Современная экологическая обстановка в отдельных странах и регионах оставляет желать лучшего. Миссия нашего сайте — обеспечить русскоязычных жителей планеты Земля актуальной информацией о защите окружающей среды, экологической безопасности и экологии в целом.

Полезные ресурсы и публикации:
-

Е.В. Логинова, П.С. Лопух
Гидроэкология: курс лекций

Минск: БГУ, 2011.– 300 с.

Предыдущая

Глава 9. Критерии оценки качества водных экосистем

Критериями оценки качества является любая совокупность количественных показателей, характеризующих свойства изучаемых объектов и используемых для их классифицирования или ранжирования. Оценка качества пресноводных водоемов осуществляется по трем основным аспектам, включающим следующие комплексы показателей:

-  факторы, связанные с физико-географическим и гидрологическим описанием водоема, как целостного природного или водохозяйственного объекта;

-  контролируемые показатели состава и свойств водной среды, дающие формализованную оценку качества воды и ее соответствия действующим нормативам;

-  совокупность критериев, оценивающих специфику структурно-функциональной организации сообществ гидробионтов и динамику развития водных биоценозов.

Критерии качества воды – «характеристики состава и свойств воды, определяющие пригодность ее для конкретных видов водопользования». Современное понимание нормативов качества окружающей среды связывается также с «обеспечением устойчивого функционирования естественных экологических систем и предотвращением их деградации».

При определении степени экологического неблагополучия водоемов оценивается два основных фактора:

-  опасное для здоровья людей снижение качества питьевой воды и санитарно-эпидемиологического загрязнения водных объектов рекреационного назначения (т.е. фактор изменения среды обитания человека);

-  создание угрозы деградации или нарушения функций воспроизводства основных биотических компонентов естественных экологических систем водоемов (т.е. "общеэкологический" фактор изменения природной среды).

Как экологическое, так и санитарно-гигиеническое нормирование основаны на знании негативных эффектов, являющихся результатом биохимического воздействия разнообразных факторов на отдельные рецепторы, физиологические системы живых организмов или их популяции. Одним из важных понятий в токсикологии и медико-биологическом нормировании является понятие «вредного вещества». В специальной литературе принято называть вредными все вещества, воздействие которых на биологические системы может привести к отрицательным последствиям как в результате однократного действия, «так и в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений» [ГОСТ 12.1.007-76]. Исходя из известного тезиса Парацельса «Ничто не лишено ядовитости», все ксенобиотики (чужеродные для живых организмов или искусственно синтезированные химические соединения) изначально рассматриваются как вредные вещества.

Для нормирования содержания любых веществ в воде по отношению к гидробионтам и человеку применяют такой критерий как порог критического действия. Порог критического действия – это минимальная доза вещества, при воздействии которой в организме возникают изменения, выходящие за пределы физиологических и приспособительных реакций, или появляется скрытая патология [Трахтенберг с соавт., 1991].

Оценка величины критического воздействия в реальных условиях нормирования связана с целым рядом проблем:

1.  Химическое загрязнение представляет собой последовательность разовых концентраций, характеризующую изменение уровней воздействия во времени и в пространстве. Поэтому рассчитывают критические нагрузки при суточной, недельной, месячной и другой экспозиции.

2.  Постепенно при постоянном загрязнении возникает стадия компенсации, которая может поддерживаться неограниченно долго. В течение данной фазы, ранее выявленные патологические сдвиги либо вовсе исчезают ("истинная адаптация"), либо накапливаются на подпороговом уровне.

3.  Разница между порогами однократного и хронического действия отражает сложный процесс материальной и функциональной кумуляции, зависящий от многих факторов: вида воздействия, динамики изменения возмущений, природы реципиента и проч.

Степень токсичности веществ принято характеризовать величиной токсической дозы – количеством вещества (отнесенным, как правило, к единице массы животного или человека), вызывающим определенный токсический эффект. Чем меньше токсическая доза, тем выше токсичность. Различают среднесмертельные (ЛД50), абсолютно смертельные (ЛД100), минимально смертельные (ЛД0-10) и др. дозы. Цифры в индексе отражают вероятность ( %) появления определенного токсического эффекта – в данном случае, смерти, в группе подопытных животных.

