Методики Определения Качества Моской Среды.

Существуют множество методов определяющих качество морской среды. Среди большого множества методов наиболее часто используемыми являются:

• Индекс Загрязнения Вод (ИЗВ)
• Предельно Допустимая Концентрация (ПДК)
• Рекомендации по применению действующих нормативно-методических документов в целях определения фоновой концентрации загрязняющих веществ при расчете НДС водовыпусков во внутренние морские воды и территориальное море Российской Федерации
• Методы оценки уровня эвтрофикации морских вод E-TRIX / BEAST

В качестве другого основного метода для описания качества вод и сравнения по этому параметру различных акваторий применяются расчетные значения индекса загрязненности вод (ИЗВ), позволяющие отнести воды исследуемого района к определенному классу чистоты.

Таблица ИЗВ.

Правила расчета индекса загрязненности вод определены «Методическими Рекомендациями по формализованной комплексной оценке качества поверхностных и морских вод по гидрохимическим показателям» (Москва, Госкомитет СССР по гидрометеорологии, 1988). В этих Методических Рекомендациях для расчета оценки качества пресных вод по ИЗВ установлено использование шести показателей (ингредиентов), имеющих наибольшие значения, независимо от того, превышают они ПДК или нет. В набор включены показатели растворенного кислорода и БПК₅. Для морских вод при расчете индекса используют четыре параметра с обязательным включением в этот список растворенного кислорода. Для морских вод ИЗВ рассчитывается по формуле:

где С_i – концентрация трех наиболее значительных загрязнителей, среднее содержание которых в воде исследуемой акватории в наибольшей степени превышало ПДК. Четвертым обязательным параметром является содержание растворенного в воде кислорода, для которого значение в формуле рассчитывается делением норматива  на реальное содержание.

Таблица Нормативов содержания растворенного в воде кислорода

Для пресных вод наиболее информативными комплексными оценками являются индексы загрязненности воды (комбинаторный КИЗВ и удельный УКИЗВ), класс качества воды и некоторые другие показатели (РД 2002). Значение УКИЗВ может варьировать в водах различной степени загрязненности от 1 до 16. Большему значению индекса соответствует худшее качество воды в различных створах, пунктах и т.д. Классификация качества пресной воды, проведенная на основе значений УКИЗВ, позволяет разделять поверхностные воды на 5 классов в зависимости от степени их загрязненности: 1-й класс - условно чистая; 2-й класс - слабо загрязненная; 3-й класс - загрязненная; 4-й класс - грязная; 5-й класс - экстремально грязная.

Обязательный перечень показателей и ингредиентов для расчета комплексных оценок качества пресных вод содержит 15 позиций: 1. Растворенный в воде кислород, 2. БПК₅(О₂), 3. ХПК, 4. Фенолы, 5. Нефтепродукты, 6. Нитрит-ионы (NO₂), 7. Нитрат-ионы (NO₃), 8. Аммоний-ион ( NH₄⁺), 9. Железо общее, 10. Медь (Cu²⁺), 11. Цинк (Zn²⁺), 12. Никель (Ni²⁺), 13. Марганец (Mn²⁺), 14. Хлориды, 15. Сульфаты (РД 2002). В морских водах обычно не измеряют 2, 3, 14 и 15 позиции, зато очень распространено измерение концентрации общего азота и фосфора, фосфатов, СПАВ и ртути, часто необходимых для расчетов баланса биогенных элементов или являющимися характерными загрязнителями отдельных участков моря.

Кроме индекса ИЗВ для оценки уровня качества морских вод, по аналогии с расчетами показателей пресных вод (РД 2002), могут использоваться три коэффициента загрязненности вод:
1) комплексности - отношение числа веществ, содержание которых превышает норму, к общему числу нормируемых ингредиентов, определяемых на исследуемой акватории; незначительная комплексность загрязненности воды водного объекта (K < 10%) и более высокая комплексность (K > 10%).
2) устойчивости (повторяемость случаев загрязненности по отдельным ингредиентам) - количество проб, в которых обнаружено превышение ПДК; характеристика загрязненности воды по коэффициенту повторяемости – 1-10% единичная, 10-30% неустойчивая, 30-50% устойчивая и 50-100% характерная.
3) уровня – максимальная или средняя кратность превышения ПДК для каждого отдельного нормируемого ингредиента; Характеристика уровня загрязненности по кратности – 1-2 низкий, 2-10 средний, 10-50 высокий и более 50 экстремальный.

