентификацию образцов. Рекомендуется проводить анализ в день отбора. Если время доставки воды превышает 5 часов, необходимо предотвратить её нагревание или замерзание. При хранении в холодильнике пробы могут оставаться пригодными не более 48 часов [9].

6 Методы исследования качества природных вод

В современной науке для анализа качества воды применяют различные методы, которые можно разделить на четыре основных типа и несколько подтипов (рис. 6.1) [11].

Классификация методов анализа воды

Рисунок 6.1 — Классификация методов анализа воды

6.1 Химические методы. Титриметрический (объёмный) анализ

Титриметрический (объёмный) анализ — это аналитический метод, который основан на реакции между анализируемым веществом и стандартным раствором (титрантом) с известной концентрацией.

Основные характеристики этого метода:

В процессе титрования к пробе воды добавляется титрант до достижения точки эквивалентности, когда реакция между реагентами завершается. Это ключевой момент, который фиксируется с помощью индикаторов или инструментальных методов, таких как потенциометрия. Индикаторы меняют цвет, сигнализируя о достижении нужной концентрации, а потенциометрия позволяет точно определить точку эквивалентности с помощью измерения электродвижущей силы.

Метод широко используется для определения концентраций различных химических веществ, включая кислоты, основания, соли, окислители и восстановители. Например, титрование применяется для измерения содержания хлора, железа, жёсткости воды, нитратов и других параметров, что позволяет контролировать качество воды и выявлять загрязнения [11].

6.2 Физико-химические методы

6.2.1 Оптические и спектрометрические методы

Оптические и спектрометрические методы анализа качества природных вод — это группы методов, основанных на измерении поглощения или прохождения электромагнитного излучения различных веществ в определённых диапазонах видимого, ультрафиолетового или инфракрасного спектра.

Оптические методы анализа основаны на измерении изменений интенсивности света при его прохождении через образец воды. Эти изменения могут быть связаны с отражением, преломлением или поглощением света. Оптические методы используются для определения таких характеристик воды, как мутность, цвет и содержание взвешенных частиц.

Спектрометрические методы анализа основаны на измерении поглощения, излучения или рассеяния электромагнитного излучения на определенных длинах волн. Спектрофотометры обеспечивают возможность детального анализа состава и концентрации веществ в образцах, что позволяет получать точные и надежные результаты.

Эти методы находят широкое применение в различных научных и прикладных областях. Они являются ключевым инструментом для количественного определения химических соединений, включая ионы металлов, органические молекулы, нитраты, фосфаты и другие. Благодаря высокой чувствительности и точности, спектрометрия играет важную роль в современных научных исследованиях и технологических процессах [11].

6.2.2 Электрохимические методы

Электрохимические методы анализа качества природных вод основаны на измерении электрических свойств растворов для оценки концентрации различных химических веществ. Эти методы используют электрохимические процессы, происходящие на границах фаз между электродом и раствором, для определения содержания ионов и молекул в водных пробах.

Основные электрохимические методы включают:

Эти методы широко применяются для количественного анализа содержания тяжелых металлов, органических загрязнителей, кислот, оснований и других компонентов в природных водах. Они также используются для мониторинга качества воды и оценки уровня загрязнения в реальном времени [11].

6.2.3 Хроматографические методы

Хроматографические методы анализа качества природных вод представляют собой совокупность аналитических процедур, основанных на разделении компонентов смеси по их способности взаимодействовать с неподвижной и подвижной фазами. Эти методы используют различия в распределении веществ между фазами, например, между газом и жидкостью или жидкостью и твердым адсорбентом, для их количественного определения и разделения.

Существует несколько основных типов хроматографии:

Хроматографические методы широко применяются для определения различных загрязняющих веществ в водных пробах. Они позволяют анализировать тяжёлые металлы, пестициды, органические загрязнители и другие химические соединения [11].

6.3 Физические методы

6.3.1 Гравиметрия

Гравиметрический анализ качества воды — это способ, который предполагает измерение массы вещества для определения его количества в образце воды.

Этот метод основан на выделении целевого компонента из раствора, его отделении от других веществ, сушке и последующем взвешивании. По измеренной массе можно вычислить концентрацию вещества в исходном образце.

С помощью этого метода можно определить содержание различных ионов, таких как сульфаты, хлориды, фосфаты и тяжёлые металлы, в водных образцах [11].