Другой важный критерий оценки действия вредного вещества устанавливается законодательно. Это предельно допустимая концентрация (ПДК)«максимальное количество вредного вещества в единице объёма или веса, которое при ежедневном воздействии в течение неограниченно продолжительного времени не вызывает в организме каких-либо патологических отклонений, а также неблагоприятных наследственных изменений у потомства. Для установления ПДК используют расчётные методы, результаты биологических экспериментов, а также материалы динамических наблюдений за состоянием здоровья лиц, подвергшихся воздействию вредных веществ».

Главенствующим подходом в нормировании качества вод является санитарно-гигиенический.

Содержание химических веществ в окружающей среде начали контролировать еще в 1925 г., когда определили первые значения ПДК для воздушной среды рабочей зоны. В 1949 г. впервые были установлены некоторые ПДК для атмосферного воздуха, а в 1950 г. – для воды. Современное санитарно-гигиеническое нормирование охватывает все среды, включая почву, продукты питания и т.д., а также различные пути поступления вредных веществ в организм.

Нормативы, ограничивающие вредное воздействие, устанавливаются и утверждаются специально уполномоченными государственными органами в области охраны окружающей природной среды, санитарно-эпидемиологического надзора и совершенствуются по мере развития науки и техники с учетом международных стандартов. Существует большое количество справочников, содержащих подробную и исчерпывающую информацию о ПДК и токсикологических показателях различных химических веществ.

Под санитарно-гигиеническими показателями качества воды понимаются характеристики ее состава и свойств, определяющие пригодность воды для использования человеком или в качестве среды для обитания некоторых видов фауны (в первую очередь, промысловых рыб). В целях контроля за качеством воды были разработаны и приняты основополагающие документы, которые устанавливают порядок обоснования нормативов, санитарные требования и значения ПДК для воды с учетом рекомендаций ВОЗ.

В соответствии с Санитарными правилами и нормами СанПиН 2.1.4.1074-01 «питьевая вода должна быть безопасна в эпидемиологическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и должна иметь благоприятные органолептические свойства». В ходе обоснования ПДК для каждого вещества предварительно определяется класс опасности, который характеризует следующие свойства ксенобиотиков:

-  способность к накоплению в организме и кумуляции эффекта вредного действия;

-  вероятность вызывать отдаленные последствия (т.е. степень опасности хронического отравления);

-  скорость резорбции вещества тканями живого организма (более опасны гидрофильные и липофильные химические соединения, легко проникающие к чувствительным центрам биореципиентов).

Вещества делятся на следующие классы опасности:

-  1 класс – чрезвычайно опасные вещества, для которых проводится полная схема тестирования (острый, подострый, хронический и пожизненный опыты на разных группах животных);

-  2 класс – высоко опасные вещества, изучаемые по развернутой схеме;

-  3 класс – опасные соединения, для которых не ставится хронический эксперимент;

-  4 класс – умеренно опасные вещества, нормируемые по экспрессной схеме.

Экспериментально обосновываются ПДК для водоемов двух классов:

-  Предельно допустимая концентрация в воде водоема хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ПДКв) – это максимальная концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать прямого или косвенного влияния на организм человека в течение всей его жизни и на здоровье последующих поколений, и не должна ухудшать гигиенические условия водопользования [СанПиН 2.1.5.980-00];

-  Предельно допустимая концентрация в воде водоема, используемого для рыбохозяйственных целей (ПДКвр) – это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать вредного влияния на популяции рыб, в первую очередь промысловых.

При обосновании ПДК одновременно устанавливается и ЛПВ – лимитирующий (или минимальный из всех перечисленных значений) показатель вредности по наиболее чувствительному звену. ЛПВ имеет значение при оценке комбинированного действия смеси веществ. Например, при обнаружении в питьевой воде нескольких химических соединений, относящихся к 1 и 2 классам опасности и нормируемых по одному и тому же признаку вредности, необходимо определить сумму отношений фактических концентраций C каждого из них к величине его ПДК. В результате эта сумма не должна превышать по общепринятой методике:

Предельно допустимая концентрация вещества в воде устанавливается:

·                     для хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ПДКв) с учетом трех показателей вредности:

·                      органолептического;

·                      общесанитарного;

·                      санитарно-токсикологического.

