Знания в области мониторинга качества поверхностных вод

Знания в области мониторинга качества поверхностных вод

Введение

Мониторинг качества поверхностных вод является краеугольным камнем управления водными ресурсами и охраны окружающей среды, направленным на оценку качества поверхностных вод, таких как реки, озера и водохранилища. Он позволяет получить представление о распределении и изменении содержания загрязняющих веществ, предлагая научную основу для управления водной средой, обеспечения безопасности питьевой воды и сохранения экологии. В связи с растущей серьезностью загрязнения воды и продвижением таких моделей управления, как интеллектуальные системы водоснабжения и «Система речных комиссаров» (River Chief System), важность мониторинга качества поверхностных вод становится все более очевидной. В данной статье всесторонне рассматриваются вопросы сбора базовых данных, выбора участков мониторинга, времени и частоты отбора проб, выбора технологий мониторинга, а также представления результатов и обеспечения качества, что служит систематическим справочником для специалистов-практиков.

1. Сбор базовых данных для мониторинга качества воды

Первым шагом в мониторинге качества поверхностных вод является сбор фоновых данных, относящихся к водному объекту, для получения полного понимания его природных и антропогенных характеристик. Эти данные формируют основу для разработки программ мониторинга и анализа результатов, охватывая следующие аспекты:

1.1 Гидрологические, климатические, геологические и топографические данные

- Гидрологические данные: включают уровень воды, скорость потока, расход воды и морфологию поперечного сечения реки, отражающие динамические изменения водного объекта. Следует фиксировать исторические гидрологические данные и тенденции.

- Климатические данные: осадки, испарение и температура влияют на уровень растворенного кислорода, рассеивание загрязняющих веществ и изменение качества воды.

- Геологические и топографические данные: структура русла реки, тип почвы, геологические условия (например, карстовые ландшафты), а также ширина и глубина реки влияют на распределение качества воды и миграцию загрязняющих веществ.

- Исторический объем воды: анализ колебаний стока в полноводный, засушливый и нормальный сезоны для обоснования времени отбора проб.

1.2 Социально-экономические данные вдоль водных объектов

- Городская и промышленная планировка: распределение городов, промышленных зон, типы источников загрязнения (например, точечные или диффузные) и объемы их сбросов.

- Условия дренажа: расположение и пропускная способность городских дренажных систем и выпусков очистных сооружений.

- Анализ источников загрязнения: выявление основных источников загрязнения (например, промышленные сточные воды, сельскохозяйственные стоки, бытовые сточные воды) и их характеристик сброса.

1.3 Использование водных ресурсов и охраняемые территории

- Источники питьевой воды: расположение, границы охранных зон и стандарты качества воды для источников питьевого водоснабжения.

- Функции земель: текущее использование земель в водосборном бассейне (например, сельское хозяйство, промышленность, экологическая защита) и последние планы развития.

- Функциональное зонирование: идентификация зон для водного отдыха, туризма или объектов гидроэнергетики.

1.4 Исторические данные мониторинга и исследований

- Исторические данные о качестве воды: результаты прошлых мониторингов и тенденции изменения концентраций загрязняющих веществ.

- Данные гидрологических наблюдений: долгосрочные данные гидрологических станций для анализа корреляции между качеством воды и гидрологическими условиями.

- Исследования водной среды: научные исследования, оценки воздействия на окружающую среду и другие отчеты для дополнения фоновой информации.

2. Установка створов мониторинга и точек отбора проб

Научно обоснованное проектирование створов мониторинга и точек отбора проб имеет решающее значение для обеспечения репрезентативности и надежности данных о качестве воды. Ниже приведены принципы и требования к их установке:

2.1 Принципы планировки створов мониторинга

- Репрезентативность: створы мониторинга должны всесторонне отражать пространственное распределение качества воды и вариации загрязняющих веществ, охватывая основные зоны загрязнения и функциональные зоны.

