ESTIMATION OF SEASONAL VARIABILITY OF WATER QUALITY IN A SURFACE SOURCE OF DRINKING WATER SUPPLY

Full Text

По мере роста биогенной нагрузки и глобального потепления климата проблема качества воды поверхностных источников водоснабжения, находящихся в условиях антропогенного эвтрофирования, становится всё более актуальной [1-3]. Экологическое состояние водохранилищ Волжско-Камского каскада, которые являются безальтернативными источниками водоснабжения крупных городов, ухудшается в период летней межени. Особенно остро эта проблема стоит на водохранилищах Нижней Волги (Куйбышевское, Саратовское и Волгоградское), где в период летней межени наблюдается массовое развитие водорослей, или «цветение» воды. Резкое увеличение численности и биомассы водорослей обусловливает снижение качества воды на водохранилищах по ряду показателей: численность и биомасса фитопланктона; запах; цветность; органические и токсические вещества, растворенный кислород; водородный показатель pH; окислительно-восстановительный потенциал Eh [4, 5]. Снижение качества воды в источнике водоснабжения создает значительные трудности при очистке воды на водопроводных очистных сооружениях. При этом применяемые в волжских городах технологии водоподготовки не позволяют довести подаваемую населению воду до нормативного качества. При использовании водохранилища, как источника питьевого водоснабжения, важно знать особенности процесса «цветения» воды в нем, а также те количественные показатели качества воды, которые могут существенно снижать ее потребительские свойства и затруднять очистку. Целью исследования является оценка сезонных изменений качества волжской воды по органическим показателям и биогенным веществам в условиях антропогенного эвтрофирования поверхностного источника питьевого водоснабжения. В качестве объекта выбрано Саратовское водохранилище. Материалы и методы исследования Гидрохимические наблюдения проводились на р. Волге в 2,5 км ниже по течению Жигулевской плотины. Выше по течению от плотины расположено Куйбышевское, а ниже - Саратовское водохранилище. Отбор проб воды осуществлялся ежемесячно в период 2000-2016 гг. батометром Молчанова ГР-18 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ 21 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 2 А.В. Селезнева, К.В. Беспалова, В.А. Селезнев с глубины 0,5 м в соответствии с действующими нормативными документами (ГОСТ 2761-84. Источники хозяйственно-питьевого водоснабжения. Гигиенические, технические требования и правила выбора. ГОСТ 31861-2012. Вода. Общие требования к отбору проб). Пробы воды фильтровались через мембранный фильтр. Фильтрованная вода переливалась в бутылки из химически стойкого стекла с притертыми пробками. Перед этим бутылки дважды ополаскивались водой, подлежащей анализу, и заполнялись ею доверху. Химический анализ проб воды осуществлялся в лаборатории Института экологии Волжского бассейна РАН по органическим показателям: перманганатная окисляемость (ПО), химическое потребление кислорода (ХПК) и биогенным веществам: нитраты (NO3 -), фосфаты (PO4 3-). Измерение концентрации ПО и ХПК выполнялось титриметрическим [6, 7], а концентрации нитратов и фосфатов - фотометрическим [8, 9] методами. Диапазоны измеряемых концентраций веществ и показатели точности измерений (границы погрешности при вероятности Р = 0,95) представлены в соответствии с действующими нормативными документами (табл. 1). Полученные данные химического анализа формировались в ряды, которые подвергались статистической обработке c использованием программы Statistica v 6.0. По каждому показателю качества воды для каждого месяца формировались выборки из 17 членов ряда (2000-2016 гг.), по которым определялись: средняя (Сср), максимальная (Cmax) и минимальная (Cmin) концентрации и среднее квадратичное