Комплексная региональная оценка качества вод в урбоэкосистеме тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.08, кандидат наук Габдрахманова Гульнара Наилевна

• Габдрахманова Гульнара Наилевна
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Габдрахманова Гульнара Наилевна

Оглавление

Введение…………………………………………………………………….…5

Глава 1 Критерии оценки и нормирования качества поверхностных и

питьевых вод в урбоэкосистеме…………………………………………………

1.1 Методы анализа катионно-анионного состава поверхностных и

питьевых вод………………………………………………………………………

1.2 Показатели, используемые для оценки качества поверхностных

вод…………………………………………………………………………………

1.3. Научные основы для разработки региональных нормативов …

1.4. Математические модели, применяемые для оценки состояния

поверхностных вод………………………………………………………………

1.5. Возможности использования методов нейросетевого моделирования

для оценки качества вод урбоэкосистемы………………………………………

1.6. Способы оценки химической безопасности и физиологической

полноценности питьевых вод для населения……………………………………

1.7. Фильтры для доочистки и минерализации питьевых вод,

применяемые фильтро-минерализационные материалы………………………

1.8. Характеристики цеолита Татарско-Шатрашанского

месторождения……………………………………………………………………

Глава 2 Объекты и методы исследования……………………………….…48

2.1 Оценка уровня загрязнения вод поверхностного

водоисточника………………………………………………………………………48

2.2. Оценка вкладов предприятий в формирование фонового уровня

загрязнения поверхностных вод…………………………………………………

2.3. Типизация поверхностных вод с помощью нейросетевых

технологий…………………………………………………………………………

2.4 Определение содержания катионов и анионов в пробах питьевой воды

после водоразводящей сети………………………………………………………

3

2.5. Разработка способов интегральной оценки качества вод с помощью

нейросетевых технологий…………………………………………………………

2.6. Разработка составов и способов получения фильтро-

минерализационных смесей для доочистки питьевых вод в зависимости от их

качества……………………………………………………………………………

2.7 Разработка конструкции фильтра-минерализатора…………………

Глава 3 Разработка региональных нормативов для ионных примесей вод

поверхностного водоисточника………………………………………………...…80

3.1. Нейросетевые эксперименты для выделения случайных и значимых

гидрохимических показателей……………………………………………………

3.2.Выделение кластеров и подкластеров по набору гидрохимических

показателей……………………………………………………………………

3.3. Статистическая характеристика выделенных кластеров………

3.4 Результаты статистического исследования показателей,

характеризующих качество поверхностных вод, используемых для

хозяйственно-питьевого водопользования…………………………………

Глава 4 Разработка способов оценки качества вод в

урбоэкосистеме……………………………………………………………………110

4.1. Определение составов питьевых вод в конечной точке

потребления………………………………………………………………………

4.2. Оценка канцерогенного и неканцерогенного риска питьевых вод для

населения…………………………………………………………………………

4.3. Интегральная оценка качества питьевых вод с помощью

нейросетевых методов………………………………………………………….…116

4.4. Определение безопасных для человека концентраций катионов

металлов в поверхностных водах, используемых для приготовления питьевой

воды……………………………………………………………………………..…122

Глава 5 Доочистка питьевых вод и обеспечение их химической

безопасности и физиологической полноценности……………………….……

5.1. Способы модификации цеолита………………………………………133

4

5.2. Результаты тестирования фильтро-минерализационной

смеси…………………………………………………………………………….…135

5.3 Характеристика разработанного бытового фильтра-

минерализатора………………………………………………………………

5.4 Результаты тестирования лабораторного образца бытового фильтра-

минерализатора…………………………………………………………………

5.5 Рекомендации по обеспечению химической безопасности и

физиологической полноценности питьевых вод………………………………

Заключение…………………………………………………………………146

Список литературы………………………………………………………

Приложение

5

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комплексная региональная оценка качества вод в урбоэкосистеме»

Введение

Актуальность работы. В условиях высокого уровня антропогенной

нагрузки на водные элементы урбоэкосистемы, научно-обоснованная оценка

качества вод с учетом региональных особенностей, а также способы

достижения установленных требований являются одним из важнейших

факторов обеспечения экологической безопасности территории и населения.