·                     для рыбохозяйственного водопользования (ПДКвр) с учетом пяти показателей вредности:

·                      органолептического;

·                      санитарного;

·                      санитарно-токсикологического;

·                      токсикологического;

·                      рыбохозяйственного.

Органолептический показатель вредности характеризует способность вещества изменять органолептические свойства воды. Общесанитарный – определяет влияние вещества на процессы естественного самоочищения вод за счет биохимических и химических реакций с участием естественной микрофлоры. Санитарно-токсикологический показатель характеризует вредное воздействие на организм человека, а токсикологический – показывает токсичность вещества для живых организмов, населяющих водный объект. Рыбохозяйственный показатель вредности определяет порчу качеств промысловых рыб.

Наименьшая из безвредных концентраций по трем (пяти) показателям вредности принимается за ПДК с указанием лимитирующего показателя вредности.

Рыбохозяйственные ПДК должны удовлетворять ряду условий, при которых не должны наблюдаться:

·  гибель рыб и кормовых организмов для рыб;

·  постепенное исчезновение видов рыб и кормовых организмов;

·  ухудшение товарных качеств обитающей в водном объекте рыбы;

·  замена ценных видов рыб на малоценные.

Другим, более ценным с точки зрения защиты внутриводоемной среды, является общеэкологический подход к нормированию качества.

В связи с этим следует отметить, что система критериев ПДК длительное время подвергается в целом аргументированной критике, так как давно наметилась тенденция к оценке состояния водных объектов не с точки зрения потребностей конкретного природопользователя, а с точки зрения сохранения структуры и функциональных особенностей всей экосистемы в целом. Основные претензии к действующей системе ПДК сводится к следующему:

1.  Концентрация веществ в воде не отражает токсикологическую нагрузку на экосистему, так как не учитывает процессы аккумуляции веществ в биологических объектах и донных отложениях, т.е. не учитывается предыстория, связанная с накоплением в водной среде загрязняющих веществ.

2.  Видовая приспособляемость водных животных зависит не столько от специфики механизмов действия ядов, сколько от уровня организации организма и от его отношения к общему фону загрязнения, обусловленному соответствующими механизмами адаптации, сформировавшимися в результате длительного эволюционного процесса.

3.  ПДК не учитывают специфику функционирования водных экосистем в различных природно-климатических зонах (широтная и вертикальная зональность) и биогеохимических провинциях (естественные геохимические аномалии с различным уровнем содержания природных соединений).

4.  Не учитываются эффекты синергизма, антагонизма, суммации.

5.  Не решена проблема нормы и патологии в водной токсикологии, в частности не принимается во внимание принцип эмерджентности, т.е. качественного своеобразия функционирования и устойчивости биосистем на разных уровнях их организации (от молекулярного до экосистемного).

6.  При обосновании ПДК не учитывается разный трофический статус экосистем, сезонные особенности природных факторов, на фоне которых проявляется токсичность загрязняющих веществ.

Таким образом, основными задачами экологического нормирования и водной токсикологии должны стать:

-  оценка влияния токсических веществ не только на отдельные организмы, но и на надорганизменные системы (популяции и сообщества), которым свойственны специфические реакции на антропогенные факторы;

-  составление приоритетного списка веществ, на которые живые организмы реагируют наиболее активно, с учетом как их количества и степени токсичности, так и трансформации в водной экосистеме.

В качестве основных гидрохимических показателей оценки состояния поверхностных вод выбираются, в первую очередь, токсичные, приоритетные загрязняющие вещества, в том числе обладающие кумулятивными свойствами накапливаться в органах и тканях гидробионтов. Для совокупной оценки опасных уровней загрязнения водных объектов при выделении зон чрезвычайной экологической ситуации и экологического бедствия предлагается использовать формализованный суммарный показатель химического загрязнения. Предполагается, что этот показатель особенно важен для территорий, где загрязнение химическими веществами наблюдается сразу по нескольким веществам, каждый из которых многократно превышает допустимый уровень ПДК. В дополнительные показатели включены некоторые общепринятые физико-химические параметры, дающие общее представление о составе и качестве вод. Для характеристики процессов, происходящих в водных объектах, приводятся также коэффициенты, учитывающие способность загрязняющих веществ накапливаться в донных отложениях (КДА) и гидробионтах (Кн).