отклонение (σ). Результаты и их обсуждение Качество воды Саратовского водохранилища в основном формируется в Куйбышевском водохранилище, которое расположено выше по течению в Волжско-Камском каскаде. Средний годовой расход воды, поступающей в Саратовское водохранилище через плотину Жигулевской ГЭС, составляет 5500 м3/с, а расход бокового притока - 203-230 м3/с (4 %). В Куйбышевском водохранилище ежегодно в период летней межени наблюдается массовое развитие водорослей («цветение» воды). Его интенсивность и продолжительность зависят от биогенной нагрузки, режима регулирования водного стока и гидрометеорологических условий конкретного года. Процесс «цветения» воды характеризуется существенной пространственной неоднородностью. В пойменных частях водохранилища, заливах, зонах подпора притоков, где небольшая глубина и течение практически отсутствует, «цветение» воды проходит более активно, чем в русле. Наиболее интенсивно процесс развивается в самом большом и мелководном Черемшанском заливе, а также на приплотинных плесах, где формируются обширные зоны «цветения» (толщина слоя водорослей на поверхности водоема достигает нескольких сантиметров). Анализ состава фитопланктона водохранилищ показал, что преобладающими являются: сине-зеленые, диатомовые, зеленые [10]. При этом именно сине-зеленые водоросли вызывают цветение воды в летний период. Такие виды сине-зеленых водорослей, как Microcystis, Anabaena и Aphanizomenon способны к продуцированию токсинов (микроцистины). В настоящее время известно более 70 структурных вариантов микроцистинов, наиболее токсичным является микроцистин-LR. Согласно рекомендациям Всемирной организации здравоохранения, его допустимая концентрация в воде составляет 1 мкг/дм3. С ростом биомассы водорослей в водохранилище увеличивается концентрация хлорофилла а, а также pH (до 9-9,5), цветность воды (до 40-50 град.), запах (до 3-4 баллов) и уменьшается Eh (до 230-250 мВ). В поверхностном слое водоема наблюдается избыток кислорода (200-300 %), а в придонном слое - его дефицит. Увеличивается содержание в воде взвешенных и растворенных органических веществ, при этом концентрация NO3 - и PO4 3- уменьшается. Содержание PO4 3- может упасть до нуля, и тогда процесс развития водорослей временно прекращается [11, 12]. Особую тревогу вызывает органическое загрязнение воды по интегральным показателям - БПК, перманганатной окисляемости и ХПК в период летней межени. Повышение концентрации перманганатной окисляемости летом связано с увеличением количества автохтонного органического вещества за счет интенсивного развития фитопланктона. Даже в створе Жигулевской ГЭС, где наблюдается хорошее перемешивание и аэрация, волжская вода не соот- Таблица 1 Диапазон и точность измерения показателей качества воды Показатель Диапазон измерений Руководящий документ Показатель точности ПО 2,0-100 мгО/дм3 ПНД Ф 14.1:2:4.154-99 ±10 % ХПК 10,0-80,0 мгО/дм3 ПНД Ф 14.1:2.100-97 ±24 % NO3 - 0,1- 3,0 мгN/дм3 ПНД Ф 14.1:2.4-95 ±0,18Х мгN/дм3 PO4 3- 0,01-0,2 мгP/дм3 РД 52.24.382-2006 ±0,002+0,092Х мгP/дм3 Примечание. Х - концентрация вещества Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 2 22 Таблица 2 Статистические характеристики концентрации ПО и ХПК по многолетним рядам Показатель Значения показателей по месяцам 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 ПО, мгО/дм3 Cср 7,5 7,1 7,8 7,5 7,5 7,8 8,6 7,9 7,4 7,1 7,0 7,0 σ 1,4 1,4 1,3 1,1 1,2 1,0 1,5 1,3 1,0 1,1 0,8 0,9 Сmax 9,8 13,8 10,7 10,5 9,4 10 12,1 9,8 9,7 9,8 8,6 8,6 Cmin 5,5 4,1 5,2 5,4 5,8 5,5 7,1 6,5 6,2 5,9 6,0 5,3 ХПК, мгО/дм3 Cср 23 24 25 25 24 27 27 27 27 26 25 25 σ 7 7 6 6 8 6 5 5 5 5 4 5 Сmax 39 36 35 33 31 35 36 35 34 32 29 33 Cmin 12 13 15 14 10 15 17 14 16 15 17 13 Рис.1. Внутригодовые изменения концентрации ПО ветствует нормативным требованиям