София Романова.

Бессточные водоемы Казахстана. Том 2. Качество воды



скачать книгу бесплатно

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ




ВВЕДЕНИЕ

Казахстан является самым малообеспеченным водными ресурсами государством среди стран СНГ. Более 60 % территории РК расположено в аридной зоне, имеющей низкое увлажнение и крайне неравномерное распределение водных ресурсов. Аридность климата, бессточность значительной части территории, недостаток водных ресурсов, дисбаланс между потребностями и наличием определяют значение воды, как главного фактора в обеспечении стабильности природно-хозяйственных систем, ограничивают решение ряда социально-экономических задач и нормализацию экологической ситуации в кризисных бассейнах (Арал, Балкаш). Все речные бассейны практически полностью используют водные ресурсы на нужды народного хозяйства. Так, за счет возросшего потребления поверхностных вод Иле-Балкашского региона на ирригацию, заполнение Капшагайского водохранилища и другие мероприятия в значительной мере сократился приток вод в оз. Балкаш. Возрастает забор воды из р. Иле на развитие экономики на территории соседнего СУАР КНР. В настоящее время он составляет 5 км3/год, а в перспективе дойдет до 8 км3/год и составит 50 % среднемноголетнего стока р. Иле в зоне формирования стока на территории КНР. В самом озере и в Прибалкашье продолжают происходить серьезные изменения гидроэкологического состояния, связанные, главным образом, с влиянием антропогенного фактора. Следствием этого являются процессы опустынивания значительных территорий и ухудшение состояний экосистем. В перспективе ситуация может обостриться, так как по мере развития водоемких отраслей народного хозяйства, естественно, будет увеличиваться и водо-потребление. Поэтому опасение за гидроэкологическую безопасность Казахстана вполне обоснованно. По этим причинам по предложению ЮНЕСКО оз. Балкаш и другие объекты включены в международный перечень систем, подле-жащих первоочередному исследованию и охране.

В настоящее время негативные экологические явления имеют макрорегиональное или зонально-региональное значение и всестороннее их изучение является актуальным.

Растущие потребности общества в водных и энергетических ресурсах обусловливают необходимость сооружения крупных гидротехнических объектов, которые сопряжены с рекон-струкцией существующих и созданием новых водоемов и водотоков.

В 1977 г. правительство бывшего СССР приняло ряд постановлений: «О создании Экибастузского топливно-энергетического комплекса и строительстве линии передачи постоянного тока напряжением 1500 кВт. Экибастуз-Центр», «Об ускоренном развитии Экибастузского топливно-энергетического комплекса» и др. В связи с этим предусмотрено построить 5 тепловых электростанций общей мощностью 20 млн.

кВт. В настоящее время уже две электростанции Экибастузская ГРЭС-1 и ГРЭС-2 работают на полную мощность, планируется строительство Южно-Казахстанской ГРЭС на оз. Балкаш.

Охлаждение паровых турбин ГРЭС-1,2 осуществляется водой водохранилищ-охладителей (ВО), созданных на основе промытого ложа соляных озер Жанкельды и Шандаксор. По-этому отличительной чертой ВО является необычный термический режим, который накладывает отпечаток на гидрохимию, гидробиологию, гидрологию, морфометрию водоемов, вызывая нежелательные процессы (накипеобразование, биологическое обрастание агрегатов, евтрофирование и пр.). Все это диктует настоятельную необходимость оценки влияния гидротехнического и энергетического строительства на водные объекты и разработки мероприятий по оптимизации использования и обеспечения благоприятных условий функ-ционирования их экосистем.

Вместе с тем водоемы-охладители тоже являются бессточными озерами аридной зоны; они расположены в таких же физико-географических и климатических условиях. Поэтому логично было предположить, что закономерности, найденные ранее для оз.

Балкаш и других природных объектов, можно будет использовать для ВО, достаточно крупных искусственных озер.