В начало страницы

Предельно допустимая концентрация (ПДК) — утверждённый в законодательном порядке санитарно-гигиенический норматив. Под ПДК понимается такая концентрация химических элементов и их соединений в окружающей среде, которая при повседневном влиянии в течение длительного времени на организм человека не вызывает патологических изменений или заболеваний, устанавливаемых современными методами исследований в любые сроки жизни настоящего и последующего поколений.

На состояние растений и животных могут отражаться концентрации, существенно меньше ПДК. Например, загрязнения воздуха сернистым газом до концентрации в 10 раз меньшей ПДК вызывает хроническое или кратковременное поражение листьев растений, замедление роста, снижение урожайности.

Химический анализ проб воды и донных отложений производится в соответствии с методами, изложенными в разработанных в ГОИН руководящих документах: Руководство по химическому анализу морских вод (РД 52.10.243-92, 1993) и Определение загрязняющих веществ в морских донных отложениях и взвеси (РД 52.10.556-95, 1996).

Уровень загрязненности морских вод и донных отложений характеризуется концентрацией отдельного химического соединения или ингредиента в принятых для него единицах измерения, а также значением, кратным предельно допустимой концентрации (ПДК) этого загрязнителя в морской воде (табл. А.1). «ПДК представляет максимальную концентрацию вредного вещества, при которой в водоеме не возникает последствий, снижающих его рыбохозяйственную ценность. Экспериментально ПДК устанавливается по наиболее чувствительному звену трофической цепи водоема». Определение сделано в документе «Нормативы качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативы предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения», утвержден приказом Руководителя Федерального агенства по рыболовству А.А. Крайнего №20 от 18 января 2010 г., зарегистрировано Министерством юстиции 9 февраля 2010 г., №16326.

Таблица Предельно допустимые концентрации отдельных загрязняющих веществ и биогенных элементов в морских и пресных водах (ПДК, 2010).

В начало страницы

1. 1. В соответствии с [1] п. 4.3 и [2] п. 2.2.1в, за фоновую концентрацию нормированного вещества во внутренних морских водах и территориальном море России принимается среднеарифметическое значение его концентрации для наименее благоприятного периода. Однако, поскольку статистические расчеты сопряжены с ошибками, следует исходить из более корректного определения [3]: за фоновую концентрацию вещества Сф* принимается статистически обоснованная верхняя доверительная граница возможных средних значений концентрации этого вещества, рассчитанная по результатам гидрохимических наблюдений для наиболее неблагоприятного в отношении качества морской воды периода (сезона) в годовом цикле.
   
   
2. Значение фоновой концентрации вещества Сф* рассчитывается для конкретных участков морской акватории и считается статистически обоснованным, если оно определено с доверительной вероятностью Р = 0,95.
   
   
3. При расчете фоновой концентрации вещества Сф* в морских водах используются  данные регулярных наблюдений (мониторинга) в выбранном районе не менее чем за один год - при ежемесячной, ежедекадной частоте отбора проб морских вод и не менее чем за пятилетний период при 4х разовом отборе проб морских вод в течение года (письмо Росгидромета  №652 от 12.11.2001г.).
   
   
4. Для расчета фоновой концентрации выбираются станции (точки) систематических наблюдений (мониторинга), расположенные на морской акватории вне зоны влияния действующих выпусков сточных вод, одиночных или совокупных.
   
   
5. Зона влияния одиночных водовыпусков представляет собой круг радиусом 5 км от водовыпуска (п. 57 [1]), что обусловлено характерной для прибрежной зоны морей высокой степенью изменчивости морских течений, как по скорости, так и по направлению.
   
   
6. Устья впадающих в море рек рассматриваются в качестве береговых выпусков сточных вод (п. 70 [1]).
   