- Комплексность: на основе целей мониторинга (например, защита питьевой воды, контроль загрязнения) и параметров (например, pH, ХПК, растворенный кислород) определите количество и расположение створов, учитывая такие ресурсы, как персонал и оборудование.

- Согласованность: совмещение створов мониторинга качества воды с гидрологическими створами для облегчения корреляционного анализа.

- Оперативность: створы должны быть доступными, с четкими береговыми маркерами для облегчения отбора проб и обслуживания.

2.2 Установка точек отбора проб

Выбор точек отбора проб должен учитывать характеристики водного объекта, распределение источников загрязнения и требования функциональных зон:

- Выше и ниже источников загрязнения: установка точек выше и ниже по течению от крупных городов, промышленных зон или выпусков сточных вод для мониторинга поступления и рассеивания загрязняющих веществ.

- Места слияния притоков: размещение точек в местах слияния значимых притоков с основным руслом и в полностью перемешанных створах ниже по течению.

- Специальные зоны:

  - Эстуарии рек и приливные зоны: мониторинг качества воды в эстуариях или участках, подверженных влиянию приливов, для анализа взаимодействия между соленостью и загрязняющими веществами.

  - Районы с сильной эрозией почвы: акцент на влиянии наносов на мутность и миграцию загрязняющих веществ.

  - Входы и выходы озер и водохранилищ: мониторинг изменения качества воды на основных притоках и истоках.

  - Границы международных рек: мониторинг качества воды в трансграничных водных объектах.

- Функциональные зоны: установка точек в зонах источников питьевой воды, зонах концентрации водных ресурсов, туристических зонах, зонах водного отдыха и местах расположения гидроэнергетических объектов для удовлетворения конкретных потребностей управления.

- Требования к выбору створа:

  - Избегайте застойных зон, участков с обратным течением или слишком бурным потоком; выбирайте прямые участки рек со стабильным руслом и плавным течением.

  - Убедитесь, что точки отбора проб представляют качество воды основного потока, избегая локальных помех (например, вблизи выпусков сбросов или густой водной растительности).

3. Определение времени и частоты отбора проб

Время и частота отбора проб должны определяться в зависимости от типа водного объекта, целей мониторинга и характеристик изменения окружающей среды, чтобы сбалансировать репрезентативность данных и затраты на мониторинг.

 3.1 Источники питьевой воды

- Частота: не менее 12 проб в год (ежемесячно или чаще).

- Время: корректировка на основе колебаний качества воды с приоритетом на сезоны с более высокими рисками загрязнения (например, сезон дождей).

 3.2 Реки

- Основные русла крупных речных систем и малые/средние реки:

  - Частота: не менее 6 проб в год, охватывающих влажный, засушливый и нормальный сезоны, не менее 2 проб за сезон.

  - Время: выбор репрезентативных периодов на основе гидрологических циклов, таких как сезон дождей (влажный) или зима (сухой).

- Сильно загрязненные реки или реки в функциональных зонах (например, городские или туристические участки):

  - Частота: не менее 12 проб в год (ежемесячно или чаще в зависимости от характера загрязнения).

  - Время: согласование с графиком сброса загрязнений или пиковыми туристическими периодами.

 3.3 Коллекторы сточных вод

- Частота: не менее 3 проб в год с акцентом на периоды пикового сброса загрязнений.

- Время: выбор на основе графиков дренажа, таких как сезоны дождей или пики промышленного производства.

 3.4 Донные отложения

- Частота: не менее 1 пробы в год, предпочтительно в засушливый сезон (когда отложения стабильны).

- Время: избегайте сезонов дождей с возмущением осадков, чтобы результаты отражали характеристики загрязнения отложений.

 3.5 Фоновые створы

- Частота: не менее 1 пробы в год.

- Время: выбор сезонов с более высокими рисками загрязнения (например, сезон дождей или периоды внесения сельскохозяйственных удобрений).

