Оценка качества воды. Интегральные показатели загрязнения.
Современные технические средства позволяют определять практически все ингредиенты природного состава вод и антропогенных загрязнений – это методы атомно-абсорбционной и эмиссионной спектрофотометрии для неорганических веществ и хромато-масс-спектрометрии для идентификации нескольких тысяч органических соединений. Однако эти методы из-за сложности аппаратуры, трудоемкости выполнения анализа и значительных материальных затрат используются пока весьма ограниченно. Общим требованием к качеству воды водных объектов любой категории является не превышение фактически наблюдаемого содержания загрязняющих веществ (ЗВ) над величиной ПДК. При загрязнении воды несколькими ЗВ используются комплексные оценки качества воды в природных водоемах.
3.1. Комбинаторный индекс загрязненности (КИЗ): В гидрохимической практике используется метод интегральной оценки качества воды, по совокупности находящихся в ней загрязняющих веществ и частоты их обнаружения. В этом методе для каждого ингредиента на основе фактических концентраций рассчитывают баллы кратности превышения ПДКвр – Кi и повторяемости случаев превышения Нi, а также общий оценочный балл – Bi:
Ki=Ci/ПДКi (3.1)
Hi=NПДКi/Ni (3.2)
КИЗ=åBi=å(Ki*Hi) (3.3)
где: Сi – средняя концентрация в воде i-го ингредиента; ПДКi – предельно допустимая концентрация – i-го ингредиента для водоемов рыбохозяйственного назначения; NПДКi – число случаев превышения ПДК по i-му ингредиенту; Ni – общее число измерений i-го ингредиента.
Ингредиенты, для которых величина общего оценочного балла больше или равна 11, выделяются как лимитирующие показатели загрязненности (ЛПЗ). Комбинаторный индекс загрязненности рассчитывается как сумма общих оценочных баллов всех учитываемых ингредиентов. По величине комбинаторного индекса загрязненности устанавливается класс загрязненности воды, табл. 3.1.
Табл. 3.1. Классификация загрязненности воды водных объектов
| Значение КИЗ | Класс загрязненности воды | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| Условно чистая | Слабо загрязненная | Загрязненная | Грязная | Очень грязная | |
| При отсутствии ЛПЗ | 1 | 1-2 | 2,1-4 | 4,1-10 | 10 |
| 1 ЛПЗ | 0,9 | 0,9-1,8 | 1,9-3,6 | 3,7-9,0 | 9,0 |
| 2 ЛПЗ | 0,8 | 0,8-1,6 | 1,7-3,2 | 3,3-8,0 | 8,0 |
| 3 ЛПЗ | 0,7 | 0,7-1,4 | 1,5-2,8 | 2,9-7,0 | 7,0 |
| 4 ЛПЗ | 0,6 | 0,6-1,2 | 1,3-2,4 | 2,5-6,0 | 6,0 |
| 5 ЛПЗ | 0,5 | 0,5-1,0 | 1,1-2,0 | 2,1-5,0 | 5,0 |
Показатель КИЗ учитывает одновременно показатели качества, содержание которых превышает установленные ПДКвр, повторяемость случаев превышения ПДКвр, кратность превышения ПДКвр. КИЗ используется, в основном, в случае комбинированного воздействия на экосистемы ряда токсичных веществ.
Более совершенным является индекс, получивший название удельного комбинаторного индекса загрязненности
(УКИЗ), учитывающий те случаи, когда вода очень сильно загрязнена одним или несколькими загрязняющими веществами, но имеет удовлетворительные характеристики по всем остальным показателям. УКИЗ представляет собой долю индекса КИЗ, приходящуюся на один учитываемый ингредиент. Достоинствами данного метода является сочетание дифференцированного и комплексного подходов к оценке качества воды.
3.2. Индекс загрязненности воды (ИЗВ). Результаты гидрохимических анализов по множеству показателей дают определять классы качества воды в виде интегральной характеристики загрязненности поверхностных вод. Классы качества определяются по индексу загрязненности воды (ИЗВ), которая рассчитывается как сумма приведенных к ПДК фактических значений 6 основных показателей качества воды.
Расчет ИЗВ для поверхностных вод проводится только по строго ограниченному количеству ингредиентов. Результаты анализов по каждому из показателей осредняются (определяется среднеарифметическое значение (САЗ)). Число анализов для определения САЗ должно быть не менее 4.
