Нереальная гидрохимия

            Любые характеристики речной воды включают в себя гидрохимические показатели. Выводы о загрязнении рек зависят от результата сопоставления средней концентрации с избранным стандартом. Так, избрав рыбохозяйственный стандарт (ПДКр), исследователь оценивает воду грязной.

            Но, применив к той же воде нормы питьевого качества (ПДКс), он обнаруживает, что эта «грязная» вода пригодна для питья. Кстати, на IV Международной конференции «Реки Сибири» нам демонстрировали карту, где Енисей показан грязным, начиная с истока. Реальна ли эта карта? Да, карта реальна, пока качество воды определяется сравнением со стандартом ПДКр, но практически она показывает только наличие превышения над ним, а причина превышения состоит не только в антропогенном воздействии.

Стандарт ПДК или ПДКб?

            Рыбохозяйственный стандарт - это ПДК, установленная вне зависимости от особенностей гидрохимического режима реки. Соберём в один массив все результаты гидрохимических наблюдений, выполненных за все годы наблюдений в створе реки (речь идёт о непосредственных результатах измерений, а не о средних величинах). Распределим эти данные по некоторым интервалам и получим частоты повторения их за период наблюдений. График частот показан на рис.1.

Рис. 1. Частоты повторения концентраций в выделенных интервалах. Концентрации даны прямым жирным шрифтом, частоты – обычным курсивом. 4,3 – естественная норма, мг/л; 2,5 - 5,2 – интервал оптимальных концентраций для гидробионтов мг/л. 48,75 – средняя частота.

Разумно полагать, что интервал концентраций (2,5-5,2 мг/л), наблюдавшихся в створе реки c не менее, чем средней частотой, представляет собой вариант оптимальной характеристики среды для всех гидробионтов, а наиболее часто наблюдаемые концентрации (в среднем 4,3 мг/л) характеризуют норму естественного фона. Предельная бассейновая норма (ПДКб) не может превышать величину 5,2 мг/л. Таким образом, расположение последовательности концентраций по убывающей величине должно быть таким: максимальное значение, ПДКб, естественная норма, ПДКб (для свободного кислорода), минимальное значение. В этой иерархии нет места ни стандарту ПДКр, ни стандарту ПДКс.
 

Средняя концентрация по сечению водотока

Рассмотрим результаты измерения расходов воды и массотоков. Известно, что расход воды измеряют опосредствованно. Для этого измеряют площадь сечения и скорость течения, а результаты перемножают.

Рис. 2. Сечение водотока имеет две прибрежные струи одинакового сечения. B – ширина канала по верху. b – ширина по низу. Н - глубина. 1-3 – номера струй

В гидрометрии принято при измерении скорости течения в одной точке на вертикали располагать вертушку на 0,6 глубины воды. Согласно основному закону водотоков, массотоки пропорциональны расходам воды. Поэтому отбираем пробы воды тоже из точек измерения скоростей течения (рис. 2).

Результаты измерений и расчётов помещены в табл. 1.

Таблица 1. Расчёт расходов воды, массотоков и средних концентраций

Таблица даёт возможность не расписывать ход расчёта. В результате средняя концентрация из трёх результатов измерения составила: С^ср = 6 : 3 = 2 мг/л, а средне взвешенная - С^срвз = 5,5Н² : 4Н² = 1,4 мг/л. Разница составляет 43 процента к результату расчёта по струйной теории.

Примерно такая ситуация была обнаружена в 2007 г. при анализе данных гидрометеослужбы в р.Енисей, когда концентрации многих веществ выше Красноярска оказались больше концентраций их в речной воде ниже города. Всему виной оказалась струя реки Маны (рис. 3), которая попала в сечение выше города, а ниже города её уже не было. В нашем примере расход струи составил 1/8 общего расхода, а в реальном случае только 1/18 от расхода в р. Енисей. Результат более впечатляющ.

Рисунок 3. Устье р. Маны и её струя в р. Енисее (Google-карта)

Совсем не средняя «средняя концентрация»

             Государственная система наблюдения и контроля предлагает для практического использования свод средних концентраций по створу реки за год. Это результат суммирования концентраций вещества в разных расходах воды. В аналитической гидрохимии такие действия не допускаются. Покажем, к чему это приводит.

Использовав известные расходы воды в реке в сутки каждого отбора проб и предположив, что концентрация вещества и расход воды изменяются линейно, мы рассчитали средние за год концентрации вещества через массотоки, что соответствует правилам аналитической химии. В период с ноября по март, когда служба мониторинга не вела наблюдений за рекой, расход воды и концентрация вещества приняты равными нулю. Они не измерены, поэтому при расчёте средне приведённой концентрации были игнорированы верхние и нижние произведения расхода на нуль. Игнорированы и нулевые значения концентрации при расчёте средней. Эта таблица (как и рис. 1 и 3) заимствована, вместе с частью текста, из моей книги «Предельно допустимый расход массы вещества в сточных водах (методическое пособие)», находящейся в подготовке к печати, и сюда включена как рисунок вместе с номером 1.2.
 

Результаты вычислений показывают, что величина средней концентрации выше концентрации, рассчитанной по потоку массы на 70%. Результат расчета средней концентрации может совпадать с результатом расчёта приведённой только при неизменном расходе воды в период между отборами проб. Но такой речной сток в течение года никогда не возникает.

Описание искажения информации дано только за счёт применения неверных методов обработки первичных данных, инициированных понятием «смешение». Советую основательно подумать о приёмах устранения ошибок от нереальной гидрохимии, намереваясь использовать при расчётах, связанных с оценкой качества воды или нормированием нагрузки на реки, официально выданные средние концентрации веществ за прошлые годы по створам реки.

Грядущий переход к струйному принципу потребует научного поиска решений множества задач, неудовлетворительно решаемых существующими методами и необходимых для превращения нереальной гидрохимии в реальную. Здесь даны только подсказки общей формы о возможных вариантах решения отдельных задач. После реализации подсказок, сравнение годовой средне приведенной концентрации с бассейновой ПДКб (тоже средней в принятом интервале) будет характеризовать действительное отклонение качества воды от естественного состояния. Но причиной может оказаться сумма антропогенного воздействия с колебаниями массотоков, связанными с вековыми колебаниями речного стока.

г. Красноярск, 19 апреля 2011 г.

Знаменский В.А. 
Заслуженный мелиоратор РСФСР. Ветеран водного хозяйства.
e-mail: vit.znamenskii @ gmail.com
 

Примечания:

• Пользователь (посетитель, читатель) не имеет права публиковать абзацы текста, иллюстрации и иную информацию, извлечённую из статьи, без явного указания заимствования с полной ссылкой на оригинальную публикацию: Знаменский В. А. Нереальная гидрохимия.: Информационный портал Экодело.орг, 19 апр. 2012 г.
• Издатель не вправе ничего изменять в тексте и оформлении статьи после публикации.