 3.6 Приливные реки

- Частота: охват влажного, нормального и сухого сезонов, отбор проб в течение 2 дней за сезон.

- Время: отбор проб во время прилива и отлива каждый день с измерением качества воды и гидрологических параметров.

 3.7 Озера и водохранилища

- Специализированные станции мониторинга: не менее 1 пробы в месяц, минимум 12 проб в год.

- Прочие озера/водохранилища: не менее 2 проб в год, по одной в влажный и сухой сезоны.

- Время: выбор репрезентативных периодов на основе сезонных изменений водного объекта.

4. Выбор технологий отбора проб и мониторинга

Мониторинг качества воды включает различные параметры (например, pH, ХПК, растворенный кислород, мутность, тяжелые металлы), требующие соответствующих методов отбора проб и анализа в зависимости от свойств объекта, диапазона концентраций и требований к точности.

4.1 Методы отбора проб

- Ручной отбор проб: подходит для низкочастотного маломасштабного мониторинга с использованием бутылей или специальных пробоотборников для обеспечения чистоты образцов.

- Автоматический отбор проб: используются автоматические пробоотборники для количественного отбора проб по времени, идеально подходит для долгосрочного онлайн-мониторинга.

- Рекомендации по отбору проб:

  - Используйте чистые контейнеры (например, полиэтиленовые или стеклянные бутылки).

  - Выбирайте глубину отбора проб (например, поверхность, средний слой или придонная вода) на основе параметров мониторинга.

  - Предотвращайте физические, химические или биологические изменения во время транспортировки или хранения образцов (например, используйте консерванты или охлаждение).

4.2 Технологии мониторинга

- Химический анализ:

  - ХПК: дихроматный метод, метод УФ-абсорбции.

  - Аммонийный азот: колориметрический метод с реактивом Несслера, метод ионоселективного электрода.

  - Тяжелые металлы: атомно-абсорбционная спектроскопия, масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS).

- Сенсорные технологии:

  - Датчики pH: электрохимический метод измерения кислотности/щелочности воды.

  - Датчики растворенного кислорода: электрохимические или флуоресцентные методы контроля уровня кислорода.

  - Датчики мутности: оптический метод измерения концентрации взвешенных частиц.

  - Многопараметрические датчики: интеграция pH, ХПК, растворенного кислорода и т. д. для онлайн-мониторинга в реальном времени.

- Дистанционное зондирование и беспилотные технологии: использование спутниковых снимков или изображений с дронов в сочетании с моделями качества воды для мониторинга распределения загрязнения в крупных водоемах.

- Принципы выбора:

  - Выбирайте высокочувствительные и высокоточные методы на основе химических свойств параметра и диапазона его концентрации.

  - Отдавайте приоритет методам, соответствующим национальным стандартам (например, китайскому стандарту качества поверхностных вод GB 3838-2002).

  - Соблюдайте баланс между частотой мониторинга и стоимостью, выбирая между онлайн-датчиками или лабораторным анализом.

5. Представление результатов, обеспечение качества и планирование реализации

5.1 Представление результатов

Данные мониторинга качества воды должны обрабатываться и визуализироваться научно обоснованным образом для облегчения анализа и принятия решений:

- Обработка данных: использование статистического анализа (например, среднее значение, стандартное отклонение, анализ трендов) или моделей качества воды для расчета концентраций, тенденций и нагрузок загрязняющих веществ.

- Формы представления:

  - Отчеты по мониторингу: включают параметры качества воды, данные по створам, анализ источников загрязнения и рекомендации по управлению.

  - Графики и карты: использование линейных графиков, гистограмм или ГИС-карт для отображения пространственных и временных изменений качества воды.

  - Онлайн-платформы: отображение данных о качестве воды в реальном времени через платформы IoT для общественного доступа и принятия нормативных решений.