Коэффициент донной аккумуляции (КДА) определяется как отношение концентрации веществ (документ не определяет, каких именно) в донных отложениях Сдо к концентрации тех же веществ в воде Свода.:

КДА = Сдо / Свода.

Коэффициент накопления в гидробионтах (Кн) определяется как отношение концентрации веществ в гидробионтах Сгидробионт к концентрации тех же веществ в воде Свода.:

КДА = Сгидробионт / Свода

Само по себе санитарно-гигиеническое нормирование не предполагает выделение классов качества воды и водоемов, вернее, предполагается только два класса качества: с соблюдением гигиенических нормативов ("норма") и с нарушением нормативов ("патология"). Однако, на практике применяются комплексные подходы к оценке качества воды, в первую очередь такие, как индексы загрязнения и классификации качества вод [по Протасову В.Ф.].

Одним из таких общеизвестных индексов является гидрохимический индекс загрязнения воды (ИЗВ). ИЗВ установлен Госкомгидрометом СССР и относится к категории показателей, наиболее часто используемых для оценки качества водных объектов (впрочем, необходимость его применения не подтверждается). Этот индекс является типичным коэффициентом и представляет собой среднюю долю превышения ПДК по строго лимитированному числу индивидуальных ингредиентов:

,

где: Ci – концентрация компонента (в ряде случаев – значение физико-химического параметра); n – число показателей, используемых для расчета индекса, n = 6; ПДКi – установленная величина норматива для соответствующего типа водного объекта (по методике, применяемый в Департаменте по гидрометеорологии Министерства природных ресурсов, используются следующие показатели: содержание растворенного кислорода, аммонийного азота, нитритного азота, нефтепродуктов, летучих фенолов, величина БПК5.

При расчете индекса загрязнения вод для всего множества нормируемых компонентов, включая биологическое потребление кислорода БПК5 и содержание растворенного кислорода, находят отношения Ci / ПДКi фактических концентраций к ПДК и полученный список сортируют. Для определения соотношения содержания растворенного кислорода используют ОБРАТНОЕ соотношение! ИЗВ рассчитывают строго по шести показателям, имеющим наибольшие значения приведенных концентраций, независимо от того превышают они ПДК или нет.

При расчете ИЗВ для составляющих Ci / ПДКi по неоднозначно нормируемым компонентам применяется ряд следующих условий:

-  для биологического потребления кислорода БПК5 (ПДК – не более 3 мг O2/дм3 для водоемов хозяйственно-питьевого водопользования и не более 6 мг O2/дм3 для водоемов хозяйственно-бытового и культурного водопользования) устанавливаются специальные значения нормативов, зависящие от самого значения БПК5 ;

-  концентрация растворенного кислорода нормируется с точностью до наоборот: его содержание в пробе не должно быть ниже 4 мг/дм3 , поэтому для каждого диапазона концентраций компонента устанавливаются специальные значения слагаемых Ci/ПДКi:

В зависимости от величины ИЗВ участки водных объектов подразделяют на классы (табл. 9.1). Устанавливается требование, чтобы индексы загрязнения воды сравнивались для водных объектов одной биогеохимической провинции и сходного типа, для одного и того же водотока, а также с учетом фактической водности текущего года.

 

Таблица 9.1.

Классы качества вод в зависимости от значения индекса загрязнения воды

Воды

Значения ИЗВ

Классы качества вод

Очень чистые

до 0,2

I

Чистые

0,2–1,0

II

Умеренно загрязненные

1,0–2,0

III

Загрязненные

2,0–4,0

IV

Грязные

4,0–6,0

V

Очень грязные

6,0–10,0

VI

 

Системы классификации качества воды. Рассмотрим две из них, наиболее известные и часто применяемые на практике.

Система классификации качества воды по А.А. Былинкиной и С.М. Драчеву. Эта классификация впервые заложила основы шестибалльной шкалы классификации водоемов. Оценка качества воды осуществляется с использованием следующих показателей:

-  химические показатели состояния водоемов (табл. 9.2);

-  бактериологические и гидробиологические показатели (табл. 9.3);

-  показатели состояния водоемов по физическим и органолептическим свойствам (табл. 9.4).