Оценка качества вод урбоэкосистемы наиболее значима в водах поверхностных

водоисточников, характеризующихся первичным уровнем загрязнения, и в

конечной точке – после прохождения через водораспределительную сеть,

формирующую вторичное загрязнение питьевых вод. Для оценки качества

поверхностных вод в настоящее время используется нормативы ПДК, которые

не учитывают региональных особенностей формирования содержания

загрязняющих веществ. Согласно п. 7 «Методических указаний по разработке

нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения»

(приказ Росрыболовства от 04.08.2009 №695), при нормировании для водных

объектов данного типа водопользования необходимо учитывать природные

особенности водных объектов. Однако для природных поверхностных вод

хозяйственно-питьевого назначения, находящихся под непосредственным

антропогенным влиянием, не разработаны подходы для выделения природно-

антропогенных особенностей с целью их учета при разработке региональных

нормативов, особенно для компонентов двойного генезиса (Feобщ, Cu2+, Zn2+,

NH4+, SO42-, Cl-, NO3-, PO43-). С целью адекватной оценки и сохранения

сформировавшегося под влиянием внешних и внутренних факторов, состава

воды водных объектов, необходим учет природно- антропогенных

особенностей, преимущественно для компонентов, встречающихся в

природных водах исследуемых территорий в повышенных или пониженных

концентрациях. Учет региональных аспектов при формировании состава вод,

применение современных методов химического анализа и информационных

технологий, адекватных способов доочистки является основанием для

достижения нормативного состава воды.

 6

В настоящее время, интегральные оценки состава поверхностных вод,

полученные по данным экспериментальных измерений, представляются в виде

специальных комплексных показателей, рассчитанных суммированием

нормализованных (отнесенных к ПДК или другому порогу) концентраций

приоритетных загрязняющих веществ. Задача интегральной оценки качества

вод при одновременном учете разнородных и разноразмерных показателей,

имеющих различную степень значимости, трудно решаема традиционным

путем, с построением аналитической модели расчета, и введением для учета

вклада показателей поправочных коэффициентов. Большие преимущества

имеет использование современных расчетных методов и инновационных

информационных технологий, не требующих учета весов показателей.

Региональная типизация поверхностных вод хозяйственно-питьевого

назначения, с помощью которой можно учесть природно-антропогенные

особенности и установить пороговые значения показателей, позволяет учесть

региональную специфику и адекватно оценить состояние конкретного водного

объекта.

Для территории г. Казани, как и для территории других крупных городов,

основным источником питьевого водоснабжения являются поверхностные воды

реки Волга. Для минимизации химической нагрузки сточных вод на

поверхностные воды, являющиеся источником питьевого водоснабжения,

необходима оценка вкладов организованных источников выпусков. Расчет

показателей нагрузки сточных вод предприятий г. Казани и г. Зеленодольска,

учет фонового содержания компонентов в поверхностных водах позволяют

выделить факторы, определяющие природно-антропогенный уровень

загрязнения и приоритетные направления водоохранных мероприятий.

Согласно современным требованиям, экологическая безопасность вод для

населения оценивается не только с позиций химической безопасности, но и с

позиций физиологической полноценности. Для ряда ионов (Ca2+, Mg2+, Feобщ,

Sr2+, F-, I-, Cl-, HCO3- и др.) характерно усвоение преимущественно из водных

 7

растворов, поэтому помимо рациональной доочистки часто требуется

искусственная минерализация питьевых вод.

Концентрации компонентов в питьевой воде, соответствующие

приемлемому риску здоровью чувствительных групп населения, могут являться

основанием для определения пороговых концентраций данных компонентов в

водах поверхностного водоисточника.

Для решения проблемы обеспечения физиологически полноценной

питьевой водой населения необходимо использование фильтра-

минерализатора, при этом в качестве основы создания фильтро-

минерализационной смеси, экономически выгодно использование местных

природных материалов, обладающих ионообменными свойствами и способных

к модификации.

Целью работы является интегральная оценка качества вод на основных

этапах формирования их компонентного состава, а также способов достижения

требуемого качества вод в конечной точке потребления для минимизации

воздействия, в том числе химических и нефтехимических производств, на

поверхностные воды и здоровье населения урбоэкосистемы.

Задачи, решаемые в работе:

1. Разработка способа интегральной оценки качества вод по

различным по значимости показателям с использованием нейросетевых

технологий.

2. Региональная типизация поверхностных вод, используемых для

хозяйственно-питьевого водоснабжения и установление пороговых значений

гидрохимических показателей.

3. Оценка фонового уровня загрязнения поверхностных вод р. Волга и

вкладов антропогенных источников поступления сточных вод.

4. Зонирование территории г.Казани по химической безопасности и

физиологической полноценности питьевых вод, доходящих до потребителей.

5. Расчет пороговых концентраций катионов металлов в

поверхностных водах по концентрациям, не превышающим приемлемый

 8

уровень риска здоровью чувствительных групп населения с использованием

метода нейросетевого моделирования.

6. Разработка технологии создания фильтро-минерализационной

смеси, обеспечивающей достижение показателей приемлемого риска здоровью

детей-подростков и требований физиологической полноценности питьевых вод.