6.3.2 Радиометрия

Радиометрический анализ качества воды представляет собой метод, основанный на измерении параметров радиационного излучения в водных образцах. Данный метод используется для определения содержания радионуклидов и оценки радиационной обстановки.

Принцип радиометрии заключается в регистрации и измерении радиоактивного излучения (?-, ?- или ?-излучения), испускаемого радионуклидами, содержащимися в анализируемой пробе воды. Интенсивность излучения позволяет оценить наличие и концентрацию радиоактивных веществ.

Процесс анализа включает несколько стадий: от отбора и подготовки проб до проведения измерений с использованием радиометров или спектрометров. Завершающим этапом является калибровка и интерпретация полученных данных. Результаты измерений сравниваются с калибровочными кривыми для количественного определения содержания радионуклидов.

Эти методы применяются для оценки уровня радиоактивного загрязнения водных объектов, мониторинга радиационного фона окружающей среды, а также контроля качества и безопасности питьевой воды [11].

6.3.3 Масс-спектрометрия

Масс-спектрометрия (МС) — это аналитический метод для определения состава и концентрации веществ в водных пробах. Он основан на измерении массы и относительного количества ионов.

Процесс масс-спектрометрии включает несколько стадий. Сначала образец подготавливают, удаляя взвешенные частицы. Затем происходит ионизация анализируемых веществ, после чего ионы разделяются по массе и заряду в магнитном или электрическом поле. Ионы детектируются, и на основе полученных данных формируется масс-спектр. Этот спектр отражает распределение ионов по их массам, что позволяет идентифицировать и количественно анализировать компоненты пробы.

Масс-спектрометрия широко используется для определения содержания органических и неорганических загрязнителей, токсичных веществ и тяжелых металлов в воде [11].

6.4 Микробиологические методы

Микробиологические методы применяются для оценки наличия и численности патогенных микроорганизмов (бактерий, вирусов, грибов и простейших), а также для определения общего микробного числа, что позволяет оценить санитарное состояние водной среды.

Основные микробиологические методы включают:

7 Результаты выполненных исследований

Как уже было отмечено выше, на экологическое состояние р. Кальмиус в значительной степени влияет качество сбрасываемых сточных вод. Около 40 % всего объёма сбрасываемых сточных вод составляют неочищенные и недостаточно очищенные. Основным источником сточных вод, поступающих в Кальмиус, являются угледобывающие предприятия, стоки которых характеризуются высокой минерализацией. В связи с этим в Кальмиус поступает большое количество растворенных солей, следствием чего является увеличение содержания хлорид- и сульфат-ионов, общей минерализации.

В таблице 7.1 приведены результаты лабораторного контроля в контрольных створах р. Кальмиус за ноябрь 2023 г.

Анализ приведенных результатов подтверждает отрицательное влияние сбрасываемых сточных вод:

Река Кальмиус и её побережье в черте г. Донецка является зоной отдыха населения. В связи с этим нами было проведено исследование качество воды на содержание сульфатов и сухого остатка. Анализы проб воды, отобранных согласно методике, приведенной в пункте 5.

Результаты выполненных исследований приведены на рисунке 7.1.

Результаты исследования качества вод реки Кальмиус в черте города Донецка за сентябрь 2024 г.

Рисунок 7.1 — Результаты исследования качества вод реки Кальмиус в черте города Донецка за сентябрь 2024 г.

Как следует из рисунка 7.1, также наблюдается превышение ПДК по сухому остатку в 1,2-1,6 раз и незначительное превышение предельно допустимой концентрации сульфатов.

Таким образом, качество воды реки Кальмиус остается неудовлетворительным. Для оздоровления реки требуется проведение мероприятий для внедрения наилучших доступных технологий очистки сточных вод ИТС 8-2022 [12].