Расчет ИЗВ проводится по формуле (3.4) для поверхностных вод суши и по формуле (3.5) для морских вод
(3.4)
где: n – строго лимитируемое количество показателей (ингредиентов), берущихся для расчета, имеющих наибольшее значение, независимо от того, превышают они ПДК или нет, включая показатель растворенного кислорода БПК5. Для поверхностных вод суши n = 6; Сi – концентрация i-го загрязняющего вещества в воде; ПДКi – предельно допустимая концентрация i-го загрязняющего вещества.
(3.5)
где: n – строго лимитируемое количество показателей (ингредиентов), берущихся для расчета, имеющих наибольшее значение, независимо от того, превышают они ПДК или нет, включая показатель растворенного кислорода БПК5. Для морских вод n = 4, расчет ИЗВ проводят не по отдельным станциям, а по районам контроля; Сi – концентрация i-го загрязняющего вещества в воде; ПДКi – предельно допустимая концентрация i-го загрязняющего вещества.
Для представления качества вод в виде единой оценки показатели выбираются независимо от лимитирующего признака вредности при равенстве концентраций предпочтение отдается веществам, имеющим токсикологический признак вредности.
Учитывая, что показатель биохимического потребления кислорода БПК5 является интегральным показателем наличия легкоокисляемых органических веществ (ПДК для БПК полного – 3 мгО2/л), а также, что с увеличением содержания окисляемых органических веществ (уменьшается содержание растворенного кислорода) качество вод снижается более резко, ПДК для этих показателей определяется на основании табл. 3.2 и табл. 3.3.
Табл.3.2. ПДК для показателя БПК5
| Потребление О2, БПК5 | Величина мгО2/л, принимаемая за норматив |
| До 3 мгО2/л включительно | 3 |
| От 3 до 15 мгО2/л | 2 |
| Свыше 15 мгО2/л | 1 |
Табл.3.3. ПДК для растворенного кислорода
| Доля растворенного О2, мг/л | Величина мгО2/л, принимаемая за норматив |
| Свыше 6 | 6 |
| 6…5 | 12 |
| 5…4 | 20 |
| 4…3 | 30 |
| 3…2 | 40 |
| 2…1 | 50 |
| 1…0 | 60 |
Степень превышения концентрации растворенного кислорода над ПДК рассчитывается как норматив/содержание. Для определения класса качества воды используются данные, приведенные в табл. 3.4.
Табл.3.4. Оценка класса качества воды
| Класс качества воды | Текстовое описание | Величина ИЗВ |
| Поверхностные воды | ||
| 1 | Очень чистая | До 0,3 |
| 2 | Чистая | Более 0,3 до1 |
| 3 | Умеренно загрязненная | Более 1 до 2,5 |
| 4 | Загрязненная | Более 2,5 до 4 |
| 5 | Грязная | Более 4 до 6 |
| 6 | Очень грязная | Более 6 до 10 |
| 7 | Чрезвычайно грязная | Более 10 |
| Морские воды | ||
| 1 | Очень чистая | До 0,25 |
| 2 | Чистая | Более 0,25 до 0,75 |
| 3 | Умеренно загрязненная | Более 0,75 до 1,25 |
| 4 | Загрязненная | Более 1,25 до 1,75 |
| 5 | Грязная | Более 1,75 до 3 |
| 6 | Очень грязная | Более 3 до 5 |
| 7 | Чрезвычайно грязная | Более 5 |
3.3. Суммарный показатель химического загрязнения сточных вод (ПХЗ-10) для выявления зон ЧС и экологического бедствия
Суммарный показатель химического загрязнения вод (ПХЗ–10) рассчитывается при выявлении зон чрезвычайной ситуации и экологического бедствия. Расчет производится по формуле (3.6) по 10 соединениям, максимально превышающим ПДК:
ПХЗ-10 = (С1/ПДК1 + С2/ПДК2 + … + С10/ПДК10), (3.6)
где: Сi – концентрация химического вещества в воде; ПДКi – рыбохозяйственные нормативы качества воды.
Если каких–либо показателей для расчета ПХЗ-10 не хватает, то эти значения Сi/ПДКi условно принимаются равными 1. Заключение о степени неблагополучия может быть сделано на основе табл. 3.5.