 

Таблица 9.2

Химические показатели состояния водоемов

Примечание: Окисляемость относится к рекам с цветностью воды не более 30о

 

Таблица 9.3

Бактериологические и гидробиологические показатели

Примечание: Биологический показатель загрязнения (БПЗ) или индекс Хорасавы, принятый в международном стандарте качества питьевой воды (1958 г.), представляет собой отношение количества одноклеточных организмов, не содержащих хлорофилла (В), к общему количеству организмов, включая содержащие хлорофилл (А), выраженное в % [Руководство по методам.., 1983] :

 

Таблица 9.4

Показатели состояния водоемов по физическим и органолептическим свойствам

Степень загрязнения

Взвешенные вещества мг/л

Прозрачность

Запах,

в

баллах

Нефть

рН

 

по Секки,

в м

по Снеллену,

в см

в баллах

в мг/л

Очень чистые

1–3

>2

>30

1

0

0.00

6.5–8.0

 

Чистые

4–10

2–1

30–20

2

1

0.1–0.2

6.5–8.5

 

Умеренно загрязненные

11–19

1–0.3

19–3.0

3

2

0.3

6.0–9.0

 

3агрязненные

20–50

0.3–0.1

2.0–1.0

4

3

1

5–6, 9–10

 

Грязные

51–100

0.1–0.02

<1.0–0.5

5

4

2

5–6, 9–10

 

Очень грязные

>100

<0.02

< 0.5

5

5

5

2–4, 11–13

 

В качестве главных показателей рекомендуется взять пять следующих: титр кишечной палочки, запах, БПК5, азот аммонийный и внешний вид водоема у места взятия проб (по степени загрязнения нефтью). Весьма важным показателем санитарного состояния водоемов является также содержание токсических веществ, в том числе, радиоактивных. «В качестве показателя степени загрязнения водоемов по содержанию токсических веществ можно принять отношение количества токсических веществ, найденных аналитически, к допустимым концентрациям, согласно существующим нормативам. В отношении содержания радиоактивных веществ показателем может быть взята суммарная b-активность, поскольку в отношении данного определения имеется наибольшее количество аналитических материалов» [Драчев, 1964].

Каждому из показателей придается приоритет – цифровое значение, соответствующее важности и значимости данного фактора. Если по различным показателям классификация водоема выполняется неоднозначно, то необходимо рассчитать общий показатель загрязнения путем усреднения числовых значений условных приоритетов. Коэффициенты для подсчета общего показателя и группировка водоемов по сумме признаков приведены в табл. 9.5.

Таблица 9.5

Система коэффициентов для выведения общего значения показателя

Наименование показателя

Степень загрязнения

Очень чистые

Чистые

Умеренно загрязненные

3агряз-ненные

Грязные

Очень грязные

Азот аммонийный

0

1

3

6

12

15

БПК5 и токсические вещества

0

1

5

8

12

15

Радиоактивность общая

0

1

3

5

15

25

Титр кишечной палочки

0

2

4

10

15

30

Запах

0

1

2

8

10

20

Внешний вид

0

1

2

6

8

10

Средне-суммарный коэффициент загрязнения

0–1

2

3–4

5–7

8–10

>10

Комплексная экологическая классификация качества поверхностных вод суши Жукинского А.П. Одной из первых попыток создания глобальных классификаций, построенных по экосистемному принципу, когда в классификационный рубрикатор включаются как гидрофизические и гидрохимические показатели (абиотическая составляющая), так и характеристики гидробионтов (биологическая составляющая экосистем), стала разработка Института гидробиологии АН УССР. В преамбуле указывается на следующее: «чтобы проследить и уяснить сущность и степень происходящих экологических изменений водных экосистем, необходимо иметь единую достаточно репрезентативную классификацию качества воды, охватывающую большинство компонентов водной экосистемы».

Схема общей иерархии показателей (строк) и градаций (столбцов) разработанной системы классификации представлена в таблице 9.6. В сущности, авторы предложили не единую классификацию, а три самостоятельных классификации: единую пятиклассно–девятиразрядную классификацию С для трех групп "экологических" показателей и две классификации А и B по минеральному составу воды, не совместимые ни с первой, ни друг с другом.

Таблица 9.6

Схема комплексной экологической классификации

по О.П. Оксиюк и В.Н. Жукинскому

 

Основная классификация качества воды по остальным трем группам показателей основана на девяти разрядах, которые агрегируются в пять классов, что "более привычно и близко к европейским стандартам" [Унифицированные методы.., 1977].

Предыдущая