 5.2 Обеспечение качества

Обеспечение качества (QA) имеет решающее значение для гарантии точности и надежности данных на протяжении всего процесса мониторинга:

- Калибровка приборов: регулярная калибровка датчиков и аналитических приборов с использованием стандартных растворов.

- Контроль образцов: использование холостых, параллельных и стандартных проб для обеспечения отсутствия загрязнения при отборе и анализе.

- Валидация данных: подтверждение согласованности данных посредством повторных измерений, перекрестной валидации или стороннего аудита.

- Обучение персонала: обеспечение квалификации персонала, занимающегося отбором проб и анализом, и его ознакомление со стандартными операционными процедурами (СОП).

- Управление записями: ведение полных записей о времени, месте, методах и результатах отбора проб для обеспечения прослеживаемости.

 5.3 Планирование реализации

План реализации определяет конкретные мероприятия по программе мониторинга, обеспечивая научную строгость, осуществимость и координацию:

- График: указание временных узлов для отбора проб, анализа, обработки данных и представления отчетов.

- Распределение ресурсов: эффективное распределение рабочей силы, оборудования и материалов для выполнения задач.

- Планы действий в чрезвычайных ситуациях: разработка планов быстрого реагирования и мониторинга при внезапных случаях загрязнения (например, утечки, разливы).

- Механизмы сотрудничества: координация ресурсов между экологическими, водными и научно-исследовательскими учреждениями для эффективного мониторинга.

6. Значение и проблемы мониторинга качества поверхностных вод

6.1 Значение

- Защита окружающей среды: предоставляет данные о качестве воды для выявления источников загрязнения и руководства мерами управления.

- Безопасность питьевой воды: обеспечивает качество воды в зонах водозабора, защищая здоровье населения.

- Сохранение экологии: мониторинг экологического состояния водных объектов для поддержки защиты биоразнообразия.

- Политическая поддержка: предоставляет данные для «Системы речных комиссаров», интеллектуальных систем водоснабжения и сеточного управления, обеспечивая точное управление.

6.2 Проблемы

- Репрезентативность данных: створы мониторинга и точки отбора проб должны быть научно спроектированы, чтобы избежать локальных искажений, влияющих на общие оценки.

- Затраты на мониторинг: высокоточные приборы и частый отбор проб увеличивают финансовое бремя, требуя оптимизированного распределения ресурсов.

- Сложные водные объекты: приливные реки, озера и водохранилища находятся под влиянием множества факторов, что создает трудности для мониторинга.

- Интеграция данных: стандартизация и интеграция данных из различных источников требуют единых платформ во избежание изоляции данных.

7. Будущие разработки

Технологический прогресс стимулирует следующие тенденции в мониторинге качества поверхностных вод:

- Интеллектуальные системы и IoT: многопараметрические датчики и IoT позволяют осуществлять сеточный мониторинг в реальном времени, повышая эффективность сбора данных.

- Большие данные и ИИ: машинное обучение для анализа тенденций качества воды и прогнозирования рисков загрязнения для оптимизации стратегий управления.

- Дистанционное зондирование: спутниковый мониторинг и мониторинг с помощью дронов для крупных водных объектов, расширяющий пространственное разрешение.

- «Зеленый» мониторинг: разработка датчиков с низким энергопотреблением и без использования реагентов (например, УФ-датчики ХПК) для снижения воздействия на окружающую среду.

Заключение

Мониторинг качества поверхностных вод является основополагающим фактором управления водными ресурсами и охраны окружающей среды, обеспечивая надежные данные для оценки качества воды и управления посредством научного сбора данных, проектирования створов, определения частоты отбора проб и выбора технологий. Эффективное представление результатов и строгое обеспечение качества гарантируют точность и полезность данных. С развитием интеллектуальных систем водоснабжения и «Системы речных комиссаров» мониторинг качества поверхностных вод эволюционирует в сторону интеллектуальности, точности и устойчивости, предлагая надежную поддержку для устойчивого управления водной средой.