Оптимизация качества и уровень безопасности пресных вод Республики Тыва

Введение. Актуальность. Речная сеть в Республике Тыва хорошо развита, однако качество поверхностных вод в ряде районов не соответствует требованиям СанПиН [3]. Так, воды трех крупнейших рек Тувы (Енисей, Хемчик и Элегест) отнесены к III классу качества – загрязненные, IV классу – грязные и V классу – очень грязные. Средняя концентрация меди, фенолов и нефтепродуктов за 1999–2008 годы составила в них соответственно 203, 25 и 6 ПДК. К специфическим условиям водопользования в Туве следует отнести практически полное отсутствие зон санитарной охраны в районах вскрытий водоносных горизонтов.

Значительную роль в загрязнении подземных вод оказывают депонированные объекты бытовых и промышленных отходов. В водах скважин, расположенных в 20 м ниже по потоку от иловых полей, обнаруживается марганец, медь, свинец, цинк, фосфорорганика, хром в повышенных (по сравнению с фоновыми) содержаниях.

Существующие рекомендации в республике не отвечают требованиям современных разработок по геотехнике и конструированию объектов депонирования отходов в развитых странах Европы.

Цель исследований: с использованием интегральных показателей качества гидросферы оценить уровень экологической безопасности и степень обеспеченности населения Республики Тыва питьевой водой для управленческих решений.

Научная новизна. Впервые в диагностике гидросферы проведена комплексная оценка качества пресных вод и обоснован методический подход к разработке системы управления безопасностью гидросферы.

Практическая значимость: научно обоснованные предложения по обеспечению экологической безопасности гидросферы позволяют разработать систему управляющих мероприятий.

Оптимизация качества вод

Основными источниками загрязнения поверхностных вод в Республике Тыва являются промышленные выбросы, химизация сельскохозяйственного производства и объекты депонированных отходов. Существенную роль в загрязнении гидросферы играет верхний слой литосферы. Почву мы рассматриваем с трех взаимосвязанных позиций: как накопитель и преобразователь поступающих на поверхность почвы загрязняющих веществ, как экран на пути их продвижения вглубь и поступления в грунтовые воды и как вторичный источник загрязнения подземных вод. Этому способствует наличие в зоне аэрации хорошо водопроницаемых галечников и отсутствие во многих районах республики водоупорных глин. Поэтому микробному загрязнению могут подвергаться грунтовые воды при наличии полей ассенизации и фильтрации, скотных дворов, выгребных ям, через которые идет прямая фильтрация загрязненных вод.

Оценка уровня безопасности поверхностных вод

Оценка уровня безопасности поверхностных вод проводилась по четырем показателям [2]. В качестве исходного критерия использовался комплексный показатель – индекс загрязнения воды (ИЗВ), определяемый по 6–7 показателям. В зависимости от величины ИЗВ участки водных объектов можно разделить на пять уровней (табл. 1).

Таблица 1

Характеристика качества поверхностных вод в зависимости от индекса загрязнения воды

Класс качества	Характеристика качества воды	ИЗВ
1	Чистая	<1,0
2	Умеренно загрязненная	1,0–2,5
3	Загрязненная	2,5–4,0
4	Грязная	4,0–6,0
5	Очень грязная	>6,0

Индексы загрязнения воды сравниваются для водных объектов одной биогеохимической провинции и сходного типа, для одного и того же водотока (по течению, во времени и т. д.).

Первым показателем является уровень безопасности загрязнения воды водоемов и водотоков ( К бзвв ), определяемый через пороговые значения ИЗВ по формуле

K БЗВВ

n

1 - [Е ( i=1

ИЗВ , - ИЗВ min

ИЗВ тах — ИЗВ min

^Q рс i Q рс

)

n Е i = 1

ИЗВ- ИЗВ min Q B, A 4

ИЗВ max - ИЗВ min Q B

где ИЗВⁱ – индекс загрязнения воды в i -м водоеме;

ИЗВ ^min – допустимый уровень загрязнения воды равен 1;

ИЗВ ^max – условно максимально возможный уровень загрязнения воды, принимаемый за 10 единиц;

QQ рсi

рсi

,

^Q B i ^{Q ,}

^рс – объем речного стока i- го водоема и общий сток рек в республике;

^B – объем воды в i -м водоеме и общий объем воды в водоемах республики.

Водоемы и водотоки с ИЗА менее ИЗВ min в расчете не отражаются.

Оценка уровня безопасности по загрязнению воды представлена в виде следующей шкалы (табл. 2).

Уровень безопасности по загрязнению воды

Таблица 2

Индекс	Уровень безопасности
I	>0,8	Высокий
II	0,8–0,7	Приемлемый
III	0,7–0,6	Средний
IV	0,6–0,5	Критический
V	<0,5	Катастрофический

Вторым показателем является уровень безопасности по дефициту пресной воды. В настоящее время критерием измерения количества пресной воды является показатель водного стресса КВС, который представляет собой отношение хозяйственного водозабора к естественному стоку пресной воды. В соответствии с международной классификацией критическим является уровень при КВС <5, т.е. в случае забора более 20% пресной воды от его естественного стока.

