Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы. Сточные воды как экологический фактор антропогенной трансформации окружающей среды. 8
1.1. Классификация сточных вод 10
1.2. Характеристика основных показателей сточных вод 17
1.3. Эколого-экономическая характеристика Нижегородской, Костромской, Владимирской областей и Республики Чувашия.. 22
1.4. Речной бассейн. Строение гидрографической сети бассейна 35
1.4.1. Морфометрическая характеристика речного бассейна 37
1.4.2. Фрактальная структура речных бассейнов 39
1.5. Теоретические основы экологического зонирования территорий и акваторий 44
1.6. Терминология и обоснование метода биологического тестирования 48
Глава 2. Материалы и методы исследования 52
2.1. Источники данных 52
2.2. Гидрографическая схема 53
2.3. Алгоритмы расчёта коэффициентов нагрузки на водоток и бассейн загрязненными сточными водами 57
2.4. Биологическое тестирование природных вод с использованием дафний 59
2.5. Методы сжатия экологической информации 61
Глава 3. Экологическое зонирование субъектов федерации по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа 67
3.1 Экологическое зонирование Нижегородской области по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа.67
3.1.1. Анализ и актуализация данных формы 2 ТП (водхоз) 68
3.1.2. Гидрографо-гидрологическая характеристика Нижегородской области 78
3.1.3. Фрактальный анализ речной сети на примере Нижегородской области 79
3.1.4. Расчет коэффициентов нагрузки на водотоки и подбассейны...88
3.1.5. Экотоксикологическая характеристика воздействия сточных вод на природные водные объекты 96
3.2. Экологическое зонирование Костромской области по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа.99
3.2.1. Гидрографо-гидрологическая характеристика Костромской области .99
3.2.2. Расчет коэффициентов нагрузки на водотоки и подбассейны...101
3.3. Экологическое зонирование Владимирской области по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа 107
3.3.1. Гидрографо-гидрологическая характеристика Владимирской области 107
3.3.2. Расчет коэффициентов нагрузки на водотоки и подбассейны...Ю9
3.4. Экологическое зонирование Республики Чувашия по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа 120
3.4.1. Гидрографо-гидрологическая характеристика Республики Чувашия 120
3.4.2. Расчет коэффициентов нагрузки на водотоки и подбассейны...122
Глава 4. Сравнительный анализ экологической обстановки в субъектах федерации по степени нагрузки сточными водами 126
Выводы 132
Литература 133
Приложение 139
Введение к работе
Актуальность работы. Антропогенные нагрузки на бассейн водосбора являются непосредственной причиной ухудшения экологического состояния водных экосистем, это отражается в изменениях показателей среды и биоты, связанных с модификацией трофики водного объекта. Для формирования целостных представлений об антропогенном воздействии на гидросферу и, в частности, анализа пространственного распределения нагрузки сточными водами необходимо применение интегрального междисциплинарного подхода основанного на бассейновом принципе экологического зонирования территории. На практике отчетливо просматривается тесная связь между нагрузками на территорию водосбора и теми показателями, которые определяют состояние водной экосистемы. По меткому замечанию современного крупнейшего гидробиолога и эколога Р.Маргалефа (1992, с. 72) «...химический состав речной воды является индикатором здоровья сухопутных экосистем на водосборном бассейне, также как состав мочи служит показателем здоровья человека». Таким образом, для комплексной оценки состояния водной экосистемы и направления протекающих процессов необходимо рассматривать в единой системе территорию водосборного бассейна и водный объект. Все вышесказанное в полной мере относится к Волжскому бассейну (Розенберг, Краснощекое, 1996; Найденко, 2003).
Целью работы явилось экологическое зонирование территорий Нижегородской, Костромской и Владимирской областей, а также республики Чувашия (далее субъектов федерации), на основе комплексной оценки уровня антропогенной нагрузки сточными водами с учетом бассейнового принципа.