Основная цель учебного пособия – выявить закономерности антропогенной трансформации качества вод естественных и искусственных бессточных водоемов Казахстана.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

– оценить влияние изотермического испарения и политермического охлаждения воды оз. Балкаш на протекание процессов карбонатообразования и карбонатонакопления в природных и искусственных условиях;

– оценить накипеобразующие свойства воды водоемов-охладителей и методы борьбы с отложениями в аппаратах охлаждения;

– произвести комплексную экологическую оценку совре-менного состояния загрязнения воды аридных водоемов естественного и антропогенного происхождения.

Работа выполнена на кафедре общей и неорганической химии КазНУ им. аль-Фараби в соответствии с планами НИР по темам:

– «Исследование процессов солеобразования и синтеза соединений с удобрительными, пестицидными и другими свойствами» (номера госрегистрации 01860099415 и 810879424), входящих в координационные планы НИР АН СССР и НАН РК по проблеме «Экология» (1978-1993 гг.);

– «Разработка физико-химических основ получения сложных удобрений, солей из некондиционных фосфоритов, отходов производства и методов синтеза пестицидов», входящих в координационные планы НИР АН РК по проблеме «Неорганическая химия» (раздел 2.17.15, 1985-1990 гг.).

Исследования по оз. Балкаш относились к теме наиболее высокого приоритета Иле-Балкашской проблемы, входившей в состав важных научных работ ГКНТ СССР (0.85.01, задание 09.06.04.Н1) и выполнялись по заданию ИГ ЦГГИ МОН РК на условиях хоздоговора (тема НХ – 085, 1985-1988 гг.).

Работы по изучению гидрохимии ВО ЭГРЭС-1, 2 выполнялись по заданию КазНИИЭ на условиях хоздоговора (темы НХ-056, 1978-1979 гг.; НХ – 027, 1980-1982 гг.; НХ-035, 1983-1984 гг.; НХ-065, 1985-1987 гг.; НХ-160, 1988-1992 гг.;

№ 4.10.160, № гос. регистрации 80026718, 01890017 944), а также по инициативе автора (2004 г.); ВО строящейся ЮК ГРЭС – по заданию Минэнерго РК на условиях хоздоговора с дирекцией ЮК ГРЭС (тема 04.01.078, № гос. регистрации 01900042129, 1990-1994 гг.), Данные темы вошли в республиканскую научно-техническую программу «Интенсификация-90». Экспериментальные материалы по гидрохимии ВО ЭГРЭС – 1,2 использовались Институтом зоологии МОН РК для составления рекомендаций по борьбе с биологическими помехами в системе охлаждения конденсаторов турбин ГРЭС; КазНИИЭ – для расчета солевого баланса и прогноза ионного состава и минерализации на перспективу; «Атомтеплоэлектро-проект» (г. Новосибирск) – в качестве справочного материала.

Результаты по химическому составу воды оз. Балкаш, залива Шымпек, изотермическому испарению, состоянию карбонатно-кальциевого равновесия вошли в Банк данных «Ежегодника качества поверхностных вод» и «Государственного водного кадастра ЕДК поверхностных вод суши» (1987–1990 гг.).

На основе выполненных исследований автором разработаны специальные курсы лекций и лабораторные занятия по дисциплинам «Основы гидрохимии», «Химия природных вод Казахстана», «Химия природных вод и солей», «Радио-химическое исследование природных вод и минералов РК», «Охрана вод суши», «Физико – химия рек и озер» и др., которые читаются студентам бакалаврам и магистрантам химического, биологического и географического факультетов КазНУ им. аль-Фараби (с 1987 г. по настоящее время).

Автор выражает благодарность д.х.н., профессору М.М. Буркитбаеву за ценные советы, а также к.х.н. С.С. Крученко, Г.С. Кунанбаевой и н.с. Г.В. Тараниной за помощь в отборе природных вод, организации экспедиций и поддержку при обсуждении результатов работы.

Компьютерный набор текста данного учебного пособия и графика выполнены инженером-экологом Романовой Ириной Васильевной, за что автор весьма признательна.