Уровень безопасности по дефициту пресной воды ( К БДПВ ) определяется по формуле

К БДПВ

=∫

( х - µ )

1         2 σ ²

2 π е е

где x – показатель водного стресса (К ВС );

• µ – математическое ожидание;

• σ 2 – дисперсия.

n i∑=1 SiKBCi µ= n .

∑ i=1 S i n               2

² i ∑= 1 ^{Si (} µ - ^{K BC}i ⁾

σ = _n ∑ i = 1 ^Si

где _{S i} ,

KBCi

– площадь и показатель водного стресса i -го района.

Уровень безопасности по дефициту пресной воды представлен в таблице 3.

Уровень безопасности по дефициту пресной воды

Таблица 3

Индекс	Уровень безопасности
I	>0,9	Высокий
II	0,9–0,8	Приемлемый
III	0,8–0,7	Средний
IV	0,7–0,6	Критический
V	<0,6	Катастрофический

При уровне безопасности по дефициту пресной воды менее 0,6 риск нехватки пресной воды составляет более 40%.

Третьим показателем экологической безопасности водной среды является обеспеченность населения питьевой водой. Количественную оценку ее характеризует доля населения (%), обеспеченная водой в необходимом объеме из систем централизованного и децентрализованного водоснабжения.

V i = Pb. ⁺ P д г

где Vi - обеспеченность питьевой водой i- го района в необходимом количестве, %;

,

^Bt Д i - обеспеченность питьевой водой i- го района соответственно из водопроводной сети и децентрализованных источников, %.

Качественная оценка водообеспеченности учитывает степень загрязненности питьевой воды гидрохимическими и гидробиологическими ингредиентами и представляет собой долю населения района (%), обеспеченных водой, степень загрязнения которой не превышает ПДК

К‘ =1 ~Pb,(xвi + me,) PДi (xДi + mД),

где K – обеспеченность населения водой, %;

x„, m„ в   в,- удельный вес проб водопроводной воды i-го района, не соответствующий норматив-

ным документам соответственно по химическим и микробиологическим показателям.

Показатель уровня экологической безопасности по питьевой воде, определяемый на основе интегрированной оценки обеспеченности районов водой, представляет собой результат свертки данных, т.е. пере-

хода от частных критериев (количественных и качественных оценок) к одному обобщенному коэффициенту

безопасности потребления воды

K

. БПВ

K БПВ

Е h ( Vi + к . - 1 ) i =1 ____________________________________________

n

Е н ,

= 1

где H i - количество населения i- го района.

Критерии оценки водообеспеченности населения представлены в таблице 4.

Таблица 4

Индекс	Градация по степени водообеспеченности, %	Обобщенная оценка степени водообеспеченности
I	100–95	Удовлетворительная
II	95–90	Напряженная
III	90–75	Критическая
IV	75–50	Предкризисная
V	50–0	Кризисная

Критерии оценки водообеспеченности населения

Степень водообеспеченности населения Республики Тыва характеризуется как удовлетворительная.

Уровни безопасности по дефициту пресной воды представлены в таблице 5.

Уровни безопасности по дефициту пресной воды

Таблица 5

Индекс	Уровень безопасности
I	>0,95	Высокий
II	0,95–0,9	Приемлемый
III	0,9–0,8	Средний
IV	0,8–0,6	Критический
V	<0,6	Катастрофический

Согласно расчетам уровень безопасности по дефициту пресной воды в республике – высокий. Для водной среды (гидросферы) мы выделяем три показателя безопасности, которые ранжируются по видам угроз. Их весовые показатели оцениваются по следующим критериям: значимости, управляемости, масштабу угроз – α (х1, х2, х3) (табл. 6).

Оценка критериев показателей по водной среде

Таблица 6

Критерий оценки	Показатель безопасности по загрязнению водоемов		Показатель безопасности по деградации воды		Показатель безопасности питьевой воды
Значимость (х1)	Очень значимые	2	Крайне значимые	3	Крайне значимые	3
Управляемость (х2)	Хорошо управляемые	3	Управляемые	2	Хорошо управляемые	3
Масштаб угроз (х3)	Локальные	1	Глобальные	3	Национальные	2
Всего		6		8		8

Интегральный показатель уровня экологической безопасности воды К определяется по формуле

n

К ЭБВ

= ∑ α i К Б _i , i = 1

где К Бi – частный i- й показатель ранжирования по критериям оценки (х1, х2, х3);

n – количество значимых угроз для управления безопасностью;

α i – вклад i- го показателя безопасности в общий интегральный вклад экологической безопасности гидросферы.