по перманганатной окисляемости и ХПК в течение всего года и по БПК в период «цветения» воды [13]. Данные по содержанию органических веществ за 2000-2016 гг. приведены в табл. 2. Среднее годовое значение перманганатной окисляемости в воде Саратовского водохранилища составляет 7,4 мгО/дм3. Средние месячные значения (Cср) изменяются в пределах 7,0-8,6 мг/дм3, максимальные (Сmax) - 8,6-13,8 мг/дм3, минимальные (Cmin) - 4,1-7,1 мг/дм3. Внутригодовые изменения концентрации ПО имеют ярко выраженный сезонный ход (рис. 1). Наибольшие средние месячные значения (Cср) наблюдаются в летнюю межень (июль), в пик цветения воды, а наименьшие - в зимнюю межень. За счет цветения воды перманганатная окисляемость увеличивается на 10-15 %. Среднее годовое значение ХПК составляет 25,3 мг/ дм3. Средние месячные значения (Cср) изменяются в пределах 22,9-27,3 мг/дм3, максимальные - 28,9- 38,7 мг/дм3, минимальные - 9,5-16,9 мг/дм3. Временные изменения концентрации ХПК имеют ярко выраженный сезонный ход (рис. 2). Наибольшие средние месячные значения наблюдаются в летнюю межень (июль), в пик цветения воды, наименьшие - в зимнюю межень. За счет цветения воды ХПК увеличивается на 6-8 %. Серьезные последствия увеличения концентрации органического вещества в воде источника водоснабжения связаны с образованием токсических органических загрязнений при подготовке питьевой воды. Повышенное содержание органических веществ может существенно затруднять технологические процессы очистки воды, в частности процесс флокуляции. Месяц Концентрация, мгО/дм3 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ 23 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 2 Таблица 3 Статистические характеристики концентрации NO3- и PO4 3- по многолетним рядам Показатель Значения показателей по месяцам 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Нитраты, мгN/дм3 Cср 0,80 1,00 1,21 1,26 1,10 0,72 0,54 0,58 0,44 0,47 0,41 0,51 σ 0,37 0,40 0,44 0,52 0,38 0,31 0,38 0,57 0,36 0,42 0,25 0,26 Сmax 1,76 1,89 2,37 2,35 1,96 1,33 1,24 1,92 1,46 1,28 1,13 1,28 Cmin 0,42 0,42 0,52 0,42 0,47 0,21 0,11 0,14 0,12 0,12 0,20 0,26 Фосфаты, мкгР/дм3 Cср 75 74 74 61 47 29 31 50 66 89 95 84 σ 15 01 15 17 25 11 14 29 23 25 22 17 Сmax 113 95 107 87 122 52 56 149 109 146 136 107 Cmin 37 58 52 12 10 11 10 25 17 42 47 40 Рис. 2. Внутригодовые изменения концентрации ХПК Процесс цветения воды оказывает сильное влияние на сезонное содержание биогенных веществ, при этом особый интерес (с точки зрения борьбы с процессом цветения воды) представляют фосфаты и нитраты. За период 2000-2016 гг. средняя годовая концентрация нитратов составила 0,75 мг/дм3. Средние месячные значения (Cср) изменяются в пределах 0,41-1,26 мг/дм3, максимальные (Сmax) - 1,13-2,37, минимальные (Cmin) - 0,2-0,52 (табл. 3). Наибольшие концентрации нитратов наблюдаются перед началом весеннего половодья. В период половодья концентрация нитратов падает, достигая минимальных значений в июле, в летне-осеннюю межень (июнь-сентябрь) - стабильна, а затем начинает медленно повышаться в период зимней межени (рис. 3). Средняя годовая концентрация фосфатов составляет 0,065 мг/дм3. В течение года средние месячные значения (Cср) изменяются в пределах 0,029-0,095 мг/дм3, максимальные - 0,052-0,149 мг/дм3, минимальные - 0,01-0,058 мг/дм3. Наибольшая концентрация фосфатов наблюдается в осеннюю межень, наименьшая - в летнюю межень, в период массового развития водорослей (рис. 4). Проведенные наблюдения показывают, что в результате активного потребления фитопланктоном нитратов и фосфатов концентрация этих веществ в воде водохранилища в летний период резко снижается. При этом содержание фосфатов уменьшается до минимума, в то время как концентрация нитратов остается достаточно высокой. В пойменных частях водохранилища, где численность и биомасса фитопланктона в пик цветения воды намного больше, чем в русле, концентрация фосфатов практически равна нулю. Следовательно, наличие фосфатов в воде водохранилища является сдерживающим фактором развития фитопланктона в летний период. Наличие фосфатов лимитирует развитие сине-зеленых водорослей, снижая интенсивность и продолжительность процесса цветения воды. Концентрация, мгО/дм3 Месяц А.