Задачи исследования
1. Актуализировать сведения о сбросах загрязненных сточных вод в поверхностные водные объекты субъектов федерации по данным формы 2 ТП (водхоз) за 2005г.
Систематизировать гидрографические характеристики водных объектов субъектов федерации, являющихся приемниками загрязненных сточных вод от населенных пунктов.
Обосновать и верифицировать количественные оценки отсутствующих в справочной литературе гидрографических параметров водных объектов субъектов федерации на основе современных представлений о фрактальной геометрии речных бассейнов.
Обосновать алгоритмы расчета коэффициентов нагрузки загрязненными сточными водами на речной бассейн с учётом демпфирующей роли его экологической ёмкости и провести соответствующие расчеты.
Изучить экотоксикологическое воздействие сточных вод на выделенные подбассейны на примере ряда водотоков Нижегородской области
Дать интегральную оценку эколого-социальной обстановки в субъектах федерации с помощью обобщенной функции желательности.
Провести экологическое зонирование субъектов федерации по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа. Научная новизна работы. Разработана процедура идентификации
водопользователей, обуславливающих лимитирующую нагрузку на водоток сточными водами, а также методы интегральной оценки эколого-социальной обстановки в субъектах федерации с помощью обобщенной функции желательности. С помощью фрактальной модели впервые получены гидрографо-гидрологические характеристики водотоков, учтенных в форме 2 ТП (водхоз) для Нижегородской области. Предложены и обоснованы алгоритмы оценки нагрузки загрязненными сточными водами на водоток и речной бассейн с учётом демпфирующей роли его экологической ёмкости. Оценена экотоксикологическая опасность сточных вод выделенных подбассейнов. Проведено экологическое зонирование территории субъектов федерации.
На защиту выносятся следующие положения
Уточненный перечень притоков рек Волги и Оки и их подбассейнов, являющихся приемниками сточных вод на территории Нижегородской, Владимирской, Костромской областей и Республики Чувашия.
Уточненные гидрографо-гидрологические характеристики водотоков Нижегородской, Владимирской и Костромской областей, а также Республики Чувашия, с указанием длины водотока, площади водосбора и среднегодового стока, полученные на основе фрактальной модели.
Алгоритмы оценки нагрузки загрязненными сточными водами на водоток и речной бассейн с учётом демпфирующей роли его экологической ёмкости.
Экологическая оценка нагрузки сточными водами на бассейны рек Нижегородской, Владимирской, Костромской областей и Республики Чувашия с помощью обобщенной функции желательности.
Практическая значимость работы. Построены гидрографические схемы водотоков субъектов федерации, являющихся приемниками сточных вод. Разработанные подходы использованы для проведения экологического зонирования территории Нижегородской области по степени нагрузки сточными водами (заказчик - Комитет охраны природы и управления природопользованием Нижегородской области). Методика использовалась для анализа эффективности обращения с отходами на ОАО «ГАЗ» (заказчик ОАО ГАЗ). Полученные алгоритмы применялись при проведения государственного мониторинга водных объектов на территории Владимирской и Костромской областей, а также Республики Чувашия (заказчики - Верхне-Волжское бассейновое водное управление; территориальный центр государственного мониторинга геологической среды и водных объектов Владимирской области; территориальный центр государственного мониторинга геологической среды и водных объектов Костромской области «Костромагеомониторинг»; Центр лабораторного
анализа и технических измерений по Чувашской Республике «ФГУ «ЦЛАТИ» по ПФО»).
Апробация работы и публикации Результаты работы были доложены на VIII Всероссийском популяционном семинаре «Популяции в пространстве и времени» (Нижний Новгород, 2005), IX съезде Гидробиологического общества РАН (Тольятти, 2006). По результатам исследования опубликовано 6 работ.
Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на страницах, включая таблиц, рисунков и список литературы, состоящий из источников, в том числе иностранных.