   
7. В случае, если действующих водовыпусков (включая устья впадающих в море рек) несколько, а расстояние между ними не превышает 5 км, они рассматриваются как совокупность водовыпусков (п. 69 [1]).
   
   
8. Границы зоны влияния совокупных водовыпусков устанавливаются на расстоянии 5 км влево и вправо от крайнего водовыпуска (или устья реки) вдоль береговой линии (п.72). В направлении, перпендикулярном береговой линии, граница зоны влияния совокупных водовыпусков расположена на расстоянии 5 км от наиболее удаленного от береговой линии водовыпуска.
   
   
9. В случае неравномерного распределения концентрации вещества по району мониторинга (например, в зоне неполного смешения сточных вод с морской водой) принимается Сф*, которая рассчитана для участка (одной или нескольких станций контроля) с наиболее высокой концентрацией этого вещества.
   
   
10. Для расчета Сф* выбираются контрольные точки (станции мониторинга), находящиеся вне зоны влияния действующих водовыпусков и речного стока. Для каждой контрольной точки (станции мониторинга) и сезона года (зима, весно, лето, осень) формируются массивы данных о концентрации нормируемого вещества за последние 5 лет.
    
    
11. Из массива данных для каждой контрольной точки и каждого сезона года по методике, изложенной в п.5.5.1 [3], исключаются непоказательные экстремальные значения. Для этого рассчитываются величины I ' и I " по формулам
    
    

    	(1)
    	(2)

    
    где Сср, С maх , C min - соответственно средняя, максимальная и минимальная концентрация вещества за рассматриваемый период (сезон);
    σ - среднеквадратическое отклонение значений концентрации вещества за тот же период (сезон).
    В том случае, если I ' > I н или I " > I н (где I н - нормативное значение, определяемое по таблице 1), то соответствующее экстремальное значение концентрации вещества исключается из рассматриваемого ряда данных. Процедура повторяется один или несколько раз, пока не будет выполняться приведенные выше условия для I ' и I ".
    Таблица 1. Предельные значения I _н (п.5.5.1 [3])

    n	I н	n	I н	n	I н	n	I н
    3	1,150	10	2,180	17	2,480	50	2,860
    4	1,460	11	2,230	18	2,500	200	3,076
    5	1,670	12	2,290	19	2,530	250	3,339
    6	1,820	13	2,330	20	2,560	500	3,528
    7	1,940	14	2,370	25	2,635
    8	2,030	15	2,410	30	2,696
    9	2,110	16	2,440	40	2,792

12. Для каждой контрольной точки (станции мониторинга) и сезона года, где количество значений n, оставшихся после отбраковки, составляет не менее 5, рассчитывается средняя концентрация вещества. На основе анализа средних значений концентрации во всех контрольных точках и сезонах года определяется максимальная средняя концентрация. Выявленная на этой основе контрольная точка считается относящейся к максимально загрязненному участку, а сезон - к наиболее неблагоприятному периоду.

     

13. Для наиболее загрязненного участка и наиболее неблагоприятного сезона определяется искомое значение фоновой концентрации вещества С*ф (п. 5.5.4 в [3]). Формула для расчета фоновой концентрации вещества С*ф имеет вид:

     

    (3)

    
    где С*ф - средняя концентрация вещества в основном сезоне; σ - среднеквадратическое отклонение значений концентрации в этом сезоне; n - число данных наблюдений в данном сезоне. tst - коэффициент Стьюдента при доверительной вероятности 0,95 (см. приложение В в [3]). При расчете фоновой концентрации кислорода знак плюс в формуле (3) заменяется на знак минус. Реальная фоновая концентрация вещества в рассматриваемом районе с вероятностью 95% не превысит значения, рассчитанного по формуле (3).