Табл.3.5. Критерий оценки степени химического загрязнения
поверхностных вод
|
Показатель ПХЗ-10 | Параметры | ||
| Экологическое бедствие | Чрезвычайная ситуация | Относительно удовлетворительное состояние | |
| 1–2 класс опасности | Более 80 | 35 – 80 | Менее 35 |
| 3–4 класс опасности | Более 500 | 500 | Менее 500 |
3.4. Задания.
Задача 1. Рассчитать Комбинаторный индекс загрязненности индекс загрязненности воды по данным, приведенным в табл. 3.6 и оценить класс загрязненности воды на основании табл. 3.1. Исходные данные: ПДКвр, мг/л: БПК5 – (табл.3.2); Fe (железо общее) – 0,3; NO2 (Нитриты) - 0,02 в пересчете на азот; NH4 (ион аммония) – 0,5; Фенолы – 0,001.
Табл.3.6. Данные анализа воды, мг/дм3
| № | БПК5 | Fe | NO2 | NH4 | Фенолы |
| 1. | 3,22 | 0,16 | 0,3 | 10 | 0,01 |
| 2. | 2,64 | 0,18 | 0,31 | 8 | 0,009 |
| 3. | 3,47 | 0,24 | 0,37 | 8,5 | 0,009 |
| 4. | 3,26 | 0,45 | 0,32 | 8 | 0,009 |
| 5. | 3,57 | 0,1 | 0,38 | 9 | 0,009 |
| 6. | 5,24 | 0,27 | 0,16 | 8 | 0,008 |
| 7. | 4,66 | 0,34 | 0,69 | 8,5 | 0,008 |
| 8. | 1,5 | 0,13 | 0,019 | 8,5 | 0,008 |
| 9. | 7,69 | 0,1 | 0,06 | 9,2 | 0,008 |
| 10. | 1,9 | 0,2 | 0,66 | 9,2 | 0,008 |
| 11. | 2,09 | 0,3 | 0,16 | 9,2 | 0,007 |
| 12. | 1,1 | 0,28 | 0,18 | 9 | 0,007 |
Задача 2. Рассчитать индекс загрязненности воды (ИЗВ) по данным, приведенным в табл. 3.7 и оценить класс качества воды на основании табл. 3.4. ПДКв. найти в документе: Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения (с изменениями на 10 марта 2020 года).
Табл.3.7. Исходные данные концентрации загрязняющих веществ
для расчета ИЗВ
| Вар. | Растворенный О2, мг/л | ПБК5, мгО2/л | Нефтепродукты, мг/л | Фенол, мг/л | Хром (6+), мг/л | Железо, мг/л |
| 1 | 6,00 | 2,50 | 0,075 | 0,0140 | 0,0300 | 0,06 |
| 2 | 8,00 | 12,00 | 0,150 | 0,0030 | 0,00600 | 0,30 |
| 3 | 2,19 | 8,00 | 0,650 | 0,0130 | 0,2600 | 1,30 |
| 4 | 5,50 | 20,00 | 0,100 | 0,0020 | 0,0400 | 0,20 |
| 5 | 4,50 | 1,06 | 0,075 | 0,0050 | 0,1000 | 0,50 |
| 6 | 4,44 | 3,00 | 0,200 | 0,0040 | 0,0800 | 0,40 |
| 7 | 3,12 | 8,10 | 0,500 | 0,0100 | 0,2000 | 1,00 |
| 8 | 0,80 | 1,14 | 1,750 | 0,0700 | 0,0700 | 0,35 |
| 9 | 5,00 | 16,10 | 0,075 | 0,1100 | 0,1100 | 0,55 |
| 10 | 5,15 | 2,29 | 0,350 | 0,1400 | 0,1400 | 0,70 |
| 11 | 6,70 | 1,50 | 0,450 | 0,1800 | 0,1800 | 0,90 |
| 12 | 7,00 | 2,00 | 0,300 | 0,1200 | 0,1200 | 0,60 |
| 13 | 4,30 | 12,00 | 0,150 | 0,0800 | 0,0800 | 0,90 |
