Концепция разработки региональных нормативов допустимых воздействий на природные водные объекты

УДК 543.3

Шарапов Николай Михайлович Nikolay Sharapov

КОНЦЕПЦИЯ РАЗРАБОТКИ РЕГИОНАЛЬНЫХ НОРМАТИВОВ ДОПУСТИМЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ПРИРОДНЫЕ ВОДНЫЕ ОБЪЕКТЫ

CONCEPTUAL APPROACH TO THE DEVELOPMENT OF REGIONAL STANDARDS PERMISSIBLE IMPACT ON THE NATURAL WATER BODIES

Рассмотрены концептуальный подход и теоретические положения разработки региональных нормативов допустимых воздействий на природные водные объекты

Ключевые слова: нормативы допустимых воздействий, ранжирование водных объектов, показатель существующего состояния водного объекта, программа водоохранных мероприятий, приращение концентраций загрязняющих веществ

The article describes the conceptual approach and the theoretical development of re-gional standards for allowable impacts on natural water bodies

Key words: standards of admissible impact, ranging of water bodies, parameters of wa-ter body current condition, program of water protection measures, increment of con-taminant concentrations

Нормативы допустимого воздействия на водные объекты (НДВ), как известно [1], разрабатываются и утверждаются для каждого водного объекта по бассейновому принципу, по административным единицам и участкам. Основная цель нормирования в отношении природных водных объектов — предотвращение дальнейшего загрязнения водных объектов, стабилизация их гидрохимического режима на существующем уровне и возврат из антропогенного в природно-антропогенное (оптимально — в природное) состояние. Нормирование качества природных вод должно решать не проблему управления водой, как природным ресурсом, а проблему управления техногенной деятельностью человека.

Главнейший принцип, положенный в основу назначения нормативов НДВ, которым следует руководствоваться — это учет тройственного характера данного норматива:

— количественный показатель привно-са загрязняющих веществ (ЗВ) в поверхностный водный объект с учетом самоочищения в нем за единицу времени (мг/с; кг/

год и т.п.) по бассейнам водного объекта или его участка;

— степень социальных последствий, которые могут повлечь избыточные содержания ЗВ в водном объекте при использовании воды для нужд населения и экономики;

— объем финансовых средств, которые могут быть вложены из бюджетов всех уровней в мероприятия по сокращению привноса ЗВ в водный объект для улучшения качества воды.

Устанавливаемые нормативы НДВ должны носить технико-социально-экономический характер, что обеспечит:

— сопоставимость в оценке качества вод различных водных бассейнов и их участков, расположенных на территории субъекта РФ;

— реализацию социального равенства населения в возможностях использования воды для личных и производственных нужд;

— равномерное и наиболее эффективное вложение средств в мероприятия по улучшению качества природных вод.

При назначении нормативов НДВ следует предусматривать:

— районирование территории субъекта РФ для целей управления качеством водных объектов;

— непрерывный мониторинг качества водных объектов, определение природной составляющей привноса ЗВ в водные объекты и регулярную корректировку нормативов НДВ по результатам мониторинга;

— распределение средств на реализацию мероприятий по повышению качества вод на основании показателя существующего состояния. При этом нарушение приоритетности при финансировании мероприятий за счет государственных и муниципальных источников не допускается;

— пропорциональность выделения средств на мероприятия по повышению качества вод с учетом привноса ЗВ в водный объект, сложившегося к настоящему моменту времени.

В основу районирования ( ранжирования) территории субъекта РФ для целей управления качеством водных объектов должны быть положены методы сравнительной балльной оценки по приоритетным региональным ЗВ [2]. Районирование водных объектов различного порядка субъекта РФ производится по бассейнам, административным образованиям и представляется в виде матрицы формата «Бассейн — административная единица». Алгоритм ранжировки следующий:

На первом этапе:

— рассматривается субъект РФ, водотоки первого порядка разбиваются по бассейнам;

— в пределах каждого бассейна по всем к -м водотокам по замыкающему створу рассчитывается интегральная сравнительная балльная оценка качества воды по выбранному перечню приоритетных региональных ЗВ;

— ранжируются все к-е водотоки по бассейнам в пределах субъекта по привно-су ЗВ; выявляются те ЗВ или соединения, которые имеют максимальный массовый расход и возможные источники их поступления; определяется приоритетность вло-

жения средств в конкретные водные объекты по повышению их качества с целью достижения максимального экологического эффекта в целом по субъекту РФ.

На втором этапе:

— каждый к-й водный объект первого порядка в пределах своей водосборной площади разбивается на участки по административным образованиям;

— рассчитывается интегральная сравнительная балльная оценка существующего состояния бассейна к -го водотока по участкам в границах каждого 2-го муниципального образования;

— ранжируются все выделенные участки в пределах каждого 2-го муниципального образования по привносу ЗВ с их водосборной площади.