Использованные источники

1. Методика разработки нормативов допустимых сбросов веществ и микроорганизмов в водные объекты для водопользователей. Утверждена приказом МПР №333 от 17 декабря 2007 г. Зарегистрировано в Минюсте РФ 21 февраля 2008 г. N 11198. http://www.centreco.ru/projects_nds.php
2. СанПиН 2.1.5.2582-10. Санитарно-эпидемиологические требования к охране прибрежных вод морей от загрязнения в местах водопользования населения. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы Утверждены Постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 27.02.2010г. Зарегистрировано в Минюсте РФ 23.03.2010г. http://www.norm-load.ru/SNiP/Data1/57/57909/index.htm
3. РД 52.24.622-2001 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ. Проведение расчетов фоновых концентраций химических веществ в воде водотоков. http://www.gosthelp.ru/text/RD52246222001Metodicheski.html

Расчет фонового значения концентрации нефтяных углеводородов в прибрежных морских водах на примере района Сочи (Пример)

1. Анализ карты совместного расположения станций (точек) контроля (мониторинга) качества морской воды и точек водовыпуска в районе Сочи (рис. 1) показывает, что вне зоны влияния водовыпусков находится только одна станция мониторинга, а именно VI, удаление которой от берега составляет около 6.0 км.
2. Для расчета фонового значения концентрации нефтяных углеводородов используются данные за 5 лет,  с 2008 по 2012г.г., для весны, лета и осени, поскольку количества данных для зимы составляет менее 5 значений (табл. 1).
   
   Таблица 1. Исходные данные о концентрации нефтяных углеводородов (мг/дм3)  в морской воде на ст. VI в районе Сочи по данным наблюдений в разные сезоны года в 2008-2012г.г.
   
   

   Зима	Весна	Лето	Осень
   0,03 0,04	0,08 0,07 0,02 0,08 0,03 0,04 0,03 0,04	0,00 0,08 0,00 0,03 0,04 0,01 0,06 0,02 0,01 0,03 0,00 0,00 0,02 0,02 0,00 0,01 0,00 0,00	0,03 0,05 0,01 0,08 0,08 0,02 0,02 0,02 0,01 0,03

3. На основе соотношений, представленных в п. 5.5.1 [ 3 ], проводится анализ рядов данных для разных сезонов года на предмет присутствия в них непоказательных экстремальных значений (табл. 2).
   Табл. 2 Результаты проверки исходных данных о концентрации нефтяных углеводородов (мг/дм3)   на наличие непоказательных экстремальных  значений
   
   

   Параметр	Весна	Лето	Осень
   Кол-во значений	8	18	10
   Среднее	0.048	0.018	0.035
   СКО	0.024	0.023	0.026
   Максимум	0.08	0.06	0.08
   Минимум	0.02	0.00	0.01
   I '	1.5	2.0	1.9
   I "	1.5	1.0	0.8
   Iн	2.03	2.48	2.18

   
   Поскольку во все сезоны года значения I ' и I " не превышают нормативного значения Iн, исключения экстремальных значений из исходных данных не требуется.
4. Рассчитываются средние арифметические значения концентрации в различные сезоны года (табл. 3).
   Табл. 3 Средние значения концентрации и их доверительные интервалы в разные сезоны года (мг/дм3)

   Параметр	Весна	Лето	Осень
   Кол-во значений	8	18	10

   Как следует из таблицы, максимальное среднее значение концентрации нефтяных углеводородов на станции VI (0.048 мг/дм3 ) наблюдается весной.
5. По формуле (3) рассчитывается фоновая концентрация. С учетом того, что для весеннего сезона среднее квадратическое отклонение концентрации составляет 0.024 мг/дм3 , а при n=8 значение tst = 1.90 , фоновая концентрация нефтяных углеводородов в районе Сочи составляет 0.06 мг/дм3

Рис. 1  Сеть контрольных точек (станций мониторинга) и зоны влияния водовыпусков и речного стока в районе Сочи.
Римские цифры – номера контрольных точек (станций мониторинга)

В начало страницы

Универсального метода оценки уровня эвтрофикации (трофности) морских вод и применяемых на практике общепринятых методик до настоящего времени не существует. Для каждого исследования по этому вопросу преобладает субъективный авторский подход, обычно связанный с выбором показателей и их количеством при расчетах различных экологических индексов. Обычно главное ограничение всех предлагаемых методов оценки связано с количеством измеряемых гидрохимических и биологических параметров и показателей морской среды. Среди наиболее часто рекомендуемых для научных исследований и использования в программах государственного мониторинга состояния природной среды в морях ЕС, в особенности в рамках ХЕЛКОМ, находятся расчетные индексы E-TRIX и BEAST, краткое описание которых с ссылками на первоисточники приводится далее.