| 14 | 8,70 | 10,20 | 0,450 | 0,0070 | 0,1000 | 1,40 |
| 15 | 7,00 | 2,60 | 0,075 | 0,0015 | 0,0300 | 0,15 |
| 16 | 6,00 | 1,00 | 0,300 | 0,0020 | 0,1600 | 0,40 |
| 17 | 2,12 | 1,90 | 0,160 | 0,0045 | 0,1000 | 0,90 |
| 18 | 5,60 | 2,70 | 0,600 | 0,0055 | 0,1800 | 0,60 |
| 19 | 8,10 | 11,10 | 0,400 | 0,0070 | 0,1600 | 0,20 |
| 20 | 9,00 | 8,50 | 0,100 | 0,0015 | 0,0300 | 0,15 |
| 21 | 3,40 | 1,03 | 0,500 | 0,0030 | 0,1400 | 0,80 |
| 22 | 0,60 | 6,80 | 0,700 | 0,0020 | 0,1600 | 0,40 |
| 23 | 3,14 | 1,00 | 0,300 | 0,0130 | 0,2600 | 0,60 |
| 24 | 4,90 | 14,00 | 0,100 | 0,0050 | 0,1200 | 0,50 |
| 25 | 6,70 | 16,60 | 0,160 | 0,0020 | 0,1100 | 0,13 |
| 26 | 6,15 | 3,15 | 0,155 | 0,0080 | 0,1900 | 0.85 |
| 27 | 2,00 | 6,60 | 0,550 | 0,1000 | 0,0600 | 1,20 |
| 28 | 8,75 | 15,80 | 0,095 | 0,0035 | 0,0070 | 0,25 |
| 29 | 7,12 | 1,08 | 0,080 | 0,0060 | 0,0080 | 0,16 |
| 30 | 6,14 | 1,03 | 0,070 | 0,0065 | 0,0075 | 0,14 |
| 31 | 4,5 | 5,70 | 0,200 | 0,0130 | 0,1300 | 0,76 |
| 32 | 1,20 | 13,60 | 0,480 | 0,1250 | 0,2400 | 1,10 |
| 33 | 5,40 | 8,15 | 0,090 | 0,0120 | 0,0085 | 0,13 |
| 34 | 8,55 | 1,05 | 0,080 | 0,0005 | 0,006 | 0,04 |
| 35 | 9,00 | 2,40 | 0,075 | 0,0003 | 0,005 | 0,07 |
Задача 3. Рассчитать суммарный показатель химического загрязнения озера и оценить экологическое состояние воды по данным, приведенным в табл. 3.8.
Табл. 3.8. Исходные данные для расчета суммарного показателя
химического загрязнения ПХЗ-10
| № варианта | Алюминий | Медь | Свинец | Цинк | Железо | Хром | Кобальт | Фтор | Никель | Натрий | Фенол | Ванадий |
| 1 | 0,005 | 0,019 | 0,01 | 0,002 | 0,030 | 0,021 | 0,045 | 0,002 | 0,050 | 0,070 | 0,022 | 0,090 |
| 2 | 0,400 | 0,100 | – | 0,900 | 1,000 | 0,040 | 0,080 | 0,500 | 0,600 | – | 0,080 | 0,090 |
| 3 | 0,600 | – | 0,900 | – | 0,001 | 0,008 | 0,900 | 0,004 | – | 0,001 | – | – |
| 4 | 0,070 | – | 0,060 | 0,080 | – | 0,021 | 0,060 | 0,006 | 0,080 | 0,030 | 0,110 | 0,010 |
| 5 | – | – | 0,080 | 0,200 | 0,060 | – | 0,040 | 0,010 | 0,090 | – | 0,013 | 0,100 |
| 6 | 0,500 | 0,090 | 0,040 | 0,044 | – | 0,030 | – | 0,050 | 0,120 | 0,050 | 0,80 | 0,500 |
| 7 | 0,040 | 0,008 | – | 0,005 | 0,060 | – | 0,004 | 0,010 | 0,002 | 0,001 | 0,030 | 0,050 |
| 8 | – | 0,050 | 0,500 | 0,100 | 0,500 | 0,160 | 0,100 | 0,500 | – | – | – | 0,400 |
| 9 | 0,020 | 0,010 | 0,018 | 0,110 | 0,002 | 0,210 | 0,340 | 0,009 | 0,125 | 0,001 | 0,007 | 0,007 |