На заключительном этапе ранжируются все участки бассейнов к-х водотоков в границах 2-х муниципальных образований по привносу ЗВ в целом по субъекту.

Данная методика районирования территории субъекта РФ позволяет:

— ранжировать все рассматриваемые участки водотоков по максимальному при-вносу ЗВ;

— выявить возможные источники их поступления;

— определить приоритетность вложения средств в конкретные водные объекты по разработке водоохранных программ, дальнейшей их реализации по стабилизации существующего состояния и последующему повышению их качества с целью достижения максимального экологического эффекта в целом по субъекту РФ.

Следующим этапом и, возможно, одним из основных в подготовке предлагаемого методического комплекса нормативов НДВ является разработка программы водоохранных мероприятий. Основная задача расчета нормативов НДВ заключается в необходимости нормировать не состав вод природных водных объектов, а техногенную и антропогенную деятельность на их водосборе, а также той части водных ресурсов, которая используется для водопользования. Конечным результатом нормативов НДВ является получение данных, характе-

ризующих изучаемое явление при реализации планируемых мероприятий.

Назначение нормативов НДВ на водные объекты и их водосборы необходимо производить на основании фактического состояния водного объекта, которое определяется показателем существующего состояния, рассчитываемого с использованием приоритетных региональных ЗВ [3].

Комплексность учета ЗВ реализуется в виде матрицы «изменения приращения масс загрязняющих веществ — участков водного объекта по длине» для водотоков или «приращения массы по сравнению с исходным состоянием — годом наблюдения» для водоемов. От исходных данных и произведенной оценки в значительной степени зависит перечень предлагаемых водоохранных мероприятий, прогноз изменения гидрохимического режима водного объекта, а следовательно, и их эффективность.

Современное фактическое состояние водного объекта и отклонение его от природного зависит от огромного числа факторов. В настоящее временя по подавляющему большинству даже весьма крупных водных объектов имеются ограниченные в историческом масштабе наблюдения за химическим составом вод ( как правило, уже отягощенные антропогенным влиянием) . Поэтому нет смысла надеяться на разработку «эталона», к которому следует стремиться. Данный процесс вряд ли удастся спрогнозировать на современном уровне идеально, возможен только «пошаговый» подход к нормированию. Следовательно, предполагаемые нормативы должны носить временный характер и пересматриваться по мере накопления данных регулярного мониторинга.

Рассчитать точную потребность в финансовых средствах на стабилизацию и последующее улучшение экологического состояния водного объекта не представляется возможным. Поэтапное же восстановление водного объекта в значительной степени определяется экономическими возможностями водопользователей и государства. Поэтому нормативы качества вод природных водных объектов должны раз-

рабатываться на региональном уровне (на территории бассейнов и субъектов РФ) на относительно небольшой временной период и в увязке с конкретными водоохранными программами. Иначе говоря, они не могут быть идентичными в масштабах государства или планеты, а должны базироваться на оценке качества, присущего природным водам и носить сравнительный характер.

Таким образом, основополагающие принципы назначения нормативов НДВ следующие [4, 5]:

Первый — региональность — для такого крупного государства как РФ состав природных вод никогда не был и не может быть абсолютно идентичным. Он формируется по бассейновому принципу с учетом геоэкологических процессов (природного и антропогенного характера), происходящих на водосборе и в самом водном объекте. Следовательно, нормативные показатели должны носить регионально-бассейновый характер.

Второй — временность — поскольку по подавляющему большинству даже весьма крупных водных объектов имеются очень ограниченные в историческом масштабе ряды наблюдений за химическим составом вод ( как правило, уже подверженных антропогенному влиянию) , предполагаемые нормативы носят временный характер и должны пересматриваться по мере накопления данных регулярного мониторинга.

Третий — разработка программы водоохранных мероприятий — для достижения основной цели необходимо уменьшение антропогенного влияния на водный объект, т.е. выполнение ряда конкретных природоохранных, организационно-технических мероприятий на водосборе. Мероприятия эти связаны с финансовыми вложениями. Следовательно, устанавливаемые нормативы должны быть неразрывно связаны с целевыми программами, учитывающими современное качество вод объекта и планируемый уровень его улучшения, увязанный с экономическими возможностями региона (бассейна).

Четвертый — регулярный мониторинг и пересмотр нормативов.

Пятый — увязка с финансовыми средствами — ограниченность финансовых средств на реализацию водоохранных программ требует подхода, который позволял бы направлять имеющиеся средства на выполнение первоочередных мероприятий.

В этих условиях наиболее эффективно применять следующий подход к расчету нормативов НДВ на водные объекты [4].

Временные расчетные нормативы НДВ направлять на стабилизацию существующего экологического состояния водного объекта, которое определяется показателем существующего состояния. Они не должны противоречить утвержденным федеральным нормативам.