Личный вклад автора Автор разрабатывал алгоритмы для оценки уровня антропогенной нагрузки сточными водами территории на основе бассейнового принципа. Осуществлял анализ материалов, характеризующих водоотведение в Нижегородской, Владимирской, Костромской областях и Республики Чувашия. Проводил обработку и обобщение полученных результатов. Принимал участие в отборе проб из водоёмов, являющихся приемниками сточных вод для биотестирования.
Благодарности:
Автор выражает благодарность сотрудникам ННГУ: Безрукову М.Е., Иудину Д.И., Шургановой Г.В., Юниной В.П., а также Зоновой М.И. (ВВБВУ), Панютину А.А. (ВВУГМС) за оказанную консультационную и методологическую помощь при выполнении диссертационной работы.
Классификация сточных вод
Антропогенная трансформация гидросферы - это весьма многоаспектный процесс. В процессе использования воды часть её испаряется, теряется из-за утечек или включается в промежуточные и конечные продукты - всё это называется неудачным термином «безвозвратные» потери, хотя на самом деле эта вода снова включается в глобальный круговорот. Остальная часть воды вместе с включенными в неё загрязняющими веществами поступают в естественные водные объекты, иногда проходя специальную очистку, а часто без всякой очистки. Образовавшиеся таким образом сточные воды оказывают большое влияние на гидросферу. В современном производстве используется широкая номенклатура технологических процессов, связанных с использованием воды и образованием загрязненных стоков, основная масса которых не может быть сброшена в городскую систему канализации или в водоем без предварительной очистки на локальных очистных сооружениях (Найденко, Губанов, 1999).
Сточной водой называется использованная на бытовые или производственные нужды вода, получившая при этом загрязнения, изменившие ее первоначальный химический состав или физические свойства (или одновременно и то, и другое), и подлежащая удалению с территории населенного пункта или промышленного предприятия. Понятие «сточные воды» объединяет различные по происхождению, составу и свойствам воды, которые, будучи использованы человеком для каких-либо целей, получили дополнительные загрязнения и в результате изменили свое качество (Яковлев, Воронов, 2003). Того единовременного запаса пресной воды, который находится в поверхностных водоёмах суши недостаточно для разбавления объёма сточных вод. Сточные воды чрезвычайно разнообразны по составу, а, следовательно, и по своим свойствам. Знание состава сточных вод и характера присутствующих примесей - основное условие, позволяющее правильно выбрать методы очистки и наиболее эффективный технологический прием очистки. В зависимости от происхождения, вида и качественной характеристики примесей сточные воды подразделяют на три основные категории: бытовые, производственные и атмосферные (ливниевые).
Бытовые (хозяйственно-фекальные) сточные воды поступают в водоотводящую сеть от жилых домов и бытовых помещений различных предприятий общественного питания и больниц. Бытовые сточные воды всегда содержат большое количество микроорганизмов. Особенностью бытовых сточных вод характеризуется относительное постоянство их состава. Основная часть органических загрязнений бытовых сточных вод представлена белками, жирами, углеводами и полупродуктами их разложения. Из общей массы загрязнений бытовых сточных вод на долю органических веществ приходится 45 - 58%. Неорганическая часть загрязнений составляют частицы песка, глины, а также соли, присущие питьевой воде и образующиеся в процессе обменных реакций в организме человека.
Воды, образующиеся в результате использования воды в технологических процессах различных производств, добыче полезных ископаемых, а также воды, прошедшие через загрязненную территорию промышленных предприятий и не пригодные для вторичного использования называются производственными сточными водами. Кроме того, источниками сточных вод являются маточные водные растворы, водные экстракты, реэкстракты и адсорбенты, выделяющиеся из сырья при проведении технологических процессов, свободная и связанная влага, вода, загрязненная в процессе эксплуатации различного оборудования.