Поскольку обобщен разнообразный материал, возможно возникновение критических замечаний и пожеланий, которые автор с благодарностью примет и учтет в дальнейшем.

Глава 1
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

В ходе исследований были использованы следующие материалы:

1) опубликованные материалы по рекам и озерам Прибалкашья и Приертисья в книгах «Ресурсы поверхностных вод СССР» (Центральный и Южный Казахстан), «Ежегодниках качества поверхностных вод и эффективности проведенных мероприятий по территории КазССР», «Государственном водном кадастре ЕДК поверхностных вод суши»;

2) проектно-изыскательские материалы отдела изысканий Новосибирского отделения «Теплоэлектропроекта» и ПО «Южтехэнерго»;

3) материалы полевых исследований (1985-1988 гг.) Института географии АН РК по Иле-Балкашскому бассейну; отчеты о НИР Института энергетики и Института зоологии АН РК по водохранилищам-охладителям ЭГРЭС-1, 2 (1980-1985 гг.).

В основу учебного пособия также положены многолетние систематические, комплексные, экспериментальные (в полевых и стационарных условиях) исследования автора на водоемах и водотоках Прибалкашья и Приертисья, которые проведены в соответствии с утвержденными и действующими наставлениями и инструкциями.

Применены следующие методики: экспедиционная и лабораторная (экспериментальная) – определение гидрохимических параметров в объектах; расчетно-аналитическая-статистическая обработка обширного материала по гидрохимии водоемов и водотоков (1941-2004 гг.). Комплексность проведенных исследований предусматривает использование специфических материалов по гидрохимии, гидробиологии, почвоведению, метеорологии, гидроэкологии водных объектов.

При рассмотрении пространственного распространения элементов химического состава в воде оз. Балкаш рекомендуем пользоваться гидрохимическим районированием акватории озера по М.Н. Тарасову [1]. Для выяснения вопроса, имеет ли место вертикальная стратификация компонентов химического состава, пробы воды отбирались в поверхностных (0,5 м) и придонных слоях.

Согласно рекомендациям Гидрохимического института Роскомгидромета определение неустойчивых компонентов воды (рН, НСО-, СО2 , NO", NH4, окисляемость, О2, СО2) проводилось сразу после отбора проб, остальных – в лаборатории после консервирования соответствующими реагентами.

Для определения компонентов химического состава воды были применены общепринятые в гидрохимической практике методы. Проверка указанных методов показала, что процент ошибок не превышал допустимых значений их погрешности. Все пробы воды и почвы анализировались минимум в трех-четырехкратной повторности. Для получения достоверных выводов применялась математическая обработка.

Расчет компонентов карбонатно-кальциевого равновесия производили по методике и рекомендациям О.А. Алекина, Н.П. Моричевой [2] и автора [3] без учета образования ионных пар и комплексов.

Расчет показателя стабильности проводился согласно ГОСТ 3313-46:

Св= рНиссл/рНнас,

где: рНиссл – концентрация водородных ионов исследованной воды; рНнас – концентрация водородных ионов, соответствующая предельному ее насыщению карбонатом кальция. При Св = 1 вода считается стабильной; если Св > 1 – вода пересыщена карбонатом кальция и способна к выделению солей жесткости; когда Св < 1 – вода ненасыщенна карбонатом кальция, коррозионная вследствие наличия в ней агрессивного СО2 и способна к дополнительному растворению СаСО3. Точность показателя стабильности достоверна с надежностью 95 % и оценена по нормальному закону с учетом накопления относительных ошибок.

Расчет предельно допустимой карбонатной жесткости проводился по формуле Г.Е. Крушеля [4]:

Жпред = 2,86 + ОК/8,4 – Жн к /(6-ОК/7) (при t °C = 40), где: Жпред предельно допустимая карбонатная жесткость (ммоль/л экв.), Жнк – некарбонатная жесткость (ммоль/л экв.), ОК – окисляемость перманганатная (мгО/л), t °C – температура воды.