Разработать перечень «Программы водоохранных мероприятий» по стабилизации и поэтапному восстановлению водного объекта, а также ориентировочный требуемый уровень улучшения его экологического состояния при реализации намеченных мероприятий, установить срок исполнения программы.

При реализации «Программы...» на основании непрерывного мониторинга нормативы должны периодически пересматриваться с учетом вновь накопленных данных фактического изменения экологического состояния водного объекта, а также достигнутого уровня по сравнению с планируемым. Ведутся наблюдения по уточнению природного фона.

На всех последующих этапах вводимые нормативы ужесточаются в сторону приближения к уточненному природному фону.

В соответствии с данным подходом предлагается комплекс следующих показателей по временным НДВ на водный объект (его участок) по привносу химических веществ и соединений:

— показатель существующего состояния водного объекта (участка) по привносу химических веществ и соединений;

— ориентировочный уровень снижения вредного воздействия на водный объект (участок) по привносу химических веществ и соединений;

— программа водоохранных мероприятий;

— срок исполнения программы ПВМ и достижения ориентировочного уровня вредного воздействия на водный объект (участок).

Реализация программы должна осуществляться при постоянном мониторинге водного объекта, что позволит оценить эффективность предлагаемых мероприятий, степень их влияния на состояние водного объекта и произвести их корректировку на последующих этапах.

При разработке программы водоохранных мероприятий для достижения ориентировочного требуемого уровня снижения вредного воздействия на водный объект (участок) по привносу ЗВ необходимо производить расчет их трансформации, т.е. предусматривать прогнозирование гидрохимического режима поверхностного водного объекта.

Для прогнозирования трансформации ЗВ в поверхностных водных объектах используется большое количество различных моделей, направленных на решение следующих задач:

— трансформации ЗВ по длине водотока;

— гидрологического и гидрохимического режимов водного объекта;

— типов источников загрязнения;

— размеров расчетной области;

— полноты и точности задаваемых исходных данных;

— требуемой, по условиям задачи, точности расчетов и наличия вычислительных средств.

Теоретические исследования и практический опыт отечественных и зарубежных авторов показал, что даже для достаточно крупного водного объекта эффективность прогнозных моделей качественного состава вод в значительной мере определяется полнотой и адекватностью задания исходной информации. Традиционные методы прогнозирования, применяемые территориальными подразделениями Росгидромета, разработанные до использования современных информационно-вычислительных средств при решении сложных практических задач, как правило, малоэффективны. Для каж-

дого водного объекта должна создаваться гидродинамическая модель, полностью адаптированная к его особенностям. При этом модель должна отвечать следующим требованиям:

1) отражать основные закономерности распространения ЗВ в водных объектах;

2) расчет трансформации ЗВ производить за относительно короткое время и при экономичном использовании требуемых ресурсов;

3) должны быть указаны методы идентификации параметров модели;

4) точность результатов расчета должна соизмеряться с точностью исходных данных, а также с возможной точностью контроля процесса рассеивания ЗВ в натурных условиях.

При схематизации процесса адвективно-диффузионного переноса примесей необходимо учитывать основные определяющие факторы переноса ЗВ в рассматриваемом водном объекте, характер водного режима, его гидравлические, морфологические и гидрохимические характеристики, условия выпуска сточных вод, факторы и условия самоочищающей способности водного объекта. Поэтому построение и реализация единой унифицированной модели, базирующейся на современной системе сбора и анализа исходной информации, а также с учетом ограниченной мощности имеющихся вычислительных средств, в настоящее время не представляется возможным, и, как следствие, применение численных методов в настоящее время ограничено по двум причинам:

— во-первых, для использования этих методов требуется значительное количество исходных данных и большие вычислительные ресурсы;

— во-вторых, точность исходных данных не позволяет использовать мощные вычислительные средства; кроме того, использование только осредненных по сечению потока характеристик существенно теряет преимущества модели.

Более сложной проблемой является оценка исходных параметров моделей. Как правило, сложные многокомпонентные мо-

дели более чувствительны к точности задания исходных параметров, чем простые, изначально использующие более крупные характеристики. Достаточно адекватное задание параметров таких моделей в общем случае возможно на основе многолетних детальных комплексных гидрохимических, гидрологических и гидробиологических наблюдений.

Таким образом, при достаточно ограниченном объеме гидрохимической, гидробиологической информации в процессе создания системы оперативного прогнозирования и нормирования техногенных нагрузок целесообразно использовать более простые модели.

Разработка программ по стабилизации и последующему улучшению экологического состояния водных объектов требует для последующей корректировки запроектированных водоохранных мероприятий значительных технических, материальных и временных затрат. Задача снижения материальных затрат непрерывного мониторинга изменения гидрохимического состояния водотока. Для снижения этих затрат предлагается следующий подход.