| 10 | – | 0,130 | – | 0,060 | 0,130 | 0,200 | 0,007 | 0,008 | – | 0,40 | 0,300 | |
| 11 | – | 0,050 | 0,007 | 0,005 | 0,040 | 0,008 | 0,050 | 0,007 | 0,400 | 0,006 | – | |
| 12 | – | – | 0,050 | 0,021 | 0,080 | 0,014 | 0,040 | 0,050 | 0,015 | 0,050 | 0,010 | 0,200 |
| 13 | 0,040 | – | 0,007 | 0,010 | – | 0,007 | 0,080 | – | 0,600 | – | 0,004 | 0,500 |
| 14 | 0,060 | 0,008 | 0,030 | 0,040 | 0,050 | – | 0,040 | 0,003 | – | – | 0,080 | 0,400 |
| 15 | 0,080 | 0,001 | 0,040 | 0,030 | 0,050 | 0,035 | 0,010 | 0,040 | 0,020 | 0,010 | 0,120 | 0,040 |
| 16 | – | 0,010 | 0,700 | 0,100 | 0,500 | 0,200 | 0,050 | – | – | – | – | 0,450 |
| 17 | – | 0,009 | 0,060 | 0,008 | 0,001 | 0,004 | 0,006 | 0,050 | 0,006 | – | 0,100 | 0,004 |
| 18 | 0,008 | 0,007 | 0,020 | 0,034 | – | – | 0,040 | 0,002 | 0,015 | 0,050 | 0,260 | 0,030 |
| 19 | 0,800 | – | 0,009 | 0,450 | 0,006 | – | 0,080 | 0,050 | 0,090 | 0,600 | 0,100 | |
| 20 | 0,090 | 0,002 | 0,060 | 0,050 | 0,010 | – | – | – | 0,030 | 0,021 | – | |
| 21 | 0,070 | – | 0,400 | – | 0,800 | 0,070 | – | 0,050 | – | 0,008 | 0,040 | 0,006 |
| 22 | 0,070 | – | 0,080 | 0,070 | – | 0,042 | 0,060 | 0,002 | 0,080 | 0,030 | 0,016 | 0,010 |
| 23 | 0,800 | 0,040 | 0,500 | 0,300 | 0,500 | – | 0,050 | 0,500 | 0,050 | – | 0,030 | 0,350 |
| 24 | – | – | 0,080 | 0,020 | 0,060 | – | 0,040 | 0,010 | 0,090 | – | 0,010 | |
| 25 | 0,007 | 0,007 | 0,080 | 0,008 | – | 0,040 | 0,005 | 0,009 | – | 0,180 | 0,050 | 0,550 |
| 26 | 0,002 | 0,800 | 0,006 | 0,050 | 0,400 | 0,008 | 0,100 | 0,030 | – | – | 0,530 | |
| 27 | – | 0,030 | 0,006 | 0,004 | 0,100 | 0,016 | 0,020 | 0,030 | 0,110 | – | 0,210 | 0,007 |
| 28 | – | 0,020 | 0,500 | 0,100 | 0,500 | 0,600 | 0,300 | 1,000 | 0,300 | – | 0,200 | 0,150 |
| 29 | 0,800 | 0,040 | 0,030 | 0,050 | 0,120 | 0,220 | 0,450 | 0,001 | 0,070 | 0,120 | 0,007 | 0,060 |
| 30 | – | 0,100 | – | 0,970 | 1,000 | 0,800 | – | 2,500 | – | – | 0,100 | 0,100 |
| 31 | – | 0,420 | 0,050 | 0,550 | 0,720 | 0,030 | – | 0,100 | 0,520 | – | – | – |
| 32 | 0,004 | 0,020 | 0,030 | 0,003 | 0,009 | 0,005 | 0,020 | 0,160 | 0,0080 | – | 0,006 | 0,004 |
| 33 | 0,009 | 0,007 | 0,050 | 0,050 | – | 0,400 | 0,030 | – | 0,001 | 0,020 | 0,420 | 0,350 |
| 34 | 0,070 | 0,090 | 0,620 | – | 0,350 | – | 0,020 | 0,320 | 0,050 | 0,620 | 0,050 | 0,020 |
| 35 | 0,120 | 0,080 | 0,060 | 0,160 | 0,007 | 0,002 | 0,320 | 0,007 | 0,450 | 0,090 | 0,007 | 0,007 |