Метод комплексной оценки качества поверхностных вод , разработанный учеными КазНИИМОСК, Министерства Охраны Окружающей Среды под руководством академика М.Ж. Бурлибаева позволяет более точно, чем другие методы определить и классифицировать загрязненность вод по гидрохимическим показателям с учетом класса опасности ингредиентов. В связи с этим был использован расчет в виде программы «Fortran for MS DOS» [5]. По данной программе нами рассчитан ИЗВ оз. Балкаш за 1958, 1986, 1987, 2001 гг.

Метод комплексной оценки качества поверхностных вод сводится к определению индекса загрязненности вод (ИЗВ), более известного из гидрохимической практики, как определение кратности превышения фактической концентрации загрязняющего вещества собственной предельно допустимой концентрации с соответствующими дополнениями и уточнениями «Методических рекомендаций по формализованной комплексной оценке качества поверхностных и морских вод по гидрохимическим показателям (Роскомгидромет, Москва, 1988)».

Перечень загрязняющих веществ, по которым определяется КИЗВ, устанавливается РГП «Казгидромет» МООС РК, согласно международным правилам мониторинга окружающей среды и официально публикуемым в «Ежегодных данных о качестве поверхностных вод Республики Казахстан».

Весь перечень ингредиентов, по которым ведутся гидрохимические анализы, условно разделен на следующие группы:

– главные ионы (Ca, Mg, Na+K, SO4, Cl и др.);

– биогенные элементы (NH4, NO3, NO2, Pобщ, фосфаты, Si и др.);

– тяжелые металлы (Cu, Zn, Pb, Cd, Cr(3,6), Mn, Hg, Ni, Fe(2,3), Co, Mo, Bi и др.);

– ядовитые вещества (CN, CNS, F, H2S, As, нитробензол и др.);

– органические вещества (нефтепродукты, смолы, углеводы, жиры, фенолы, СПАВ и др.);

– хлорорганические пестициды, фосфорорганические пестициды, гербициды, зооциды и др.

Определение КИЗВ для каждой группы ингредиентов химического состава воды производится по формуле:



где: КИЗВj – индекс загрязненности вод j-й группы; Сi – i-я концентрация ингредиента из j-й группы, мг/л; ПДКi – i-я предельно допустимая концентрация, соответствующая Сi, мг/л; n – количество ингредиентов из j-ой группы, участвующих в определении КИЗВ.

Полная формула применительно для групп главных ионов имеет вид:

КИЗВги = (КИЗВСа + КИЗВМg+ КИЗВNa+K+ КИЗВSO4 + КИЗВСl)/n, где: КИЗВги – средневзвешенный индекс загрязненности воды по группе главных ионов; КИЗВСа индекс загрязненности воды по ионам кальция; КИЗВМg – индекс загрязненности воды по ионам магния; КИЗВNa+K – индекс загрязненности воды по сумме ионов натрия и калия; КИЗВSO4 – индекс загрязненности воды по сульфатным ионам; КИЗВСl – индекс загрязненности воды по хлоридным ионам; n – число ингредиентов, участвующих в определении группового КИЗВ, равное в данном случае 5.

Напомним, что для определения индивидуального КИЗВ используется соотношение, показывающее кратность превы-шения фактической концентрации ингредиента собственного ПДК, а именно:

КИЗВi = Ci/ПДКi где: КИЗВi – индивидуальный ИЗВ для конкретного ингредиента, мг/л; Ci – i-ая концентрация ингредиента, мг/л; ПДКi – i-я предельно допустимая концентрация, соответствующая i-му ингредиенту, мг/л.

Определение средневзвешенного КИЗВ для группы биогенных веществ производится по аналогии с КИЗВ главных ионов:

КИЗВБЭ = (КИЗВNH4 + КИЗВNO2 +КИЗВNO3 + КИЗВSi + КИЗВP)/ n.