Характер загрязнений и концентрация их в производственных сточных водах чрезвычайно разнообразны и зависят как от вида производства, так и от принятого технологического режима. Производственные сточные воды могут быть загрязнены примесями преимущественно неорганической или органической природы, либо содержать те и другие. Они могут иметь в своем составе специфические виды микроорганизмов, часто содержат ценные вещества, токсичные примеси и т.д. Загрязнения производственных сточных вод могут находиться во всех агрегатных состояниях. Выпуск производственных сточных вод в водоотводящую сеть города может быть равномерным или неравномерным, непрерывным или залповым, наконец, сезонным. Производственные сточные воды можно разделить на две основные категории: загрязненные и незагрязненные (условно чистые) (Кривошеий и др., 2003).
Гидрографическая схема
Для наглядного представления структуры речного бассейна были построены гидрографические схемы, основанные на морфометрических данных водотоков. Определение длины рек и ручьев, площадей их водосборов осуществлялось по данным работы (Ресурсы..., 1973) и топографическим картам субъектов федерации. Для расчёта площади водосбора и длины реки использовались формулы из (Нежиховский, 1971; Чеботарев, 1963). Данные по среднему многолетнему стоку брались из таблиц, приведенных в работе (Ресурсы...,1973). Для ряда водотоков, субъектов федерации включенных в форму 2 ТП (водхоз) такие данные в работе (Ресурсы...,1973) отсутствуют. В этом случае в качестве метода оценки объема стока применяли метод аналогий, заключающийся в том, что объем стока с бассейна реки, на которой отсутствуют гидрологические наблюдения, определяется по аналогии с данными исследованного бассейна, с учетом метеорологических характеристик (Чеботарев, 1963).
Измерение длин и площадей основным способом. Измерение длины реки. Измерение длины реки производится или циркулем с постоянным раствором, равным 1 мм, или усовершенствованным курвиметром. При измерении длины реки циркулем постоянный раствор его, равный 1 мм, перед началом работ должен быть тщательно установлен и в процессе работ периодически проверяться на так называемом «пробном базисе». Длина реки измеряется дважды: вначале от устья до истока с фиксацией числа отложений раствора до каждой засечки (доли мм, оцениваются на глаз), затем в обратном направлении, но по отдельным участкам (между засечками). Расхождение между количеством отложений при первом и втором измерениях участка не должно превышать 2%. По среднему значению числа отложений рабочего раствора циркуля между засечками путем умножения его на величину масштаба карты получают измеренную длину отдельных ее участков, различных по характеру извилистости.
Измерение площади водосбора. Измерение площади водосбора по топографическим картам можно производить планиметром, палеткой и методом взвешивания. Методика измерения площади планиметром. При работах с листами карт масштаба 1:100000 или 1:200000, на которых даны линии километровой сетки, цена деления планиметра определяется путем обвода квадрата со стороной, равной, например, 10x10 см. Цена деления планиметра вычисляется до четырех значащих цифр. При измерении площадей карта укрепляется на гладком столе или чертежной доске. Полюс планиметра устанавливается вне фигуры и с таким расчетом, чтобы угол между рычагами при обводе фигуры был как можно ближе к прямому или, во всяком случае, был не менее 30 и не более 150. Перед началом и после обвода фигуры записывается отсчет, снятый со счетного механизма планиметра. Обводка каждого контура производится при двух положениях полюса относительно обводного рычага: один раз при полюсе право, другой - при полюсе лево. Расхождения между результатами обводов не должны превышать табличных значений. В тех случаях, когда расхождения в числе делений между обводами превышают величины, приведенные в таблице, работа повторяется заново до получения удовлетворительных результатов.
Анализ и актуализация данных формы 2 ТП (водхоз)
Наиболее универсальными тест-организмами по чувствительности и адекватности реагирования на различные токсиканты являются дафнии и цериодафнии (Постнов, 2001).
Эксперимент по установлению острого токсического действия проводился на дафниях (Daphnia magna Straus, Cladocera, Crustacea). Для определения острого токсического действия проводилось биотестирование исследуемой воды и нескольких её разбавлений. Определение токсичности каждой пробы без разбавления и каждого разбавления проводилось в трех параллельных сериях. В качестве контроля использовались три серии с культивационной водой. При постановке экспериментов исследовались 6 концентраций (100% - без разбавления, 50% - проба разбавленная культивационной водой в два раза, 25% - в 4 раза, 6,25%) - в 16 раз, 2% - в 50 раз и 1%в 100 раз).
