Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

TO THE QUESTION OF ESTIMATE MAPPING OF THE DEGREE OF POLLUTION, THE QUALITY OF SURFACE WATER

Emelyanova V.P. 1 Olennikova N.N. 1
1 Hydrochemical Institute
The article deals with the issues of estimation mapping in hydrochemical research. Mapping of pollution and surface water quality is highlighted as one of the most important areas in this segment. The long-term experience of mapping the chemical composition of surface waters is analyzed, taking into account both the basic chemical composition and the composition of pollutants, including those characteristic of most water bodies of the Russian Federation. Separate issues of the development of the evaluation direction in hydrochemical mapping, its methodological aspects are considered. The specificity of the chemical composition of surface waters as an object of mapping is emphasized, which consists in the diversity and variability of the composition of polluting chemicals both in time and in space, which requires mandatory consideration in evaluation studies. The most characteristic features of it are highlighted. A particular concept of evaluation hydrochemical maps, the most common evaluation criteria, estimated periods of generalization, image methods used, the most characteristic methods of generalization of initial data, etc. are formulated. In order to increase the validity and informativeness of the maps developed in hydrochemical studies, the expediency of using integrated assessment of pollution and water quality of water bodies, the information capacity of which, as a rule, is very high, is briefly characterized. It is proposed to use in the preparation of hydrochemical maps a system of indicators for a comprehensive assessment of pollution, surface water quality, implemented throughout the country by the state observation network. The possibility and expediency of using the specific combinatorial index of water pollution (UKIZV), quality classes, critical indicators of water pollution (KPZ), coefficient of complexity, categories of complexity of water pollution, etc. for the construction of estimated hydrochemical maps is substantiated. Examples of the construction of maps of a comprehensive assessment of the degree of water pollution are given. An approach to the technology of estimated mapping of the degree of pollution, surface water quality using integrated assessments for large river basins, hydrographic areas, various administrative-territorial entities, such as the region, economic district, federal district, etc. is formulated.
surface waters
chemical composition
quality
pollution
comprehensive assessment
classification
degree of water pollution
mapping

Принятие водохозяйственных решений основывается на оценке показателей качества воды, непостоянство которых во времени и пространстве приводит к необходимости использования статистических [1] и картографических подходов.

Развитие работ по картографированию загрязненности, качества поверхностных вод имеет множество тенденций, из которых важнейшими являются расширение тематики карт в сочетании с углублением содержания и усилением практической их направленности от картографирования основного химического состава и минерализации воды до составления карт оценки загрязненности поверхностных вод загрязняющими веществами [2–4]. Один из наиболее эффективных выходов тематической картографии в практику – оценочное картографирование. К основным задачам оценочного гидрохимического картографирования относятся целенаправленная идентификация, оценка, классификация загрязненности, качества поверхностных вод, отдельных компонентов, элементов не только их основного химического состава, но и состава характерных загрязняющих веществ. При оценочном подходе картографируемые явления получают новое освещение с точки зрения экологической, практической значимости. Гидрохимические карты начали составляться не только на основе фактических материалов о химическом составе воды водных объектов, но и путем использования различных приемов их обработки.

Цель исследования – способствовать развитию оценочного гидрохимического картографирования путем внедрения при обобщении данных о загрязненности, качестве поверхностных вод, учитывая их многокомпонентность и сложность интерпретации их химического состава, показателей комплексной оценки качества воды водных объектов. Для совершенствования технологий представления данных о степени загрязненности, качестве поверхностных вод, форм и содержания информационной продукции, подготавливаемой государственной наблюдательной сетью, разработать, применительно к условиям и задачам её функционирования, как один из возможных вариантов, процедуру наглядного картографического представления данных о степени загрязненности, качестве воды водных объектов для различных видов территориальных образований – областей, экономических районов, федеральных округов, речных бассейнов, гидрографических районов с использованием показателей комплексной оценки как элемента информационной основы для принятия управляющих решений в области охраны поверхностных вод от загрязнения.

Материалы и методы исследования

Материалами исследования послужили выборки результатов оперативной обработки первичной режимной гидрохимической информации о качестве поверхностных вод Российской Федерации приоритетными химическими веществами. Расчетные данные относительных гидрохимических показателей комплексной оценки загрязненности воды водных объектов, полученные с использованием программного комплекса «Гидрохим ПК. UKISV-сеть» в соответствии с РД 52.24.643-2002. Многолетняя режимная гидрохимическая информация, полученная государственной наблюдательной сетью Росгидромета.