Индекс E-TRIX

Для оценки уровня эвтрофикации морских вод в последние годы широко используется индекс трофности вод E-TRIX [1-6]. Этот индекс является интегральным комплексным показателем, который связывает характеристики потенциального уровня первичной продукции фитопланктона (содержание фотосинтетических пигментов, в основном хлорофилла «а») и концентрацию необходимых для развития микроводорослей питательных биогенных веществ (соединения азота, фосфора и кремния, последнее для строительства стенок клеток диатомовых водорослей). В расчетную формулу индекса E-TRIX входят следующие показатели:

1. концентрация хлорофилла «а» – как аналог биомассы фитопланктона;
2. отклонение насыщенности кислорода от 100% - как индикатор соотношения сложного совокупного механизма физико-химико-биологических процессов, отражающих в частности соотношение интенсивности первичной продукции органического вещества и его биохимического окисления;
3. концентрация общего фосфора и минерального азота, или других форм биогенных элементов – как показатель наличия в морской воде необходимого для развития фитопланктона количества питательных веществ

В расчетной формуле E-TRIX используются стандартные и наиболее часто измеряемые гидрохимические и гидробиологические характеристики морских вод:.

где Ch – концентрация хлорофилла «а», мкг/л;
D%O – отклонение в абсолютных значениях растворенного кислорода от 100% насыщения;
Nм – концентрация растворенных форм минерального азота, мкг/л;
Pо – концентрация общего фосфора, мкг/л.

Индекс E-TRIX изменяется в соответствии с уровнем эвтрофикации (трофности) вод в пределах от 0 до 10, а оценка категории трофности и состояния качества вод осуществляется по величине индекса (табл.1)

ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ E-TRIX

Индекс E-TRIX позволяет оценить многолетнюю изменчивость уровня эвтрофикации (трофности) и качества морских вод. Использование в качестве примера индекса E-TRIX для вод Одесского региона Северо-Западного шельфа Черного моря позволяет выявить существенное уменьшение уровня эвтрофикации и, соответственно, органического загрязнения в водах Одесского залива (рис. 1).

Рис 1. Многолетняя изменчивость трофности и качества прибрежных вод Одесского региона СЗШ ЧМ по индексу E-TRIX.

---

Метод BEAST

Метод BEAST (The Black Sea Environmental Assessment Tool), используется для оценки качества морских вод и их уровня трофности, является модификацией ранее разработанного метода HEAT (HELCOM Eutrophication Assessment Tool) [7]. Основные принципы метода BEAST основаны на экологических дескрипторах и связаны с определением эвтрофикации согласно WFD: (I) - концентрация биогенов; (II) - уровень «цветения» водорослей, (III) - прозрачность воды, (IV) - распространение и встречаемость животных и растений и (V) - уровень кислорода.

Для проведения оценки используются:
RefCon - фоновое значение параметра;
Target – целевое значение параметра;
AcDev - допустимое отклонение от фонового значения (RefCon);
AcStat - значение параметра по результатам измерения, современное значение;
EQR (The Ecological Quality Ratio) - характеризует оценку качества вод по трофности.

RefCon является значением элемента качества воды, который характерен для высокого качества вод или существует с минимальными антропогенными изменениями, т.е. характеризует высокое качество вод. Используется в методе BEAST для сравнения степени изменения в окружающей среде. В методологии допустимо использование трех вариантов получения значений RefCon: (1) референтные сайты, (2) исторические данные и (3) моделирование. Экспертная оценка может быть использована как дополнение для уточнения результатов расчета пространственных моделей или если комбинация 1,2,3 невозможна по разным причинам. Расчет RefCon в методе BEAST основан на исторических данных и экспертной оценке. Целевые значения (Target) определяются по данным фоновых величин, которые были до периода эвтрофикации (обозначаются в методике как RefCon) с учетом допустимых отклонений от фона. Целевые значения Target принимаются для параметров, которые возрастают при увеличении эвтрофирования:

Target = RefCon + 0,5 • RefCon,

и для параметров, которые уменьшаются при увеличении эвтрофирования:

Target = RefCon - 0,2 • RefCon.

