Учет обобщенных показателей качества вод полезен при сравнении состояния водного объекта в разные временныe периоды и при сравнении разных объектов.

Гидробиологический показатель качества воды – индекс сапробности.

Все микроорганизмы, которые могут служить показателями загрязнения воды, делятся на катаробов и сапробов:

Катаробы – микроорганизмы, населяющие чистые ключевые воды;

Сапробы – микроорганизмы, находящиеся во всех пресных водах с разной загрязненностью.

Сапробные организмы разделяются на: полисапробные, живущие в очень загрязненных водах, составляющих полисапробную зону; мезасапробные, живущие в более чистых мезасапробных зонах водоема; олигосапробные, находящиеся в наименее загрязненных водах, образующих олигосапробную зону.

В зависимости от места обитания все водные организмы делятся на две основные группы: обитающие в толще воды и на дне бассейна.

Первая группа подразделяется на планктон, нектон и нейстон, вторая группа – бентос: планктон истинный – водоросли, веслоногие, ветвистоусые, ракообразные, коловратки и др; планктон ложный – мертвые организмы, древесина, уголь, обрывки тканей, кожи и др; нектон – рыбы, дельфины, головоногие моллюски и др.; нейстон – жгутиковые и простейшие (живут в тонком поверхностном слое воды); бентос – разные организмы – прикрепленные, закапывающиеся, свободно лежащие на дне и др.

Сапробность – комплекс физиологических свойств данного организма, обусловливающий его способность развиваться в воде, загрязненной органическими веществами с некоторой степенью разложения. Индекс сапробности рассчитывают исходя из индивидуальных характеристик сапробности видов, представленных в различных водных сообществах:

$$S=\frac{{{\displaystyle \sum }}_{i=1}^n\left(S_i{h}_i\right)}{{{\displaystyle \sum }}_{i=1}^n{h}_i}$$

(1)

где S – индекс сапробности, безразмерный; S_í – значение сапробности гидробионта, устанавливаемое по специальным таблицам; h_í – относительная встречаемость в поле микроскопа индикаторных организмов; n – число выбранных индикаторных организмов.

Каждому виду исследуемых организмов присвоено некоторое условное численное значение индивидуального индекса сапробности, отражающее совокупность его физиолого-биохимических свойств, обусловливающих способность обитать в воде с тем или иным содержанием органических веществ. Для статистической достоверности результатов необходимо, чтобы в пробе содержалось не менее 12 индикаторных организмов с общим числом особей в поле наблюдения каждого из 12 организмов не менее 30 шт.

В зависимости от значения S воды разделяют на классы чистоты (табл. 1п). Уровень загрязненности и класс качества водных объектов иногда устанавливают в зависимости от микробиологических показателей. Встречается и другая классификация загрязненности воды по микробиологическим показателям (табл. 2п).

Гидрохимический индекс загрязнения воды (ИЗВ). В 1986 г. были утверждены «Временные методические указания…» [3], которые официально регламентируют для использования в СССР в качестве комплексного показателя качества воды – гидрохимический индекс загрязнения воды (ИЗВ).

При наличии результатов анализов по достаточному количеству показателей можно определять классы качества воды, которые являются интегральной характеристикой загрязненности поверхностных вод. Классы качества определяются по индексу загрязненности воды (ИЗВ), который рассчитывается как сумма приведенных к ПДК фактических значений шести основных показателей качества воды по формуле

$ИЗВ=\frac{{{\displaystyle \sum }}_{i=1}^n\left(\frac{C_i}{ПД{К}_i}\right)}{6}$

(2)

где C_i – среднее значение определяемого показателя за период наблюдений (при гидрохимическом мониторинге это среднее значение за год); ПДК_i – предельно допустимая концентрация для данного загрязняющего вещества; 6 – число показателей, берущихся для расчета в данном случае.

Значение ИЗВ рассчитывают для каждого пункта отбора проб (створа) и по табл. 3п в зависимости от значения ИЗВ определяют класс качества воды.

В число шести основных, так называемых лимитируемых показателей, при расчете ИЗВ входят в обязательном порядке концентрация растворенного кислорода и значение БПК₅, a также значения еще четырех показателей, которые являются для данного водоема (воды) наиболее неблагополучными или имеют наибольшие приведенные концентрации.