Научная новизна. Предложен и обоснован алгоритм поэтапной оценки

качества вод в урбоэкосистеме, основанный на учете региональных

особенностей, новых подходах к интегральной оценке, зонировании

территории, способах учета и обеспечения химической безопасности и

физиологической полноценности вод включающий:

 разработку способов типизации поверхностных вод хозяйственно-

питьевого назначения и определения пороговых значений измеряемых

показателей для учета природно-антропогенных особенностей

поверхностных вод;

 разработку показателей, позволяющих оценить вклад источников

выпусков промышленных сточных вод на фоновый уровень загрязнения вод

поверхностного водоисточника;

 создание подходов для оценки уровня загрязненности

поверхностных вод, используемых для приготовления вод питьевого

качества;

 зонирование территории урбоэкосистемы по ионным составам и

физиологической полноценности питьевых вод, доходящих до

потребителей, с учетом степени вторичного загрязнения;

 определение пороговых концентраций компонентов в

поверхностных водах, обеспечивающих приемлемый уровень риска

здоровью детей-подростков в конечной точке потребления;

 разработку фильтра-минерализатора и фильтро-

минерализационных смесей для обеспечения химической безопасности и

физиологической полноценности питьевых вод.

 9

Практическая значимость. Способ и результаты оценки составов

поверхностных вод в районе г. Казани используются в практической

деятельности Министерства экологии и природных ресурсов РТ (МЭПР РТ)

(акт внедрения). Материалы диссертации внедрены в учебный процесс КНИТУ-

КАИ (справка об использовании).

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Диссертация соответствует паспорту специальности 03.02.08 Экология (по

отраслям): химические науки - исследование физико-химических аспектов

оценки и регулирования антропогенного воздействия на живую природу;

разработка методов анализа и технологических решений, обеспечивающих

предотвращение загрязнения природной среды и минимизацию воздействия

химических производств на окружающие экосистемы.

Методология и методы исследования. В диссертации использованы

экспериментальные результаты экспедиционных и лабораторных исследований

поверхностных и питьевых вод, материалы статотчетности предприятий,

нормативно-методическая литература. Отбор проб воды производился в

соответствии с требованиями ГОСТ и РД. Химико-аналитические исследования

проводились с использованием современных физико-химических методов

анализа: атомно-абсорбционной спектрометрии, ионной и газожидкостной

хроматографии с применением рекомендованных методик выполнения

измерений.

Обработку результатов проводили современными расчетными методами

с использованием инновационных информационных технологий

(нейросетевого моделирования, кластеризации сетью Кохонена). Численные

эксперименты проводились на базе программного пакета Deductor Studio 4.3.

Для анализа применялась кластеризация при помощи самообучающихся

нейронных сетей Кохонена с последующей визуализацией SOM-картами (Self-

organizing map). Статистическую обработку данных проводили с применением

программного пакета Statistica 6.0. Использовался метод «естественных групп»

для картографического анализа данных.

 10

Степень достоверности результатов исследования. Достоверность

результатов исследования подтверждается применением современных химико-

аналитических методов исследования со статистической обработкой

результатов, инновационных информационных технологий, вероятностных

подходов, картографического анализа данных.

На защиту выносятся:

Разработанный алгоритм создания системы оценки вод урбоэкосистемы с

высоким уровнем химической нагрузки.

Способ региональной типизации водных объектов хозяйственно-

питьевого назначения и определение пороговых значений исследуемых

основных гидрохимических показателей.

Способ интегральной оценки поверхностных и питьевых вод в

урбоэкосистеме при одновременном учете разноразмерных показателей с

различной степенью значимости.

Подходы для определения пороговых концентраций компонентов в

поверхностных водах по уровню приемлемого риска здоровью детей-

подростков при поступлении с питьевой водой.

Способ создания фильтра – минерализатора и фильтро-

минерализационного материала с целью обеспечения химической безопасности

и физиологической полноценности питьевых вод для населения.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались

и обсуждались на XVI-XVIII Международной научной конференции «Химия и

инженерная экология» (школа молодых ученых) (Казань, 2016-2018 гг.);

Международной научно-практической конференции «Хартия Земли -

практический инструмент решения фундаментальных проблем устойчивого

развития», посвященной 15- летию реализации принципов Хартии Земли в

Республике Татарстан (Казань, 2016 г.); II-III Республиканской молодежной

экологической научной конференции (Казань, 2016, 2018 гг.); XII

Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения»

(Казань, 2016 г.); Международной молодежной научной конференции «XXIII

 11

Туполевские чтения (школа молодых ученых)» (Казань, 2017 г.);

Международной научно- практической конференции «Устойчивое развитие

регионов: опыт, проблемы, перспективы» (Казань, 2017 г.); XV

Международной научно-технической конференции «Наука, образование,

производство в решении экологических проблем (Экология-2019) (Уфа, 2019).