Методы исследования – анализ и обобщение литературных данных в области оценочного гидрохимического картографирования. Метод комплексной оценки загрязненности, качества поверхностных вод по гидрохимическим показателям. Статистические методы обработки результатов химического анализа поверхностных вод в годовом режиме. Анализ воды различных выборок режимной гидрохимической информации, получаемой государственной наблюдательной сетью (ГНС) на водных объектах разной категории водности (малые, средние, большие), в створах, в пунктах стационарных режимных наблюдений за химическим составом воды различной от I до IV категории, в каждом гидрографическом районе, различных территориальных образованиях. Поиск возможно более широкого информационного наполнения карты специальным содержанием для обеспечения потребителей разносторонней, хорошо обоснованной, достаточной для принятия управляющих решений информацией в области охраны поверхностных вод от загрязнения.

Результаты исследования и их обсуждение

«Оценочными гидрохимическими» в общем случае можно считать такие прикладные карты водных ресурсов, главное содержание которых составляет целенаправленная оценка химического состава воды водных объектов применительно к решению определенных практических задач. С одной стороны, они должны отражать все положения оценочного картографирования природных ресурсов. В то же время используемые при построении оценочных гидрохимических карт принципы и методика оценки качества поверхностных вод должны непременно учитывать и специфические черты, индивидуальность предъявляемых к ним, как к особому природному ресурсу, требований. Должна быть обеспечена обоснованность, представительность метода обработки гидрохимических данных, используемой классификации, метода оценки загрязненности воды отдельных ее компонентов или интегральной оценки степени загрязненности с точки зрения пригодности, полезности для деятельности и жизни человека.

По сравнению с картографированием химического состава воды водных объектов, сформировавшегося в их естественном состоянии [5], оценочное картографирование расширяет и усложняет характеристику отображаемых состояний водных ресурсов. При оценочном подходе картографируемые явления получают новое освещение с той или иной практической точки зрения, т.е. для оценочных карт характерна целевая направленность. Под общим названием карты оценки загрязненности, качества поверхностных вод могут объединяться множество гидрохимических карт от характеризующих отдельные компоненты химического состава до их однородных групп и т.д. и, наконец, высоко информативных вариантов, основывающихся на использовании комплексных показателей.

Составление оценочной гидрохимической карты – методически сложная задача. Кроме того, это сложный, объемный процесс, включающий получение и анализ, как правило, большого количества разнородной первичной информации. Выбор методов оценочного гидрохимического картографирования, средств изображения определяется главным образом тематикой конкретной карты. Карты, посвященные одной и той же теме, могут заметно различаться по объему, характеру, насыщенности специальным содержанием.

В гидрохимии наиболее распространены оценочные карты поверхностных вод по отдельным составляющим их качества. Они отображают, как правило, уровень, реже распространенность загрязненности воды оцениваемым показателем качества воды, позволяют выделить зоны экстремального антропогенного воздействия, оценить различия загрязненности в территориальном аспекте, наглядно показывают происходящие изменения содержания отдельных загрязняющих веществ во временном аспекте (рис. 1).

Другой вариант из наиболее распространенных оценочных карт содержит обобщение информации по группам однородных химических веществ, например, биогенные вещества и др., дает наглядное представление о характере основных видов загрязненности и его распределении во времени и пространстве. Такие карты показывают, какие загрязняющие вещества являются характерными для картографируемых водных объектов, сколько веществ из числа наблюдаемых относятся к загрязняющим, каков диапазон фиксируемых концентраций по каждому из веществ, степень их отклонения от государственных нормативов и др. Информационная емкость этих карт существенно выше, чем предыдущих.

missing image file

Рис. 1. Фрагменты карт: а) Распределение наиболее распространенных загрязняющих веществ в воде водных объектов Приморского края в 2018 г.; б) Соотношение повторяемостей превышения предельно допустимых концентраций (П, %) разного уровня соединений железа и нефтепродуктов в поверхностных водах Тихоокеанского гидрографического района Российской Федерации в 2018 г.