Такими показателями, по опыту гидрохимического мониторинга водоемов, нередко бывают следующие: содержание нитратов, нитритов, аммонийного азота (в форме органических и неорганических аммонийных соединений), тяжелых металлов – меди, марганца, кадмия и др., фенолов, пестицидов, нефтепродуктов, ПАВ, лигносульфонатов. Для расчета ИЗВ показатели выбираются независимо от лимитирующего признака вредности, однако при равенстве приведенных концентраций предпочтение отдается веществам, имеющим санитарно-токсикологический признак вредности (как правило, такие вещества обладают относительно большей вредностью).

Очевидно, не все из перечисленных показателей качества воды могут быть определены полевыми методами. Задачи интегральной оценки осложняются еще и тем обстоятельством, что для получения данных при расчете ИЗВ необходимо проводить анализ по широкому кругу показателей, с выделением из их числа тех, по которым наблюдаются наибольшие приведенные концентрации. При невозможности проведения гидрохимического обследования водоема по всем интересующим показателям целесообразно определить, какие же компоненты могут быть загрязнителями.

Это делают на основе анализа доступных результатов гидрохимических исследований прошлых лет, а также сведений и предположений о вероятных источниках загрязнений воды. При невозможности выполнения анализов по данному компоненту полевыми методами (СПАВ, пестициды, нефтепродукты и др.) следует произвести отбор проб и их консервацию с соблюдением необходимых условий, после чего доставить пробы в требуемые сроки для анализа в лабораторию.

Таким образом, задачи интегральной оценки качества воды практически совпадают с задачами гидрохимического мониторинга, так как для окончательного вывода о классе качества воды необходимы результаты анализов по целому ряду показателей в течение продолжительного периода [3]. К недостаткам приведенного способа интегральной оценки качества воды, несмотря на его широкое распространение на практике, можно отнести следующее:

• Во-первых, учет изолированного действия отдельных химических веществ или их групп недостаточен для оценки фактической экологической ситуации в водоеме либо чистоты питьевой воды.
• Во-вторых, многие загрязняющие вещества, не вошедшие в группу из шести лимитированных показателей, выпадают из поля зрения исследователей. В их числе могут быть и те показатели, по которым имеется превышение ПДК, а также и те, по которым ПДК не превышены.
• В-третьих, в результате взаимодействия многих химических компонентов в воде, даже при их малых концентрациях, могут образовываться соединения, значительно более токсичные, чем исходные. Кроме того, совместное присутствие в воде некоторых токсичных веществ приводит к увеличению их токсичности (явление синергизма).
• В-четвертых (и это может быть самым существенным недостатком приведенного метода интегральной оценки качества воды), определение ИЗВ предполагает контроль только по гидрохимическим показателям, при этом от внимания исследователей ускользают микробиологические показатели, которые имеют часто решающее значение при оценке пригодности воды для нужд пищевого и бытового использования.

Формализованный суммарный показатель химического загрязнения вод (ПХЗ-10). В 1992 г. появляется методика Министерства природных ресурсов РФ «Критерии оценки экологической обстановки….» [5], где для характеристики загрязнения водных объектов используется формализованный суммарный показатель химического загрязнения вод (ПХЗ-10).

Применение ПХЗ-10 ограничено – он рассчитывается только при выявлении зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия. Расчет производится по десяти соединениям, максимально превышающим ПДК, по следующей формуле:

$ПХЗ10=\left(\frac{C_1}{ПД{К}_1}+\frac{C_2}{ПД{К}_2}+\frac{C_3}{ПД{К}_3}+?+\frac{C_{10}}{ПД{К}_{10}}\right)$

(3)

где ПДК_i – рыбохозяйственные нормативы; С_i – концентрация химических веществ в воде.

При определении ПХЗ-10 для химических веществ, по которым «относительно удовлетворительный» уровень загрязнения вод определяется как их «отсутствие», отношение С_i/ПДК_i условно принимается равным 1. Для установления ПХЗ-10 рекомендуется проводить анализ воды по максимально возможному числу показателей. При этом ПХЗ-10 рассчитывается отдельно для веществ 1 – 2-го и 3 – 4-го классов опасности. Полученное значение ПХЗ-10 загрязненности вод соответствует тому или иному параметру состояния окружающей среды (табл. 4п).

При использовании на практике данного интегрального показателя возникает явная нелогичность – для того чтобы получить право рассчитать ПХЗ-10, нужно иметь мнение о чрезвычайности ситуации, а для того, чтобы удостовериться в этой чрезвычайности, нужно рассчитать ПХЗ-10.