Как правило, вес каждого показателя безопасности оценивается методом субъективной оценки на основе результатов экспертного анализа географической матрицы

α х 11 х 12 х 13 α х 21 х 22 х 23 α х 31 х 32 х 33 .

Столбцы матрицы представляют собой оценку безопасности гидросферы по трем критериям: по значимости, управляемости, масштабу угроз и могут изменяться в пределах количественных значений от 1 до 3. Трехбалльная шкала сокращает число альтернатив, снижая разброс экспертных мнений при определении весовых показателей. Для элиминирования (исключения) человеческого фактора и снижения субъективизма в оценке весовых показателей коэффициент α целесообразно вычислять по формуле

ai=

E Xj i=1_______

E Xj i=1

Критерии оценки экологической безопасности воды и вклад каждого фактора в интегральный показатель представлены в таблице 7.

Критерии оценки экологической безопасности воды и вклад весовых показателей

Таблица 7

Показатель безопасности	Составляющие показателя	Вклад каждого показателя α
Безопасность загрязнения водоемов и водотоков К БЗВВ	Индекс загрязнения воды	0,364
Безопасность дефицита пресной воды К БДПВ	Показатель водного стресса	0,364
Безопасность по питьевой воде К БПВ	Показатель качества и доступности питьевой воды	0, 272

Практические рекомендации

Для Республики Тыва следует рекомендовать естественную биологическую очистку сточных вод в соответствии с требованиями канализования.

• 1.    Поля орошения выполняют функции обезвреживания сточных вод, предназначенных для орошения и удобрения сельскохозяйственных культур. Устройство таких полей не разрешается на территориях, находящихся в пределах I и II поясов зон санитарной охраны источников централизованного водоснабжения и минеральных источников; в непосредственной близости от мест выклинивания водоносных горизонтов, а также при наличии трещиноватых пород и закарствованных, не перекрытых водоупорным слоем; на территориях с грунтовыми водами менее 1,25 м от поверхности.

• 2.    Поля фильтрации используются для очистки жидкой фазы сточных вод. Требования при выборе территории для этих целей остаются те же, что и для полей орошения. Наиболее подходящими грунтами для полей фильтрации являются пески и супеси. Поля фильтрации следует располагать ниже водозаборных сооружений по течению грунтового потока. Расстояние от указанных объектов определяется величиной радиуса депрессионной воронки водозаборной скважины, но должно быть не меньше 200 м для легких суглинков, 300 м для супесей и 500 м для песков.

• 3.    Качеству вод будет способствовать внедрение на всех приисках по добыче золота системы оборотного водоснабжения, экранирование иловых полей и бортов городских очистных сооружений, контроль технического состояния плавательных средств, вынесение за пределы водоохранной зоны Кызылского пи-мокатно-кожевенного завода, а также ферм, животноводческих комплексов и купочных ванн.

• 4.    Cуществующий в республике могильник, предназначенный для захоронения не пригодных к использованию ядохимикатов, нуждается в рекультивации, так как выбор участка не отвечает геологическим, гидрологическим и экологическим требованиям, предъявляемым к депонированным объектам. Пренебрежение закономерностями природы привело к тому, что в подземных водах концентрация токсичных элементов составляет 1,8–48 ПДК. По прогнозным оценкам, через 10–12 лет признаки загрязнения могут проявиться в источнике минеральных вод аржаана «Бурен», находящегося в 11 км от могильника.

• 5.    Заслуживает внимания изучение влияния отстойников гидрозолоудаления ТЭЦ на изменение физических параметров водоносных горизонтов. Повышение температуры подземных вод (в настоящее время она на 2°С выше фоновой) способствует интенсификации химических реакций и дополнительному загрязнению токсичными соединениями.

• 6.    Сложившаяся ситуация вокруг действующего водозабора инфильтрационного типа, расположенного в пределах города Кызыла, требует строительства нового централизованного водозабора выше п. Каа-Хем. Депрессионная воронка водозабора уже достигла границы частного сектора, где нет канализационной

• 7.    Совершенствование форм и методов реализации Программы экологического образования населения Республики Тыва, где автор являлся исполнителем [1]. Она предусматривает систему непрерывного экологического образования от дошкольных учреждений до высших учебных заведений и производственных коллективов.

системы, и все бытовые стоки попадают непосредственно в водоносный горизонт аллювиальных отложений, что грозит возможностью бактериального загрязнения. Химическое загрязнение в водах района уже наблюдается в виде повышенных концентраций нитратов и аммония.

Заключение

В республике выявлена тенденция изменения экологического состояния гидросферы, адекватная антропогенной нагрузке. Уровни экологической безопасности оценены по пятибалльной шкале: I – высокий, II – приемлемый, III – средний, IV – критический, V – катастрофический. Степень водообеспеченности населения Республики Тыва удовлетворительная, уровень безопасности по дефициту пресной воды – высокий. Предлагаются дифференцированные управленческие решения по мероприятиям, способствующим экологической безопасности пресным водам.