Личный вклад автора. Автором лично осуществлены: постановка задач,

планирование экспериментов, проведение исследований, обобщение и

обработка результатов и формулирование выводов. Работа выполнена при

поддержке грантов АН РТ - конкурс молодежных научных проектов (договор

№ 01-136-ф Г 2016 и договор № 01-56-Ч г 2019).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 31 работа, в т.ч.

4 статей в журналах из списка ВАК, 3 статьи в журналах, размещенных в БД

Scopus и Web of Science, 23 работ в журналах, сборниках, и материалах

конференций различного уровня (региональных, всероссийских,

международных) и 1 монография.

Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 167

страницах машинописного текста, содержит 71 рисунок и 42 таблиц, состоит из

введения, 5 глав, заключения, списка цитируемой литературы, насчитывающего

147 ссылок на работы отечественных и зарубежных авторов, и приложений.

Благодарности. Автор приносит благодарность руководителю и

коллегам: к. физ.-мат. н., с.н.с. ИПЭН АН РТ А.Р. Шагидуллину, д.т.н.,

профессору кафедры прикладной математики и информатики КНИТУ-КАИ

С.В. Новиковой, к.т.н., доценту кафедры ОХиЭ И.Х. Мингазетдинову и c.н.с.

ИПЭН АН РТ В.С. Валиеву, за помощь в проведении исследований и ценные

рекомендации.

 12

Глава 1 Подходы для оценки и нормирования качества

поверхностных и питьевых вод в урбоэкосистеме

1.1 Подходы к выбору метода анализа компонентов поверхностных

и питьевых вод

Сложность химического анализа вод природных вод заключается в том,

что достоверность результатов анализа зависит от состава, концентраций и

формы нахождения (в виде ионов, недиссоциированных молекул, коллоидных

частиц и др.) компонентов. Поверхностные воды большей частью имеют

гидрокарбонатно-кальциевый состав, среди компонентов в анионной форме в

них преобладает HCO3-, а среди катионов — Са2+. При выборе метода

химического анализа компонентного состава природных вод, согласно ГОСТ Р

8.613-2005, нижняя граница диапазона содержаний определяемого компонента

должна удовлетворять условию С≤НКВ (норматив качества воды - ПДК или

пороговая концентрация). С приближением значения концентрации

компонентов к пределу обнаружения возникают большие погрешности

определения. Но, если, искомое значение концентрации компонента хотя бы на

один порядок выше предела обнаружения, то погрешности анализа мало

зависят от величины концентрации. Поэтому, надо выбирать метод, имеющий

предел обнаружения в 10–15 раз превышающий измеряемые значения

концентрации. Научный совет по аналитическим методам анализа [32,63]

установил нормы допустимой погрешности анализа для вод с различной

минерализации, которые представлены в таблице 1.1.1.

 13

Тaблицa 1.1.1–Нормы дoпустимoй погрешнoсти при анализе вoд

различнoй степенью минерализации

Сoдeржание суммы Нормы дoпустимoй

aнионoв, мг-экв/л погрешнoсти, %

Более 15 2

15 - 5 3

4,9- 3 7

2,9-2 10

В таблицах 1.1.2 и 1.1.3 приведены результаты сопоставления методов

определения катионного и анионного состава вод поверхностных и питьевых

вод в урбоэкосистеме.

Таблица 1.1.2 – Сравнительная характеристика методов определения

содержания компонентов в катионной форме

Диапазон

измеряемых

Метод Применение Достоинтсва /недостатки

концентраци

й

Очень высокая специфичность

Определение при определении

концентраций компонентов, позволяющих

растворенных 0,02-65 применять упрощенную

Атомно- форм Al, Ag, Be, мкг/дм3 пробоподготовку, быстрота

абсорбционная Cd, Co, Cr, Cu, (РД анализа, из одной пробы

спектрометрия Fe, Mn, Mo, Ni, 52.24.377- определяет много компонентов

Pb, V, Zn в пробах 95) / одноэлементный метод,

поверхностных имеющий ограниченную

водах линейность области измерений

(обычно 1:10)

 14

Продолжение таблицы 1.1.2

Высокая точность, высокая

чувствительность, возможность

проводить титрования в более

разбавленных растворах, чем это

позволяют визуальные

индикаторные методы,

возможность определения

Определение

нескольких веществ в одном

жесткости, ионов Ca

растворе без предварительного

и Mg в природных 1,0-50

разделения, возможность

Комплексономе (поверхностных и мг/дм3

титрования в мутных и

трическое подземных) водах, в (ГОСТ

окрашенных средах, возможность

титрование том числе воде 31954—

автоматизировать процесс

источников 2012)

титрования/ Добавление

питьевого

многочисленных реактивов для

водоснабжения

создания среды титрования, не

всегда быстрое установление

потенциала после добавления

титранта, необходимость во

многих случаях делать при

титровании большое число

отсчетов.