1. Выбирается водный объект и выделяется участок, ограниченный существующими г-м верхним и (г+7)-м нижними створами (рис. 1) [5].

2. Допускается, что водоохранными мероприятиями поступление ЗВ снижается и, как следствие, концентрация 7 -го ЗВ по длине водотока уменьшается, т.е. выполняется условие: С/ > С/+1.

Тогда в любом произвольном створе (Ц < Ьх < Ь+), расположенном между существующими стационарными, концентрация того или иного ЗВ может быть рассчитана по формуле

С7 = С:

С

+1

Ь+, -Ь

[ 3 ], которую легко

проверить — произвольно выбранный створ совпадает с вышерасположенным, т.е.

Ьх - Ц, тогда показатель степени в ней обращается в ноль и С]х-1 = С/.

Ьх -Ь

Рис. 1. Схема изменения расходов воды в реке, массового расхода и концентрации ]-го загрязняющего вещества, соединения на участке реки от створа i до створа

3. Известно [5], что на участке во до- приращений массовых расходов описыва-тока для двух произвольно выбранных ЗВ ются линейными уравнениями (рис. 2). зависимости приращения концентраций от

дс

2

АС'+,, 1

дс:+Л, / 1

/// Ат [+и =Д/я \+и Д/77

Рис. 2. Схема зависимости приращения концентрации от приращения массового расхода для вещества 1

4. Выбирается произвольный отрезок на оси абсцисс

ДЩ+ц = Дт1+и = ДЩ+ц

(рис. 2) и проводится нормаль к данной оси. Получим для первого вещества ординату ДС'+и, а для второго — ДС;+и. Тогда в первом приближении приращение концентрации второго вещества будет равно [3]:

а;

а;

ДС,2+ц = -р--ДС1и+

Уравнение (1) позволяет в первом приближении рассчитывать приращение концентрации второго ЗВ при условии, что приращение концентрации первого ЗВ известно.

5. Если имеются среднемноголетние данные по изменениям приращений концентраций нескольких ЗВ, то зависимость приращения концентрации (АС”+и) любого из них может быть выражена через аналогичные зависимости остальных [3]:

Аі+1,і

АС" - *" +

a

+1, i

(n -1) • ah,i іЧаС,^ - b'w) + -ЙДСШ, -Ь+ц) +

-^

’ n-1 •

i+1, i

,+1, i

при n > 2

a

i+1, i

Это позволяет в любом промежуточном створе рассчитать трансформацию одного из ЗВ по данным для других ЗВ.

6. Зависимость суммы приращений

N

концентраций нескольких ЗВ

П-1

от их слагаемых (ДС1и, ДС?+и,•••, ДС”+1,;) можно рассчитывать по формуле (2), полагая,

что £дс;„, =ДСД.

П-1

Таким образом, приведенные зависимости (1) и (2) в любом произвольном створе в первом приближении позволяют рассчитывать приращения концентраций некоторых ЗВ. Это обеспечивает значительное снижение материальных и временных затрат на определение содержания ЗВ по сравнению с традиционными методиками определения.

Литература

1. Методические указания по разработке нормативов допустимого воздействия на водные объекты: утверждены приказом министерства природных ресурсов РФ 12 декабря 2007 г. № 328: зарегистрированы в Минюсте РФ 23.01.2008 г., per. № 10974.

2. Шарапов Н.М., Черепанова Т.В., Заслоновский В.Н. Качественная оценка стока с водосбора с использованием модуля выноса / / Материалы V республиканской научной конференции «Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан». — Казань: Отечество, 2003 — С. 274.

3. Шарапов Н.М., Заслоновский В.Н., Никонов Л.М. О прогнозе трансформации загрязняющих веществ и соединений в природных водных объектах // Водное хозяйство России. — 2009.

— № 6. — Екатеринбург: РосНИИВХ. — С. 53-65.

4. Шарапов Н.М., Заслоновский В.Н. Нормирование антропогенного воздействия на водные объекты в границах субъекта Федерации на основе интегрального показателя / / Водное хозяйство России. — 2005. — Т. 7. — № 2. — Екатеринбург: РосНИИВХ. — С. 141-153.

5. Шарапов Н.М., Заслоновский В.Н. О математическом описании внутриводоемных процессов в руслах рек // Вестник Читинского государственного университета (Вестник ЧитГУ) № 3 (54). — Чита: ЧитГУ, 2009. — С. 36-41.

Коротко об авторе_____________________________________________Briefly about the author

ШараповН.М., канд. техн. наук, Читинский госу- N. Sharapov, Candidate of Science (Engineering),

дарственный университет (ЧитГУ) Chita State University

nmsharapov@mail.ru

Научные интересы: формирование гидрохими- Areas of expertise: formation of hydro-chemical ческого режима водных объектов condition of water bodies