В. Селезнева, К.В. Беспалова, В.А. Селезнев Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 2 24 Для уменьшения нагрузки по фосфору, восстановления экологического состояния водохранилища и повышения качества воды необходимо разрабатывать и внедрять региональные нормативы качества, которые учитывали бы природные особенности водохранилища по естественному содержанию биогенных веществ в воде. Уменьшение количества биогенных веществ в воде, особенно фосфатов, будет способствовать снижению интенсивности и сокращению периода цветения. Несмотря на то что концентрация фосфатов и нитратов в воде ниже нормы, именно они провоцируют цветение и снижение качества воды. Поэтому для восстановления нормального состояния водохранилища необходимо, прежде всего, снижать содержание биогенных веществ. Этому способствуют разработка и внедрение региональных нормативов качества воды, учитывающих природные особенности водного объекта. Рис. 3. Внутригодовые изменения концентрации нитратов Рис. 4. Внутригодовые изменения концентрации фосфатов Месяц Концентрация, мгО/дм3 Месяц Концентрация, мгО/дм3 Одна из главных причин «цветения» и снижения качества воды - чрезмерная биогенная нагрузка, которая стала возможной из-за несовершенства системы нормирования. Критериями при нормировании качества воды водных объектов являются предельно допустимые концентрации, которые одинаковы для всей территории РФ и зависят только от вида водопользования без учета природных особенностей водных экосистем. В результате устанавливаются ошибочные приоритеты управления антропогенной нагрузкой на водные объекты, которые являются источниками питьевого водоснабжения. Для снижения биогенной нагрузки на водохранилище необходимо приступить к разработке и внедрению региональных нормативов качества воды, учитывающих природные особенности водоемов [14, 15]. Выводы. 1. Качество воды в Саратовском водохранилище по органическим показателям (ПО, ХПК) и биогенным веществам (нитраты, фосфаты) ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ 25 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 2 характеризуется значительной сезонной изменчивостью. В летний период содержание органических веществ увеличивается, а концентрация биогенных веществ наоборот уменьшается. Амплитуда сезонных изменений ПО составляет 7,1-13,8 мгО/дм3 и не соответствует нормативным требованиям, предъявляемым к источникам питьевого водоснабжения. 2. Чрезмерное содержание в летний период органических веществ в воде Саратовского водохранилища обусловлено массовым развитием водорослей. За счет цветения воды перманганатная окисляемость в период «цветения» воды увеличивается на 10-15 %. 3. Саратовское водохранилище, как поверхностный источник водоснабжения, относится ко второму классу. Однако существующую технологию очистки воды необходимо совершенствовать с целью обеспечения населения питьевой водой нормативного качества.

About the authors

Alexandra V. SELEZNEVA

Institute of Ecology of the Volga Basin of the Russian Academy of Sciences

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Ksenia V. BESPALOVA

Institute of Ecology of the Volga Basin of the Russian Academy of Sciences

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Vladimir A. SELEZNEV

Institute of Ecology of the Volga Basin of the Russian Academy of Sciences

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files