Комбинаторный индекс загрязненности воды (КИЗВ). Эпоха ИЗВ как основного в России показателя для оценки качества поверхностных вод заканчивается в 2002 г., когда вводится в действие Руководящий документ (далее РД) 52.24.643-2002 [8], где для обобщения информации о химическом составе вод предложен алгоритм расчета комбинаторного индекса загрязненности воды (КИЗВ) и удельного комбинаторного индекса загрязненности воды (УКИЗВ). Методика расчета данных показателей, как и в случае с ИЗВ, разрабатывалась Гидрохимическим институтом (ГХИ) Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет).

При расчете КИЗВ по сравнению с ИЗВ, кроме кратности превышения ПДК, учитывается еще повторяемость превышения ПДК. Это весьма важное дополнение хотя и усложняет оценку качества воды (при простоте расчетов требуется значительная обработка материала), но делает логически завершенным представление о загрязненности водного объекта.

Авторы данного метода не ограничивают количество ингредиентов, участвующих в расчете КИЗВ. Хотя, как показывает практический опыт, при оценке качества воды водных объектов, подверженных высокой антропогенной нагрузке (реки и водоемы в черте города), чем больше ингредиентов участвует в расчете КИЗВ, тем хуже результат оценки качества воды при помощи комбинаторного индекса загрязненности воды [7].

Определение КИЗВ осуществляется по следующей формуле:

$КИЗВ={\displaystyle \sum }_{i=1}^n(S_i)$

(4)

где S_i – обобщенный оценочный балл.

Расчет КИЗВ проводится в несколько этапов. Вначале устанавливается мера устойчивости загрязненности (по повторяемости случаев превышения ПДК):

$H_i=\frac{N_{ПД{К}_i}}{N_i}$ ,

(5)

где Н_i – повторяемость случаев превышения ПДК по i-му ингредиенту; N_ПДК – число результатов анализа, в которых содержание i-го ингредиента превышает его предельную допустимую концентрацию; N_i – общее число результатов анализа по i-му ингредиенту.

По признаку повторяемости можно выделить качественные характеристики загрязненности, которым затем присуждаются количественные выражения в баллах.

Второй этап установления уровня загрязненности основан на определении показателя кратности превышения ПДК:

$K_i=\frac{C_i}{C_{ПД{К}_i}}$ ,

(6)

где К_i – кратность превышения ПДК по i-му ингредиенту; С_i – концентрация i-го ингредиента в воде водного объекта, мг/л; С_ПДК – предельная допустимая концентрация i-го ингредиента, мг/л.

При анализе загрязненности воды водных объектов по кратности превышения нормативов отдельным загрязняющим веществом выделяются качественные характеристики загрязненности, которым присваиваются количественные выражения градаций в баллах.

Сочетая первую и вторую ступени классификации воды по каждому из учитываемых ингредиентов, получаем обобщенные характеристики загрязненности, условно соответствующие мере их влияния на качество воды за определенный промежуток времени. Качественным обобщенным характеристикам присвоены обобщенные оценочные баллы S_i, полученные как произведение оценок по отдельным характеристикам:

$S_i=H_i{K}_i$ .

(7)

Удельный комбинаторный индекс загрязнённости воды (УКИЗВ) рассчитывается как частное комбинаторного индекса и числа учитываемых веществ и показателей качества воды. Для комплексной оценки качества воды водного объекта используется значение УКИЗВ. УКИЗВ оценивает долю загрязняющего эффекта, вносимого в общую степень загрязн?нности воды, обусловленную одновременным присутствием ряда загрязняющих веществ.

Классификация качества воды, проведенная на основе значений УКИЗВ, позволяет разделять поверхностные воды на 5 классов в зависимости от степени их загрязненности (табл. 5п). Значение УКИЗВ может варьировать в водах различной степени загрязненности от 1 до 16. Большему значению индекса соответствует худшее качество воды.

Поскольку расчет данных показателей качества воды в отличие от ИЗВ включает кроме определения кратности превышения ПДК еще и определение повторяемости случаев превышения нормативных значений, КИЗВ и УКИЗВ как более точно отражающие ситуацию с качеством воды на сегодняшний день становятся приоритетными при оценке степени загрязненности (качества) вод. Сведения о загрязненности поверхностных вод России по величине УКИЗВ публикуются каждый год в Государственном докладе «О состоянии и об охране окружающей среды РФ» в разделе «Поверхностные воды. Общая оценка загрязненности водных объектов» и в Ежегоднике качества поверхностных вод.