После вычисления индексов загрязненности вод для всех 6-ти групп контролируемых загрязняющих веществ определяется комплексный индекс загрязненности вод по формуле:

КИЗВ = (КИЗВ1 + КИЗВ2 …+ КИЗВj): nj где: КИЗВ – комплексный индекс загрязненности вод в контролируемом створе водотока, являющийся интегральным показателем загрязнения вод;

nj – число групп загрязняющих веществ.

При классификации водных объектов по степени загряз-ненности кроме общих и групповых индексов обязательно должны быть приведены данные по насыщению водного объекта растворенным кислородом и данные по расходу биохимического потребления кислорода на окисление органических веществ (таблица 1).

Особо следует отметить, что КИЗВ для условных групп определяются только с помощью ингредиентов, которые превышают собственные ПДК, потому как для ингредиентов не превышающих собственные ПДК, заранее причисляем их к не загрязняющим элементам.

Как видно из такого определения, оценка качества поверх-ностных вод действительно становится комплексной. Общий КИЗВ для отдельных условных групп может быть определен с помощью всех ингредиентов, входящих в эту группу, независимо от превышения или не превышения своих ПДК. Также не лишено смысла определение группового КИЗВ по ингредиентам превышающим свои ПДК. При такой постановке вопроса, получаемые КИЗВ приводят к двойному результату, то есть если в первом случае КИЗВ является средневзвешенным и нивелированным показателем загрязненности, то во втором случае КИЗВ будет действительным показателем загрязненности, учитывающим фактическое загрязнение.


Таблица 1

Классификация водных объектов по степени загрязнения по результатам КИЗВ


Для получения объективной оценки загрязненности водного объекта нами рассчитан КИЗВ для каждого месяца, периода половодья и паводков, летне-осенне-зимней межени и в годовом разрезе. При постоянстве количества групп условного объединения ингредиентов, число компонентов, участвующих в определении средневзвешенного группового ИЗВ, менялось, в зависимости от наличия данных гидрохимического анализа за рассматриваемый период. Кроме того, оценка качества воды для ирригационных целей произведена по методике и рекомендациям [6, 7].

Пример расчета комплексного индекса загрязненности вод (КИЗВ) по гидрохимическим показателям

Для расчета комплексного индекса загрязненности вод (КИЗВ) использованы данные химического состава воды реки Сырдарии в створе села Томенарык за декабрь 2000 г., выполненные Д.Ш. Жетписбай [8] и Ж.С. Мукатаевой [9]. Весь перечень загрязняющих веществ объединен в семь условных групп, вследствие чего начинаем вычислять КИЗВ каждой группы в отдельности (ГИ – главные ионы; БЭ – биогенные элементы; ТМ – тяжелые металлы; ЯВ – ядовитые вещества; ОВ – органические вещества;).

Исходные данные по группе главных ионов:

Первый этап . ССа = 128,5 мг/л; СMg = 77,8 мг/л; СNa+K = 275,0 мг/л; СSO4 = 700,0 мг/л; СC l = 130,0 мг/л;

ПДКCa = 180,0 мг/л; ПДКMg = 40,0 мг/л; ПДКNa+K = 170,0 мг/л; ПДК SO4 = 100,0 мг/л; ПДК C l = 300,0 мг/л.

Соответственно, для каждого ингредиента из соотношения концентрации к предельно-допустимым концентрациям опреде-ляем индивидуальные индексы загрязненности вод:

ИЗВCa= ССа / ПДКCa = 128,5/180,0= 0,714;

ИЗВMg = СMg / ПДКMg = 77,8/40,0 = 1,945;

ИЗВNa+K = СNa+K / ПДКNa+K = 275,0 /170,0 = 1,618;

ИЗВ SO4 = С SO4 / ПДКSO4 = 700,0 /100,0 = 7,000;

ИЗВ C l = С C l / ПДК C l = 130,0 /300,0 = 0,433; где: Сi – концентрация i-го ингредиента, мг/л; ПДКi – предельно-допустимая концентрация i-го ингредиента, мг/л.