Определение Чрезвычайно низкие пределы

Плазменная катионов в питьевой 0,001-50 обнаруженияи высокая

масс- природной (поверхн мг/ дм3 производительность / высокая

спектрометрия остнойи подземной) (ГОСТ стоимость оборудования,

(ИСП-МС) и сточной (в том Р 57165- повышенные требования к

числе очищенной) 2016) обслуживающему персоналу

водах

Определение Одновременное определение

0,1-20

катионов калия, элементов, присутвующих в

мг/ дм 3

Ионная натрия, аммония, одной пробе, особенно для

(ФР.1.31.

хроматография кальция, магния, щелочных и щелочноземельных

2008.017

стронция в питьевой, металлов в водных растворах [34] /

38)

природной и сточной минерализация пробы

воде

Незначительные затраты на

оборудование высокая

Определение

селективность и хорошие

висмута, кадмия,

метрологические

марганца, мышьяка,

Полярографичес 0,0001 до характеристики методик,

меди, ртути, свинца,

кий метод 20 мг/дм3 легкость компьютеризации и

сурьмы и цинка в

(инверсионной (ГОСТ Р автоматизации / полная

питьевой воде,

амперометрии) 52180- минерализация пробы, большая

включая воду

2003) вероятность внесения

поверхностных и

загрязнений за счет потерь или

подземных

реагентов, требуется большое

источников

количество проб для проведения

анализа.[11]

 15

Продолжение таблицы 1.1.2

Простая пробоподготовка,

малый расход пробы, высокая

В научных селективность, не требует

исследованиях дополнительного контрольного

Нейтроно- для аттестации опыта/ высокие затраты на

активационный стандартных >0,001- оборудование и используемые

анализ образцов и в 1 нг/г расходные материалы, анализ

арбитражном занимает много времени

анализе.

Малые затраты на

оборудование, точность,

погрешность обычно составляет

Определение

3-5% или 0,5-1% в

концентраций

благоприятных случаях,

растворенных 0,01- 10

применимость для анализа

форм и суммы мг/ дм 3

веществ с большим или малым

растворенных и (ПНД Ф

Спектрофото- содержанием каких-либо

нерастворенных 14.1:2.21

метрический компонентов, возможность

форм кобальта, 4-06

метод определения примесей, высокая

железа, никеля, (ФР.1.31

чувствительность,

кадмия, марганца, .2007.03

экспрессность, простота /

цинка, меди, 809)

полная минерализация

хрома и свинца в

исследуемой пробы, большая

природных и

вероятность введения

сточных водах

загрязненийтребует большого

объема пробы и времени

анализа

Высокая производительность

за счет относительно простой

пробоподготовки, практически

не зависят от того, в виде какого

Определение

Рентгено- соединения находится

концентраций

флуоресцентная анализируемый элемент/

различных форм <0,0015

спектрометрия ограничено количественное

элементов в г/л

(РФА) определение в пробе

природных и

содержащихся элементов за

сточных водах

счет одновременного

ослабления и усиления

рентгенофлуоресцентного

излучения

Анализ используемых методов показал, что по пределу обнаружения,

быстроте проведения, дешевизне определения метод ААС имеет преимущества

и может быть рекомендован в качестве метода определения металлов при

 16

проведении химического анализа поверхностных и питьевых вод

урбоэкосистемы. Этот метод является одним из наиболее селективных,

воспроизводимых методов химического анализа. Определение содержания

металлов в сильно окисленном воздушно-ацетиленовом пламени достаточно

селективно.

Таблица 1.1.3 – Сравнительная характеристика методов определения

анионов.

Предел

Метод Применение Достоинства /недостатки

обнаружения

Низкие пределы обнаружения

ионов, высокая

селективность, возможность

одновременного определения

неорганических и

Определение органических ионов,

массовой 0,5-1000 мг/кг экспрессность, широкий

Ионная концентрации (РД 52.18.572- интервал определяемых

концентраций, малый расход

хроматография хлорид-, сульфат-, 96)

пробы, простота подготовки

нитрат-, нитрит- пробы к анализу /невысокая

ионов стабильность ионогенных

материалов, необходимость

высокой коррозионной

стойкости

хроматографической системы

[30]

Хорошая эффективность, узкие

Определение

пики, низкие пределы

содержания

обнаружения, быстрое

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Габдрахманова Гульнара Наилевна, 2020 год

источников

количество проб для проведения

анализа.[11]

 15

Продолжение таблицы 1.1.2

Простая пробоподготовка,

малый расход пробы, высокая

В научных селективность, не требует

исследованиях дополнительного контрольного

Нейтроно- для аттестации опыта/ высокие затраты на

активационный стандартных >0,001- оборудование и используемые

анализ образцов и в 1 нг/г расходные материалы, анализ

арбитражном занимает много времени

анализе.