Гидрологические показатели общей нагрузки потока загрязняющими веществами. В настоящее время при оценке качества воды в реках и водоемах обычно используются данные химического анализа проб воды, отобранных в отдельных точках водного объекта и в отдельные моменты времени, что не позволяет получить целостное представление о качестве воды как на отдельных участках, так и на водном объекте в целом, а также проследить за изменением загрязненности во времени.

В связи с этим в ГГИ были разработаны интегральные показатели оценки качества воды и загрязненности водных объектов, позволяющие учитывать изменчивость загрязненности водных масс во времени и пространстве, обусловленные изменчивостью гидрологических характеристик водных объектов [1].

Разработанная в ГГИ система интегральных показателей состоит из трех групп: показатели нагрузки - оценивающие нагрузку потока по средней концентрации загрязняющего вещества в поперечном сечении потока; показатели пространственного распределения загрязнения в реках и водоемах; показатели, учитывающие внешний водообмен водоемов.

Первые две группы показателей могут быть увязаны с вероятностными характеристиками режима водного объекта, таким образом может быть оценена повторяемость и обеспеченность того или иного состояния загрязненности реки или водоема.

Абсолютный показатель общей нагрузки. Общая нагрузка потока консервативными веществами или суммой веществ выражается средней (в потоке) концентрацией С_П этих веществ, определяемой из условия баланса вещества. Величина С_П, в створе полного перемешивания выражает истинное значение концентрации загрязняющего ингредиента, а для створов, расположенных между местом сброса сточных вод и створом полного перемешивания, величина С_П лишь условно характеризует среднюю концентрацию.

Если в воде реки, выше по течению от места сброса, концентрация данного загрязняющего вещества (фоновая концентрация) С_ф = 0 мг/л, то

${С}_{п}=\frac{Q_{ст}{С}_{ст}}{Q_{р}+Q_{ст}}$

(8)

где Q_р – расход воды в реке, м³/сек; Q_ст – расход сточных вод, м³/сек; С_ст – концентрация рассматриваемого загрязняющего вещества в сточных водах, мг/л.

Показатель С_П позволяет получить полную характеристику нагрузки потока загрязняющими веществами в течение любого заданного промежутка времени. Оценку изменчивости показателя С_п во времени можно получить через функцию обеспеченности суточных расходов воды в реке, найденную на основе имеющегося многолетнего ряда наблюдений (P_Q). При условии, что Q_ст = const и C_ст = const, обеспеченность средней концентрации загрязняющего вещества P_Сп равна:

$P_{C_{п}}=\left(100-P_Q\right), \%$ .

(9)

Показатель превышения и непревышения загрязненности относительно нормы. Показатель превышения загрязненности над нормой выражается обеспеченностью (Р_заг, %) стока загрязненной воды в конкретном створе рассматриваемой реки. Обеспеченность подсчитывается по числу дней, отвечающих прохождению через створ загрязненного стока. Для определения Р_заг удобно пользоваться графическим способом. Строится кривая обеспеченности С_П и проводится прямая, отвечающая ПДК для рассматриваемого загрязняющего вещества. На пересечении кривой С_П = f(Р_Сп) с прямой ПДК получают точку, дающую обеспеченность Р_заг превышения средней концентрации вещества над нормируемой.

Иногда вместо показателя P_заг пользуются показателем непревышения загрязненности относительно нормы Р_чист, который выражает обеспеченность «чистого» стока:

$P_{чист}=\left(100-P_{заг}\right), \%$ .

(10)

Показатель относительной и предельно допустимой нагрузки потока загрязняющим веществом. Показатель относительной нагрузки потока конкретным загрязняющим веществом находится на основании сопоставления расчетного значения С_П с предельно допустимой концентрацией данного вещества. При этом возможны два случая С_п > ПДК — вода грязная, С_П ≤ ПДК — вода чистая. Подставив в эти неравенства выражение для С_П и преобразуя их, получим

$\frac{\left({С}_{ст}-ПДК\right)Q_{ст}}{\left(ПДК-{С}_{ф}\right)Q_{р}}<>1$ .

(11)

Левая часть неравенства, обозначенная через φ^’, получило название показателя относительной нагрузки речного потока загрязнителем:

${\phi }^{\text{'}}=\frac{\left(C_{ст}-ПДК\right)Q_{ст}}{\left(ПДК-C_{ф}\right)Q_{р}}.$

(12)

Таким образом, если φ^’ > 1 – вода грязная, если φ^’ < 1 – вода чистая, φ^’ = 1 – условия предельной нагрузки потока загрязнителем.