Анализируя картографические работы в области оценки качества поверхностных вод, можно охарактеризовать их следующим образом: исходными данными при построении оценочных гидрохимических карт служат результаты химического анализа воды водных объектов в определенных пунктах, створах наблюдений, отражающие реальное качество воды водных объектов в точке отбора пробы; карты строят для различных временных множеств – по гидрологическим сезонам, годовые, за многолетний период; обобщение исходных данных в большинстве случаев проводят осреднением, выбором экстремальных значений, использованием концентраций различной степени обеспеченности, пересчетом концентраций загрязняющих воду веществ на наиболее жесткие условия водности и т.д.; оценку качества воды осуществляют по отдельным ингредиентам, по группам веществ, сформированным в зависимости от цели оценки и характера загрязненности воды, по комплексам показателей химического состава поверхностных вод; в качестве критериев оценки качества воды чаще используются функционирующие в стране предельно допустимые концентрации, реже градации значений концентраций, фоновые концентрации и др.; применяют, как правило, два способа изображения: показ компонентов загрязнения значками, приуроченными к точке наблюдения; изображение количественных и качественных характеристик водного объекта линейными знаками вдоль русла.

Содержание любой оценочной карты включает географическую основу и специальную нагрузку, по объему и характеру которой карты оценки качества поверхностных вод могут существенно различаться. В содержании оценочных карт могут сочетаться частные показатели состава поверхностных вод с интегральной оценкой. Будем считать, что оценочные гидрохимические карты – это карты, главным содержанием которых является целенаправленная оценка химического состава поверхностных вод применительно к решению определенных практических задач.

В настоящее время оценочное картографирование загрязнённости поверхностных вод развивается разобщенно, без должных методических и теоретических разработок как по существу содержания карт, так и по форме их отображения. Недостаточно изучены такие вопросы, как обоснование принципов отбора и обобщения показателей картографирования, содержание классификаций и систем оценок, установление принципов сочетания и комплексирования показателей на одной карте и т.д. В определенной мере эти вопросы решает использование показателей комплексной оценки загрязненности, качества поверхностных вод [6, 7].

Понятие «комплексная оценка качества воды водных объектов» предполагает сведение всего или части многообразия характеристик химического состава к одному или нескольким относительным показателям. «Комплексная оценка загрязненности, качества поверхностных вод» – это представление о степени загрязненности воды либо ее качестве, однозначно отражающее через ту или иную систему формализованных показателей в той или иной форме всю либо определенным образом ограниченную совокупность характеристик состава и свойств воды относительно количественных характеристик, чаще нормативов. Из числа существующих в настоящее время весьма информативен, прост и удобен для оценочного картографирования метод комплексной оценки загрязненности, качества поверхностных вод, либо выделенных по его значениям класса качества на основе удельного комбинаторного индекса загрязненности воды УКИЗВ [7]. Удельный комбинаторный индекс загрязненности воды (УКИЗВ) условно оценивает в виде безразмерного числа долю загрязняющего «эффекта», вносимого в общую степень загрязненности воды, обусловленную одновременным присутствием ряда загрязняющих веществ, в среднем одним из учтенных при расчете ингредиентов или показателей качества. Основой этого метода является однозначная оценка качества воды, степени загрязненности воды для любого водного объекта в точке отбора проб воды за ограниченный отрезок времени и на её основе классифицирования воды по качеству в виде пятиступенчатой классификации.

Обеспеченность метода программой расчёта «Гидрохим ПК. UKISV-сеть» позволяет получать необходимую информацию заданной точности, учитывающей различия чувствительности методов определения в воде концентраций и уровни содержаний химических веществ в поверхностных водах. Получаемые по методу комплексные оценки обладают высокой информативностью, т.е. минимальное количество гидрохимических данных, используемых для их построения, обеспечивает максимально полную, надежную и сопоставимую информацию о качестве поверхностных вод, их анализ и обобщение. Этот методический подход многие годы использовался для оперативной подготовки обобщающих публикаций [8, 9] по материалам государственной наблюдательной сети (ГНС). Строгая увязка сети пунктов и створов гидрохимических наблюдений с размещением на них водопользователей, а также увязка перечня определяемых веществ со спецификой состава сточных вод, сбрасываемых в водный объект основными водопользователями, позволяет считать данные выборки достаточно репрезентативными [10].