Малые затраты на

оборудование, точность,

погрешность обычно составляет

Определение

3-5% или 0,5-1% в

концентраций

благоприятных случаях,

растворенных 0,01- 10

применимость для анализа

форм и суммы мг/ дм 3

веществ с большим или малым

растворенных и (ПНД Ф

Спектрофото- содержанием каких-либо

нерастворенных 14.1:2.21

метрический компонентов, возможность

форм кобальта, 4-06

метод определения примесей, высокая

железа, никеля, (ФР.1.31

чувствительность,

кадмия, марганца, .2007.03

экспрессность, простота /

цинка, меди, 809)

полная минерализация

хрома и свинца в

исследуемой пробы, большая

природных и

вероятность введения

сточных водах

загрязненийтребует большого

объема пробы и времени

анализа

Высокая производительность

за счет относительно простой

пробоподготовки, практически

не зависят от того, в виде какого

Определение

Рентгено- соединения находится

концентраций

флуоресцентная анализируемый элемент/

различных форм <0,0015

спектрометрия ограничено количественное

элементов в г/л

(РФА) определение в пробе

природных и

содержащихся элементов за

сточных водах

счет одновременного

ослабления и усиления

рентгенофлуоресцентного

излучения

Анализ используемых методов показал, что по пределу обнаружения,

быстроте проведения, дешевизне определения метод ААС имеет преимущества

и может быть рекомендован в качестве метода определения металлов при

 16

проведении химического анализа поверхностных и питьевых вод

урбоэкосистемы. Этот метод является одним из наиболее селективных,

воспроизводимых методов химического анализа. Определение содержания

металлов в сильно окисленном воздушно-ацетиленовом пламени достаточно

селективно.

Таблица 1.1.3 – Сравнительная характеристика методов определения

анионов.

Предел

Метод Применение Достоинства /недостатки

обнаружения

Низкие пределы обнаружения

ионов, высокая

селективность, возможность

одновременного определения

неорганических и

Определение органических ионов,

массовой 0,5-1000 мг/кг экспрессность, широкий

Ионная концентрации (РД 52.18.572- интервал определяемых

концентраций, малый расход

хроматография хлорид-, сульфат-, 96)

пробы, простота подготовки

нитрат-, нитрит- пробы к анализу /невысокая

ионов стабильность ионогенных

материалов, необходимость

высокой коррозионной

стойкости

хроматографической системы

[30]

Хорошая эффективность, узкие

Определение

пики, низкие пределы

содержания

обнаружения, быстрое

неорганических 0,5-50 мг/ дм3

разделение/ возможная высокая

Жидкостная анионов: хлорид-, (ГОСТ Р

летучесть и, следовательно,

хроматография сульфат-, нитрат-, 52181-2003)

нестабильность жидких фаз,

нитрит-, фосфат-,

что затрудняет анализ

фторид-ионов

микропримесей, анализ при

высоких температурах

 17

Продолжение таблицы 1.1.3

Высокая эффективность

разделения, малый объем

анализируемой пробы, не

требуется применение

Определение высокочистых, дорогостоящих

содержания органических растворителей,

неорганических 0,5-50 мг/ дм3 простое и недорогое

Капиллярный анионов: хлорид-, (ГОСТ Р аппаратурное оформление,

экспрессность и низкая

электрофорез сульфат-, нитрат-, 52181-2003)

себестоимость единичного

нитрит-, фосфат-, анализа / невысокая

фторид-ионов концентрационная

чувствительность и требования

к анализируемым соединениям

растворяться в воде и

разбавленных водно-

органических смесях

Определение Высокая чувствительность,

хлоридов в пробах 10-250 мг/ дм3 правильность и

Аргентометрия

природных и (РД 52.24.407- воспроизводимость, простота в

.

очищенных сточных 20060) исполнении /использование

вод дорогостоящих солей серебра

Определение Большая точность – 0,01 –

сульфатов в пробах 50-500 мг/ дм3 0,005%, отсутствие

градуировок по стандартным

Гравиметрия поверхностных вод и (РД 52.24.483-

образцам / большая

очищенных сточных 2005) длительность, невысокая

вод селективность

Определение Высокая точность, высокая

Комплексоном сульфатов в пробах 5-25 мг (ГОСТ чувствительность/ не всегда

етрический поверхностных вод и 4389-72) быстрое установление

метод очищенных сточных потенциала после добавления

вод титранта

Высокая избирательность и

малые затраты времени

высокая чувствительность (

0,1–0,001 мг/л), высокая

Определение точность (0,2–0,5 %)/

0,05-1,0 мг/дм

фторидов в пробах требования образования

(ГОСТ 4386-

Фотометрия поверхностных вод и окрашенных соединений,

89)

очищенных сточных погрешность визуальных

вод методик (относительная

ошибка составляет 5 %, в

неблагоприятных условиях

около 10−20 %, иногда

снижается до 1 %)[29].

