Эмпирические методы оценки диффузного загрязнения водных объектов

Метод постоянных концентраций

Одним из наиболее тривиальных методов оценки величины нагрузки от неточечных источников на приемный водоем является метод постоянных концентраций, который используется как для урбанизированных, так и для сельскохозяйственных водосборов. Как следует из самого названия, метод основывается на предположении, что поступление загрязняющих веществ через замыкающий створ изучаемой водосборной территории можно охарактеризовать определенным значением концентрации исследуемого загрязняющего вещества, которое практически не зависит от времени:

C(t) ≈ С₀ = const.

Предельная простота такого приближения позволяет использовать этот метод в самых разных ситуациях. Например, с его помощью можно оценить максимальную нагрузку с городской территории, формирующуюся при ливневых осадках, поскольку методики инженерных расчетов максимального дождевого стока хорошо известны и применяются, в частности, при проектировании ливневых канализационных систем. Легко сопрягается метод постоянных концентраций и с гидрологическими моделями произвольной сложности. Так, если гидрологическая модель воспроизводит изменение во времени водного стока с территории, то использование метода постоянных концентраций вкупе с этой моделью позволит рассчитать динамику нагрузки на реку или водоем, принимающие сток.

Естественный вопрос, всегда возникающий у исследователей при попытке применения данного метода, как все же найти величину С₀, которую можно было бы рассматривать в качестве постоянной концентрации? Конечно, для нахождения С₀ можно провести оценочные наблюдения непосредственно на исследуемом водосборе.

Другой способ, также вполне приемлемый для грубых оценок, состоит в использовании данных, имеющихся в литературе по другим водосборам со сходными условиями (гидрологическими и хозяйственными). Например, в Соединенных Штатах Америки в 1983 г. была реализована Общенациональная программа по изучению урбанизированного стока. В рамках этой программы исследованиями были охвачены тридцать городов США, расположенных в разных климатических условиях. Около сотни постов наблюдения накапливали данные по осадкам, водному стоку с территорий и показателям качества воды в нем. Собранные данные опубликованы и могут служить определенным ориентиром при выборе величины средней концентрации, по крайней мере для урбанизированных территорий.

К сожалению, возлагать больших надежд на точность оценок, которые будут получаться в том и другом случае, не приходится. Дело в том, что исследования по упомянутой выше программе NURP ясно показали, что концентрации загрязняющих веществ в стоке с городской территории сильно изменяются не только от одного дождя к другому, но и даже в течение одного ливня. Поэтому, оценивая нагрузку от неточечных источников по методу постоянной концентрации, следует понимать, что получаемые результаты будут весьма приближенными и подходят лишь для предварительных оценок.

Модуль стока поллютанта

Еще один довольно простой способ количественной оценки поступления загрязняющих веществ в водный объект от рассредоточенных источников основан на использовании показателя, который в англоязычной литературе называется Unit Area Load, т. е. нагрузка с единичной площади. В работах отечественных авторов эту характеристику водосбора, измеряемую в единицах [M·L^-2·T^-¹], например, 1 кг/(га·год), называют модулем стока поллютанта или модулем химического стока - по аналогии с применяемым в гидрологии модулем водного стока. Модуль стока загрязняющего вещества определяет количество поллютанта, поступающего с единицы площади водосборного бассейна через его замыкающий створ в единицу времени. Ежегодная нагрузка с исследуемого водосбора рассчитывается умножением данного показателя на площадь водосборной территории.

Теоретически простая методика оценки величины нагрузки на водные объекты на основе понятия о модуле стока загрязняющего вещества на практике сопряжена с серьезными трудностями.

Первая состоит в самой оценке этого коэффициента. Дело в том, что обеспечить непрерывные или достаточно частые измерения величины концентрации, как правило, бывает невозможно слишком дорого. Поэтому частота, с которой проводятся измерения расходов Qi и концентраций с,, обычно бывает разной. Например, отбор проб воды для определения концентрации химического вещества производится только через какие-то интервалы времени, в то время как измерения расхода могут быть довольно частыми, почти непрерывными. Поэтому при расчете модуля стока на основе уравнения (3.2) приходится использовать какие-то предположения о связи «концентрация - расход». Установить статистически достоверно эту связь на основе одновременных измерений величин Q и с практически невозможно из-за того, что концентрация загрязнения в створе измерений определяется слишком многими условиями, зависит от большого числа самых разных факторов.