При выборе способов картографического отображения степени загрязненности, качества воды водных объектов могут учитываться и локализованный по руслу (линиям) и по точкам (створам) характер распространения химического состава картографируемых водных объектов – водотоков или водоемов (рис. 1, а, б). Повышенной информационной емкостью обладают карты-схемы классов качества воды водных объектов по классификации, их динамика [9] (рис. 2, а, б). Обработанные таким образом аналитические данные могут быть показаны на картах-схемах в районе наиболее важных в промышленно-хозяйственном отношении пунктов наблюдений, по бассейнам, для территорий административных делений и пр. в виде одинаково ориентированных внемасштабных кубических знаков, на лицевой грани которых отображены классы качества вод от 1-го – «условно чистая» до 5-го – «экстремально грязная». В левом нижнем углу лицевой грани указан номер пункта на карте-схеме с пояснительным текстом к данному рисунку. На правой грани кубических знаков показаны критические показатели загрязненности воды, на верхней грани – специфические загрязняющие вещества. Примеры практического построения оценочных гидрохимических карт за многолетние периоды показаны в виде круговых диаграмм и др.

Построение оценочной гидрохимической карты предполагает возможность применения в качестве картографируемых различных оценочных показателей из системы оценки [7] или их сочетаний, совмещенных с поингредиентными оценками и пр. Из числа имеющихся в настоящее время эта группа сопряженных коэффициентов (УКИЗВ, КПЗ, степень загрязненности, классы качества) выбрана в связи с высокой информативностью, простотой и удобством использования при построении карт, легкостью интерпретации, обоснованностью и методической завершенностью процедуры их расчета, наличием положительных результатов многолетней апробации на водных объектах страны.

missing image file

Рис. 2. Фрагменты карт: а) Комплексная оценка поверхностных вод рек Северо-Европейской части России и Приморского края в 2018 г.; б) Комплексная оценка качества поверхностных вод Дальневосточного федерального округа в 2018 г.; в) Комплексная оценка качества поверхностных вод Северо-Западного и Дальневосточного экономических районов в 2018 г. [9]

missing image file

Рис. 3. Методологические подходы к составлению карт загрязненности поверхностных вод различного вида территориальных образований с использованием показателей комплексной оценки воды водных объектов по створам наблюдений

Одной из важнейших задач, выполняемых в той или иной мере показателями комплексной оценки загрязненности, качества поверхностных вод является подготовка аналитической информации по широкому набору наблюдаемых ГНС в поверхностных водах показателей качества воды для представления государственным органам и заинтересованным организациям в удобной, легко интерпретируемой и доступной для восприятия научно обоснованной форме.

Проблемным моментом их внедрения в этой сфере является автоматизация употребления показателей комплексной оценки при построении карт для характеристики однозначной оценки качества поверхностных вод территориальных образований, например различных административных делений (округов, областей и пр.), а также речных бассейнов, поскольку антропогенные факторы формирования состава загрязняющих поверхностные воды веществ носят локальный характер, т.е. надежно отражают только данные в створе или пункте наблюдений. Использовать непосредственно усредненные значения этих оценочных показателей для наглядного площадного отображения оценки загрязненности поверхностных вод территорий, участков или акваторий водных объектов, их бассейнов неверно. С этой целью предлагается в качестве исходной для картографирования при оценке степени загрязненности поверхностных вод территориального образования любого вида за многолетний период использовать формализованную оценочную характеристику «степень преобладания» в поверхностных водах той или иной загрязненности воды в многолетнем ряду ежегодно рассчитываемых внутригодовых оценок, т.е. встречаемость створов, в которых эта или иная «степень загрязненности» наблюдается.

«Степень преобладания (Ппр, %)» в воде водных объектов, как формализованная оценочная характеристика загрязненности воды многолетнего периода, это ежегодно фиксируемое в течение многолетнего периода наибольшее количество створов наблюдений, выраженное в процентах от их общего числа, т.е. преобладание относительно других «степеней загрязненности воды», также обнаруживаемых, но реже фиксируемых в поверхностных водах того или иного территориального образования, одного, редко двух качественных состояний.

Основные подходы к составлению карт загрязненности, качества поверхностных вод за многолетний период различного вида территориальных образований приведены на рис. 3.

По данным государственной наблюдательной сети ФГБУ «Камчатское УГМС» и ФГБУ «Приморское УГМС» проведена оценка распределения створов наблюдений за качеством поверхностных вод Камчатского и Приморского краев (в %) по степени загрязненности и классам качества воды (таблица). На основании полученных данных выделены преобладающие категории (наибольшая встречаемость, %) степени загрязненности за каждый год и с учетом этих данных за многолетний период (рис. 4).