 18

Показаны преимущества использования количественного

хроматографического анализа для анализа анионного состава проб

поверхностных и питьевых вод за счет экспрессности, простоты, возможности

многократного воспроизведения.

1.2 Показатели, используемые для оценки качества поверхностных

вод

Согласно А.М.Никанорову [32], все гидрохимические показатели можно

разделить на две взаимосвязанные группы – натуральные и относительные

расчетные. Натуральные показатели Никаноров разделяет на три вида:

дифференцированные, групповые и интегральные.

Дифференцированные показатели – «компоненты природных вод,

характеризуют одно из свойств» (содержание хлоридов, сульфатов, ионов

кальция и др.).

Групповые показатели несут в себе информацию о группах веществ

(БПК, нефтепродукты, ХПК, фенолы).

Интегральные показатели – показатели, характеризующие группу

однородных свойств воды, обусловленных физико-химическими,

биохимическими свойствами (рН, растворенный кислород, жесткость воды и

др.). При оценке качества природных вод натуральные показатели

сравниваются с нормативными значениями.

Комплексные показатели (таблица 1.2.1) отражают оценку

загрязненности поверхностных вод, при расчете которых сводится исходная

информация по широкому спектру наиболее информативных гидрохимических

параметров, в том числе и разнородных по своим свойствам, с целью получения

однозначной оценки [53,126].

 19

Таблица 1.2.1 – Показатели для оценки загрязненности поверхностных

вод

№ Показатели Формула Содержание

1 Коэффициент Предложен В.Р.Лозанским с

загрязненност 1 соавторами [119] для оценки

КЗ = П

и КЗ уровня загрязненности водных

где i – номера показателей объектов

качества воды (либо групп с

одинаковым лимитирующим

признаком вредности (ЛПВ)); j –

номера створов (пунктов контроля);

n, Nijn– номера измерений i-го

показателя в j-мj створе и общее

количество этих измерений за

анализируемый период (квартал, год

и т.п.); N – общее число измерений

всех i показателей во всех j створах

за этот период. Величина Пijn

характеризует относительную

величину нарушения норматива на i- i

й показатель (либо на i-ю i группу

показа

показателей с одинаковым ЛПВ).

2 Гидрохимич Индекс загрязнения воды,

еский установленный

индекс , Госкомгид

Госкомгидрометом СССР,

загрязнения где: ПДКi – установленная наиболее часто используется

воды (ИЗВ) величина показателя для для оценки качества водных

соответствующего типа водного объектов (однако

объекта, Ci – концентрация необходимость применения

компонента для соответствующего данного показателя не

типа водного объекта; n – число подтверждается ни одним из

компонентов, используемых для позднее опубликованных

расчета индекса. официальных нормативных

документов).

3 Показатель С С С

ПХЗ

ПХЗ-10 = (ПДК + ПДК + ⋯ + ПДК ) Суммарный показатель

химического химического загрязнения вод

загрязнения где ПДКi – нормативы предельно ПХЗ-10, 10, названный авторами

воды допустимых концентраций в водах [10] "формализованным",

(ПХЗ-10) водных объектов рассчитывается для десяти

рыбохозяйственного значения; Сi – максимально превышающих

концентрация химических веществ в значения ПДК соединениям.

водах водных объектов.

 20

Продолжение таблицы 1.2.1

5 Методика Комплексная оценка W вычисляется Используются четыре признака

НИИ отдельно для каждого лимитирующего вредности для расчета степени

гигиены признака вредности (ЛПВ) по группе загрязнения [51], по каждому из

им. Ф.Ф. показателей по формуле которых формируется группа

Эрисмана "псевдокомпенсации": веществ и показателей качества

воды:

 критерий сан

санитарного режима

(Wc), где учитывается ХПК,

БПК5, растворенный кислород,

, и загрязнения, влияющие на

δ = санитарный режим;

 критерий органолептических

n – число показателей, свойств ((Wф), где учитывается

используемых в расчете; Ni – взвешенные вещества, запах,

нормативная величина одного ХПК и вещества, нормируемые

показателя (часто Ni = ПДКi). по органолептическому

Если δi < 1, т.е. концентрация менее признаку вредности;

нормативного значения, тогда  критерий, учитывающий

принимается δi = 1. опасность санитарно

санитарно-

токсикологического

загрязнения ((Wст), где

учитывается ХПК и вещества,

нормируемые по санитарно

санитарно-

токсикологическому признаку;

 эпидемиологический критерий

(Wэ) учитывает опасность

микробного загрязнения.