Биотестирование проводилось в химических стаканах объемом 150 - 200 см3, в которые наливалосьЮО см3 исследуемой воды, в нее помещается по десять дафний в возрасте 6 - 24 ч. Возраст определялся по размеру рачков. Рачков по одному вносили в стакан с исследуемой водой. Посадка начинали с контрольной серии. В исследуемые растворы дафнии помещались, начиная с больших разбавлений к меньшим разбавлениям. После каждого пересаживания сачок тщательно промывался культивационной водой.
Эксперименты проводились по схеме кратковременного биотестирования (96 часов), что позволило определить острое токсическое действие исследуемой воды по выживаемости дафний. Учет смертности дафний в опыте и контроле проводится через каждый час до конца первого дня опыта, а затем два раза в сутки ежедневно до истечения 96 часов. Неподвижные особи считаются погибшими, если не начинают двигаться в течение 15 секунд после легкого покачивания стакана. Критерием токсичности является гибель 10% (Лкрю-9б) дафний за наблюдаемый период по сравнению с контролем. Степень токсичности вод характеризуется величиной (кратностью) их разбавления, при котором отсутствует острое токсическое действие на тест-объекты и достигается безвредная кратность разбавления вод (Бкр) соответствующая Лкрю-96.
Определение результатов битестирования в эксперименте на ракообразных. При определении острой токсичности питьевых, сточных, поверхностных, грунтовых вод, осадков сточных вод, отходов и их разбавлений устанавливается:
Средняя летальная кратность разбавления вод, водных вытяжек, вызывающих гибель 50% тест-объектов за 96-часовую экспозицию (Лкр50.9б);
Безвредную кратность разбавления вод, водных вытяжек, вызывающих гибель не более 10% тест-объектов за 96-часовую экспозицию (БКР).
Для определения острой токсичности исследуемых вод, водной вытяжки рассчитывался процент погибших в тестируемой воде дафний (А, %) по сравнению с контролем:
При А 10% тестируемая вода или водная вытяжка не оказывает острого токсического действия. При А 50% тестируемая вода, водная вытяжка оказывает острое токсическое действие.
Если экспериментально не удалось получить точного значения кратности разбавления вызывающего 50% гибель дафний за 96 часов экспозиции, то для получения точного значения Лкр5о-9б используется графический метод определения, основанный на изучении зависимости между логарифмами испытанных в эксперименте доз и пробитами, соответствующими наблюдавшимся эффектам.
Для получения линейной зависимости результаты эксперимента по установлению острого токсического действия заносятся в таблицу, значения пробитов устанавливаются по справочной таблице, в которой содержатся значения пробитов для любой частоты эффекта. В таблицу заносятся значения пробитов для экспериментально установленного процента гибели дафний и значения десятичных логарифмов для исследованных концентраций сточных вод, водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов. По значениям пробитов и десятичных логарифмов от экспериментально полученных данных строится график, на котором по оси абцисс откладываются значения логарифмов концентрации исследуемых вод, выраженных в процентах, по оси ординат - пробиты значений процента гибели дафний. Экспериментально полученные значения наносятся на график и по ним строится зависимость гибели тест-организмов от концентрации исследуемого раствора. По точкам строится прямая, таким образом, чтобы по возможности лучше соответствовать этим точкам. Затем на оси абцисс находят значение концентрации для той точки на проведенной прямой, которому соответствует величина пробита равная 5. Эта концентрация соответствует Лкр5о-9б- Полученный логарифм концентрации преобразуют в процентную концентрацию (Жмур, 1997; Гелашвили и др., 1995; 1998; Методика определения..., 1999; Cgandler, 1970; Bargos et. Al, 1990; Giller, 2005).