Распределение створов наблюдений (в %) по степени загрязненности, классам качества воды водных объектов Камчатского и Приморского краев за многолетний период

Годы

Классы, разряды качества воды, % створов

Ппр, %

загрязненная

Ппр, % очень загрязненная

Ппр, %

грязная

1-й

2-й

3-й

4-й

5-й

разряд «а»

разряд «б»

разряд «а»

разряд «б»

разряд «в»

разряд «г»

условно

чистая

слабо загрязненная

загряз-

ненная

очень загрязненная

грязная

очень грязная

экстремально

грязная

Камчатский край

2015

 

13,8

68,9

13,8

3,56

       

68,9

   

2016

 

3,40

69,0

27,6

         

69,0

   

2017

 

10,3

62,1

27,6

         

62,1

   

2018

 

10,0

69,0

21,0

         

69,0

   

2019

 

17,3

72,4

10,3

         

72,4

   

2020

 

3,40

69,0

20,7

6,90

       

69,0

   

2021

 

20,7

58,6

17,2

3,50

       

58,6

   

Приморский край

2015

 

5,00

21,1

26,3

21,1

21,1

5,20

5,20

     

42,2

2016

   

15,0

25,0

25,0

25,0

         

50,0

2017

   

25,0

15,0

35,0

 

10,0

 

5,00

   

35,0

2018

 

5,25

20,0

10,5

31,6

21,1

5,25

       

52,7

2019

 

16,0

26,5

15,0

26,5

10,0

5,00

       

36,5

2020

 

15,8

21,0

31,6

31,6

         

31,6

31,6

2021

 

5,25

15,8

31,6

31,6

2,25

10,5

       

36,9

Примечания:

1. Таблицы составлены по данным ГНС ФГБУ «Камчатское» и ФГБУ «Приморское УГМС».

2. Цветом выделены сведения о категории загрязненности поверхностных вод Камчатского и Приморского краев с наибольшей степенью преобладания (% створов) за многолетний период

missing image file

Рис. 4. Степень загрязненности, качество воды водных объектов а) Камчатского и б) Приморского краев за многолетний период (2015–2021 гг.)

Заключение

Рассмотренные в статье приемы составления карт оценки загрязненности, качества поверхностных вод представляют собой лишь некоторый опыт оценочного гидрохимического картографирования. По этой тематике могут быть получены серии карт подобного типа. Составление их может идти по следующим направлениям: составление карт, посвященных детальной оценке отдельных компонентов качества водной среды; составление карт, отображающих обобщенную оценку всей совокупности компонентов химического состава природных вод или характерных типов сочетаний этих компонентов; составление карт состояния по интересующим группам веществ целевой направленности; составление серий карт с целью выявления динамики загрязненности вод и т.д.

Приведенные данные свидетельствуют о целесообразности, допустимости и перспективности широкого применения картографических приемов обработки аналитических данных о химическом составе поверхностных вод, качества воды водных объектов. Можно считать, что оценочное гидрохимическое картографирование обособилось в одно из направлений тематической картографии, что обусловлено спецификой поверхностных вод как объекта картографирования. Отмечается положительная динамика развития методических приемов обработки исходных данных о химическом составе, качестве поверхностных вод и способах их отображения, возросли сложность смысловой нагрузки и информационная емкость карт.

Получаемая таким образом картографическая информация о химическом составе, качестве, загрязненности поверхностных вод и их изменении во времени в многолетнем плане в пределах изучаемых территорий является легко воспринимаемым отражением закономерностей весьма сложной в реальных условиях гидрохимической дифференциации территориальных образований по условиям формирования качественного состава, изменений во времени, пространственного и временного отражения степени загрязненности наиболее характерными химическими веществами поверхностных вод, классификации качества воды водных объектов по степени загрязненности комплексами присутствующих в водных объектах загрязняющих химических веществ.

Предложена методика составления интерпретационных карт загрязненности, качества поверхностных вод различного вида территориальных образований, кратко отображающих многолетнюю динамику их химического состава и современное качество воды водных объектов во времени. Сформулированы методологические подходы к составлению карт загрязненности, качества поверхностных вод различных территориальных образований с использованием показателей комплексной оценки. Приведены составленные на натурном материале примеры их использования.