6 Метод Комплексная оценка загрязнения воды В работах В.П. Емельяновой с

классифика определяется как относительное число соавт. [28] предложен способ

ции показателей, превышающих уровень упрощения вычисления баллов

качества концентрации: по показателям, это обобщение

вод по В.П. ПДК, 10×ПДК,

10 30×ПДК и т. д. сразу избавляет от трудностей,

Емельянов связанных с установлением

ой. балльных оценок. Не

учитывается различие

биологического воздействия

веществ. Способ очень простой

и может быть эффектив

эффективным.

7 Экотоксик Степень загрязнения

ологически токс = оценивается суммой

ПДК

й критерий Следующих показатели (сульфат-

(сульфат превышений концентрации

по Т.И. ионы, содержания взвешенных соответствующих элементов

Моисеенко веществ и общей минерализации) (Ci) к предельно допустимым

[1995] оценивается не по которым кратность концентрациям (ПДКi ). / к

превышения концентраций относится максимальным фоновым

к ПДК, а к максимальным

макси фоновым значениям (Хф-х)

значениям:

ф-х = ( − 1)

фон.max

 21

Продолжение таблицы 1.2.1

8 Комплексная Для каждого показателя Данный подход более жестко

оценка рассчитывается частная функция оценивает качество воды, чем,

загрязненност желательности Харрингтона по традиционно используемый

и вод по Г.Т. формуле[126]: подход индекс загрязненности

Фрумину и = - вод в системе

Л.В. Баркану Безразмерная величина Pi ,Роскомгидромета, так как

[1997] рассчитывается по формуле среднегеометрическая

величина по значению

= + меньше, чем

ПДК

где Ci и ПДКi –измеряемая и среднеарифметическая.

предельно допустимая концентрации i-

го показателя, b0 и b1 –коэффициенты,

зависящие от типа показателя и класса

качества воды

9 Комбина- В данном методе для каждого Комбинаторный индекс

торный показателя рассчитывают Кi – баллы загрязненности (по сравнению

индекс кратности превышения ПДК, Нi с ИЗВ) представляет собой

загрязнен- повторяемость случаев превышения, сумму общих оценочных

ности Bi -общий оценочный балл : баллов всех рассчитываемых

показателей. По SA

= устанавливается класс

ПДК

ПДК загрязненности

= поверхностных вод

= ×

где Сi –фактическая

концентрация в воде i -го показателя;

ПДКi – предельно допустимая

концентрация i-го показателя для вод

рыбохозяйственного назначения; NПДКi

– число превышения ПДК по i-му

показателю; Ni – общее число

измерений i-го показателя.

Комбинаторный индекс

загрязненности воды SA (в створе А)

определяется как сумму обобщенных

оценочных баллов по каждому

показателю:

=∑

10 УКИЗВ Удельный комбинаторный

′ = индекс загрязненности воды

общ

позволяет оценить степень

загрязненности воды

одновременно по широкому

перечню показателей,

определяет класс

загрязненности воды в

зависимости от уровня.

 22

Таким образом, расчет комплексных показателей для оценки качества

поверхностных вод дает возможность упростить процессы анализа масштабных

мониторинговых данных о химическом составе поверхностных вод и

преобразовать ее в показатели, для оценки степени загрязненности и

представить мониторинговые данные для использования в удобной форме для

систем принятия водоохранных решений.

Классы загрязненности воды с качественными характеристиками

используются для оценки степени загрязненности поверхностных вод

комплексом учитываемых и показателей качества воды.

Многие ведущие специалисты предметной области, в особенности

специалисты-практики, отмечают, что приведенные в обзорной таблице

стандартные методики не обеспечивают достаточной адекватности

интегральных оценок качества поверхностных вод [41,54,104,118,145].

Искажения вызваны отсутствием:

 стандартизованности – комплексные критерии ориентированы на

использовании любых имеющихся материалов измерений, для которых

определены ПДК или другой порог;

 робастности - используются данные различной точности,

поскольку при расчетах применяются операции осреднения и суммирования

данных;

 монотонность по компонентам – характеризует как ухудшение

качества воды увеличение числа учитываемых загрязняющих компонентов.

Более того, отсутствие строго физического и математического

обоснования используемых оценок, наличие эмпирических поправочных

коэффициентов, а также наличие множества неучитываемых в предлагаемых

оценках факторов, вносят значительную неточность в результаты оценки.