Таблица 7.1 — Сводная ведомость результатов проведения государственного лабораторного контроля вод реки Кальмиус и её притоков за ноябрь 2023 г.
№ п/п Показатель Створ № 1 р.Кальмиус, 178 км, г.Донецк, ниже устья балки Богодухова Створ № 2 р.Кальмиус, 146 км, Старобешевское водохранилище, нижний бьеф, ставок охладитель Старобешевской ТЭЦ Створ № 3 р.Кальмиус, 115 км, с.Раздольное Створ № 5 р.Мокрая Волноваха (правый приток р.Кальмиус), 1 км, устье, с.Раздольное Створ № 22 р.Кальмиус 45 км, Павлопольское водохранилище, нижний бьеф, с.Павлополь Новоазовский район ПДК
1 Взвешенные вещества, мг/дм3 28 31 45 57 31 10 мг/дм3
2 Водородный показатель pH, единицы pH 8,15 8,51 8,14 8,42 8,16 6-9 мг/дм3
3 Массовая концентрация хлорид-ионов, мг/дм3 440,3 375,1 399,5 305,8 260,9 350 мг/дм3
4 Массовая концентрация сульфат-ионов, мг/дм3 837,3 604,6 689,7 778,7 498,3 500 мг/дм3
5 Массовая концентрация кальция, мг/дм3 232,5 136,3 220,4 168,3 184,4 180 мг/дм3
6 Массовая концентрация сухого остатка, мг/дм3 2924 2740 2684 2640 2352 1000 мг/дм3

8 Заключение

На данный момент всё ещё не решена проблема дефицита водных ресурсов на территории Донецкой Народной Республики.

Экологическое состояние реки Кальмиус остаётся критическим. Именно поэтому в рамках данного исследования проводится анализ качества вод Кальмиуса и его притоков для последующего определения стратегий восстановления, которые позволят использовать водоток как дополнительный источник водоснабжения региона.

В работе представлена оценка текущего состояние вод реки Кальмиус и её притоков, приведены физико-географические характеристики Кальмиуса, а также геологическое строение и рельеф региона в районе водотока.

Описана методика отбора проб воды, приведена характеристика основных методов исследования и анализа качества воды, включая химические, физико-химические и физические методы, а также микробиологические методы. Рассмотрены основы таких методов, как титриметрия, спектрометрия, хроматография, гравиметрия, масс-спектрометрия и электрохимические методы оценки химического состава вод. Также уделено внимание методам радиометрического анализа.

Таким образом, результаты проведенного исследования свидетельствуют о необходимости регулярного мониторинга и оценки состояния водных ресурсов Донецкой области, а также применения современных методов анализа для обеспечения их экологической безопасности и определения оптимально эффективных методов очистки.

9 Список источников

  1. Кальмиус. Река Донецкой области [Электронный ресурс]. — Режим доступа: [Ссылка]
  2. О водных ресурсах Республики [Электронный ресурс]. — Режим доступа: [Ссылка]
  3. Кальмиус [Электронный ресурс]. — Режим доступа: [Ссылка]
  4. Даниленко, Е.П. Проблемы водопользования и хозяйственной деятельности на землях Донецкой Народной Республики / Е.П. Даниленко, А.А. Попова // Вектор геонаук. — 2018г. — № 2. — С. 70-74.
  5. Ефимова, А.Ю. Исследования экологической ситуации реки Кальмиус в Донецке / А.Ю. Ефимова, А.А. Плужник // Материалы II Международной научно-практической конференции «Географические и экономические исследования в контексте устойчивого развития государства и региона». — 2020г. — С. 30-32.
  6. Характеристика водных ресурсов и сточных вод [Электронный ресурс]. — Режим доступа: [Ссылка]
  7. Комплексная характеристика реки Кальмиус [Электронный ресурс]. — Режим доступа: [Ссылка]
  8. Рекомендации 52.24.353-2012. Отбор проб поверхностных вод суши и очищенных сточных вод [Электронный ресурс]. — Режим доступа: [Ссылка]
  9. Правила отбора проб воды поверхностных водных объектов. Посуда и технические средства для отбора проб воды [Электронный ресурс]. — Режим доступа: [Ссылка]
  10. Патент RU 2 405 143 C1. Способ отбора проб воды с прибрежного водотока крупной реки / П.М. Мазуркин, Л.Г. Гусарева // Заявл. 09.09.2009г. Публ. 27.11.2010г.
  11. Зарубина, Р.Ф. Анализ и улучшение качества природных вод. В 2-х частях. Часть 1. Анализ и оценка качества природных вод: Учебное пособие / Р.Ф. Зарубина, Ю.Г. Копылова // — Томск: Изд-во Томского политехнического университета. — 2007г. — 168 с.
  12. ИТС 8-2022. Очистка сточных вод при производстве продукции (товаров), выполнении работ и оказании услуг на крупных предприятиях [Электронный ресурс]. — Режим доступа: [Ссылка]