Как видно из приведенных данных индивидуальных ИЗВ, загрязнение водотока ингредиентами группы главных ионов происходит за счет ионов магния, суммы натрия и калия и сульфатных ионов. Остальные главные ионы находятся в пределах установленных нормативов (ИЗВ меньше 1). Для опреджеления средневзвешенного месячного индекса загрязненности вод в расчет включаются сульфаты, сумма натрия и калия, магний из группы главных ионов, по которым найдены превышения ПДК:

КИЗВГИ = (ИЗВMg + ИЗВNa+K + ИЗВ SO4) / n = =(1,945 + 1,618 + 7,000) /3 = 3,521, где: n – количество анализируемых компонентов из данной группы.

Загрязненность реки сульфатами настолько велика, что это непременно выразилось в средневзвешенной месячной величине индекса загрязненности воды из группы главных ионов.

Второй этап. Расчет индекса загрязненности воды по группе биогенных элементов ведется аналогично предыдущему расчету по главным ионам.

Исходные данные: СNH4 = 0,182 мгN/л; СNО2 = 0,114 мгN/л; СNО3 = 3,245 мгN/л; СР = 0,020 мг/л; CSi = 14,9 мг/л;

ПДК NH4 = 0,39 мгN/л; ПДК NО2= 0,02 мгN/л; ПДК NО3 = 9,1 мгN/л; ПДК Р = 0,06 мг/л; ПДК Si = 10,0 мг/л.

Соответственно, для каждого ингредиента из соотношения концентрации к предельно-допустимым концентрациям определяем индивидуальные индексы загрязненности вод:

ИЗВ NH4 = СNH4 / ПДК NH4 = 0,182 / 0,39 =0,467;

ИЗВ NО2 = СNО2 / ПДК NО2 = 0,114 /0,02 =5,700;

ИЗВ NО3 = СNО3 / ПДК NО3 = 3,245 / 9,1 = 0,357;

ИЗВ Р = СР / ПДК Р = 0,020 / 0,06 = 0,333;

ИЗВ Si = CSi / ПДК Si = 14,9 / 10,0 = 1,490; где: Сi – концентрация i-го ингредиента, мг/л; ПДКi – предельно-допустимая концентрация i-го ингредиента, мг/л.

Из полученных данных видно, что речная вода в створе Томепнарык загрязняется нитритными ионами и кремнием, кратность превышения над ПДК составляет, соответственно, 5,7 и 1,49 раз. Поэтому расчет средневзвешенного месячного индекса загрязненности воды из группы биогенных элементов включены эти компоненты, а именно:

КИЗВБЭ = (ИЗВ NО2 + ИЗВ Si) /n = (5,700 + 1,490) / 2 = 3,595, где: n – количество анализируемых компонентов из данной группы.

Третий этап – определение индивидуальных ИЗВ из группы тяжелых металлов при следующих исходных данных:

СFe = 0,236 мг/л; CMn = 3,0 мкг/л; СCu = 29,0 мкг/л; СZn = 1587 мкг/л; СCr(3) = 660 мкг/л; СMo =79,0 мкг/л; СAg = 1,5 мкг/л; СPb = 120,0 мкг/л; СCd = 0 мкг/л; ССо= 0 мкг/л; СSn = 0 мкг/л; СNi =0 мкг/л.

Все элементы, концентрация которых равна нулю, выпадают из расчетного ряда. Поэтому в данном случае определение индивидуальных месячных величин ИЗВ будет вычисляться по элементам, концентрация которых не равна нулю. ПДКFe = 0,1 мг/л; ПДКMn = 10 мкг/л; ПДКCu = 1 мкг/л; ПДКZn = 10 мкг/л; ПДК(Cr3) = 5 мкг/л; ПДКMo = 500 мкг/л; ПДКAg = 50 мкг/л; ПДКPb = 0,1 мг/л.

Определение индивидуальных ИЗВ:



скачать книгу бесплатно

страницы: 1 2

Поделиться ссылкой на выделенное