Оценка качества вод EQR (The Ecological Quality Ratio) в данной методике определяется по соотношению фактических значений наблюдаемых параметров (обозначаются в методике как AcStat) к целевым значениям (Target). Расчеты показателя EQR выполняются для каждого индикатора согласно соотношению AcStat / Target и далее усредняются в каждой группе индикаторов при равнозначном вкладе или с учетом принятой долевой части. Долевой вклад каждого индикатора устанавливается на основе экспертной оценки и находится в пределах от 25% до 75%, при сумме всех индикаторов в группе 100%. В группе неорганического фосфора и азота долевой вклад этих индикаторов обычно принимается 70% и 30%, соответственно.

Для оценки степени эвтрофирования входят три группы индикаторов: неорганический фосфор и азот; хлорофилл, биомасса фитопланктона, прозрачность вод, взвешенные вещества; растворенный кислород; придонные беспозвоночные животные. Набор индикаторов может изменяться в зависимости от набора их определения, уменьшаться или увеличиваться от количества определяемых параметров. Окончательная оценка качества и трофности вод соответствует наибольшему значению определенных средних EQR трех групп индикаторов. Конечная оценка качества вод находится в диапазоне от 0,5 до 2 и соответствует 5 классам (табл. 2).

Таблица 2. Шкала оценки качества вод по методу BEAST.

ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ BEAST

Анализ многолетней динамики индекса BEAST, который был проведен УкрНЦЭМ (г. Одсса) с использованием регулярно еженедельно определяемых параметров в прибрежных водах Одесского залива (неорганический фосфор, неорганический азот, хлорофилл «а», биомасса фитопланктона; концентрация растворенного кислорода) позволяет сделать вывод о постепенном, с однолетними выбросами, снижении уровня эвтрофикации и повышении качества вод контролируемой акватории (рис. 2).

Рис. 2. Многолетние годовые изменения состояния качества вод Одесского залива по методу BEAST в 2008-2015 гг.

Использованные источники

1. Vollenveider R. A. Characterization of the trophic conditions of marine coastal waters with special reference to the NW Adriatic Sea: proposal for a trophic scale turbidity and generalized water quality index [Text] / F. Giovanardi, G. Montanari, A. Rinaldi // Enviromentrics. – 1998. – № 9. – P. 329–357.
2. Vollenveider R. A. Eutrophication of waters: monitoring assessment and control [Text]  / R. A. Vollenveider, J.  J. Kerekes. – Paris : OECD, 1982. – 154 p.
3. Украинский В. В. Межгодовые изменения и тенденции в эвтрофикации вод Одесского региона северо-западной части Черного моря [Текст] / В. В. Украинский, Н. Н. Гончаренко // Український гідрометеорологічний журнал. – 2010. – № 7. – С. 211–219.
4. Тучковенко Ю. С. Оценка эвтрофикации вод Одесского региона северо-западной части Черного моря [Текст] / Ю. С. Тучковенко, О. Ю. Сапко // Вісник Одеського державного екологічного університету. – 2006. – Вип. 2. – С. 224–227.
5. Moncheva S. Eutrophication index ((E) TRIX) – an operational tool for the Black Sea costal water ecological quality assessment and monitoring [Text] / S. Moncheva, V. Doncheva // The Black Sea ecological problems SCSEO. – Odessa, 2000. – P. 178–185.
6. Коршенко А.Н., Ковалишина С.П. Эвтрофикация прибрежных вод Черного моря // Тезисы докладов международной научной конференции «Современное состояние и перспективы наращивания морского ресурсного потенциала».- пгт. Кацивели, 15-18 сентября, 2014. – г.Севастополь, ЭКОСИ: Гидрофизика, 2014. - С.83-87.
7. Andersen J. H. Getting the measure of eutrophication in the Baltic sea: towards improved assessment principles and methods [Text] / J. H. Andersen, P. Axe, H. Backer, J. Carstensen and other // Biogeochemistry. – 2011. – № 106. – P. 137–156.