Еще одна проблема состоит в том, что данный метод расчета может быть использован лишь для консервативных веществ, не подверженных процессам трансформации, таким как распад, химические реакции, потребление растениями и т. д. Легко понять, что таких консервативных веществ в действительности вообще не существует. Следовательно, модуль химического стока, определенный описанным выше способом, может отражать ситуацию только на том водосборе и только в тот момент времени, когда производилось измерение, и строго говоря, не может применяться не только к другим водосборным бассейнам, но даже к этому же водосбору в других гидрологических условиях.

Среди многих факторов и процессов, оказывающих влияние на судьбу загрязняющих веществ при их прохождении от источника до точки наблюдения, длина пути транспортировки поллютанта, которая в данном случае определяется размером водосбора и его гидролого-геологическими особенностями, является одной из важнейших характеристик. Следовательно, использовать значение модуля стока загрязняющего вещества, полученное для одного водосборного бассейна, для оценки величины рассредоточенной нагрузки с площади другого водосбора следует весьма и весьма осторожно, лишь убедившись, что размеры водосборных бассейнов близки, а гидрологические и гидрометеорологические условия и типы землепользования в них аналогичны.

Тем не менее, как обобщенная характеристика водосборного бассейна, модуль стока поллютантов, интегрально характеризующий и уровень загрязненности территории, и ее гидрологические особенности, и характер хозяйственного освоения, и плотность населения и т. д., является удобным параметром для оценки диффузного загрязнения водоемов. Поэтому в литературе можно найти оценки модулей стока различных веществ для водосборов с самыми разными формами землепользования [Methods..., 1973; Land..., 1976]. Даже число обобщающих публикаций, которые пытаются как-то систематизировать литературные данные по этой проблеме, довольно велико. Для примера, в таблице 3.1 приведены данные, взятые из одной обзорной работы, о диапазонах изменений величин модуля химического стока некоторых наиболее распространенных загрязняющих веществ для водосборных участков, характеризующихся различными типами землепользования.

Таблица 3.1 Оценки модуля химического стока некоторых поллютантов (кг/га в год) [Jolankai,1983].

Тип землепользования	Фосфор		Азот		Органическое вещество		Взвешенные вещества
Тип землепользования	общий	растворенный	общий	нитритный	по БПК	по ХПК	Взвешенные вещества
Общий водосбор	0.05-2.9	0.01-0.9	0.9-37.0	0.2-35.0	11-67	91-400	10-236
Преимущественно сельское хозяйство	0.04-4.2	0.05-0.13	0.1-178.0	0.3-8.1	2-51	48-275	50-4200
Преимущественно лес	0.02-1.0	0.02-0.08	1.4-33.0	1.0-6.3	1.8-17	-	-
Урбанизированная	1.1-5.6	0.9-2.0	6.0-10.0	0.2-13.0	3.0-507	260-1050	1700-7500
Пастбища	0.3-0.5	-	1.1-5.3	0.2- 0.7	-	13-28	12-840
Пашни	0.7-8.2	0.7-53.0	-	-	-	-	-
Сады и виноградники	0.8-20	-	0.1-260.0	-	4.0-130	27-1300	200-1500

В заключение данного раздела обратим еще раз внимание на некоторую условность оценки диффузного загрязнения по такому показателю, как нагрузка с единицы площади (или модуль химического стока). Действительно, при расчетах по описываемой методике вынос загрязняющих веществ с водосбора определяется произведением модуля стока поллютанта и водосборной площади - никаких данных о режиме водного стока не требуется. Поэтому, казалось бы, достаточно однажды найти модуль стока поллютанта для исследуемого водосбора, чтобы определение неточечной нагрузки на соответствующий водный объект стало элементарной процедурой.

На самом же деле результаты, получаемые при таких расчетах, могут быть весьма далеки от реальности.

Это легко понять, если проанализировать соотношение (3.1), В нем только второе слагаемое не зависит от расхода воды в замыкающем створе, но не оно одно определяет величину модуля химического стока. В большинстве случаев основной вклад в величину Y вносит третье слагаемое (в котором Ь>1), а первое слагаемое в выражении (3.1) на практике часто оказывается пренебрежимо малым (из-за незначительности коэффициента Со [Vollenweider, 1989]). Это означает, в частности, что два водосбора со сходными типами почв и характерами землепользования, но различающиеся объемом водного стока, будут сильно различаться модулями стока поллютантов.

Более того, из (3.1) следует, что на одном и том же водосборе при сохранении всех других условий изменение режима водного стока будет сопровождаться изменением модуля стока загрязняющих веществ. И, следовательно, если для конкретного водосбора модуль химического стока был определен при одном гидрологическом режиме, то оценка нагрузки по этому показателю для отличного режима водного стока может, вообще говоря, отличаться существенно.