АЛГОРИТМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОСРОЧНЫХ ЦЕЛЕВЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ВОДЫ В ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ
Беляев C. Д.
Российский НИИ комплексного использования и охраны водных ресурсов, Екатеринбург, Россия
Введение
Установление целевых показателей качества воды в водных объектах (ЦП) предусмотрено ст. 33 и 35 Водного кодекса Российской Федерации (ВК) [1]. ЦП определяются при разработке Схем комплексного использования и охраны водных объектов (СКИОВО) на период действия этих схем [2]. ЦП разрабатываются для каждого речного бассейна или его части с учетом природных особенностей речного бассейна, а также с учетом условий целевого использования водных объектов (ВО), расположенных в границах речного бассейна. Кроме того, ЦП могут служить для оценки эффективности использования субъектами Российской Федерации субвенций из федерального бюджета на осуществление переданных им полномочий в области водных отношений (ст. 26 ВК).
Концепция использования целевых показателей состояния ВО при решении задач управления водными ресурсами и водопользованием была предложена автором еще в 1997 г. [3] и последовательно развивалась [4-7]. После вступления в силу ВК, ряда нормативных и методических документов, его обеспечивающих, по заказу Росводресурсов был подготовлен проект Методических рекомендаций по определению целевых показателей качества воды в водных объектах. В настоящей статье излагаются основные положения Методических рекомендаций.
Методика
Одним из главных недостатков действовавшей до вступления ВК системы нормирования качества воды в ВО и водопользования было практическое отсутствие учета условий формирования стока конкретного ВО. Возможность такого учета декларировалась [8], но не имела достаточного методического обеспечения и не была реализована. Использование ЦП позволяет преодолеть этот недостаток [5].
Определения
Целевые показатели качества воды в водных объектах – значения физических, химических, радиационных, микробиологических характеристик воды в ВО, а также характеристик состояния водной экосистемы, которые должны быть достигнуты в установленные сроки.
Долгосрочные целевые показатели качества воды в водном объекте (ДЦП) – целевые показатели качества воды в ВО, срок достижения которых составляет 10-20 лет (срок реализации СКИОВО).
Краткосрочные целевые показатели качества воды в водном объекте (КЦП) – значения показателей, вошедших в перечень ДЦП, которые должны быть достигнуты в результате реализации утверждённого технически и экономически обоснованного пятилетнего плана водоохранных и водохозяйственных мероприятий (этапа реализации СКИОВО).
Установление границ расчетных участков
ДЦП устанавливаются для расчетных участков. ВО (и его водосборная территория) разбивается на расчетные участки с целью учета различий в природных условиях формирования стока, которые оказывают влияние на качество воды. Выделение расчётных участков основано на комплексном районировании водосборной территории гидрографической единицы (речного бассейна, подбассейна) по природным факторам с использованием тематических карт (поэтапно: физико-географической; почвенной; геологической; ландшафтной).
На основе сопоставления слоев цифровой картографической основы перечисленных тематик (и/или соответствующего картографического материала) выделяются границы расчетных участков гидрографической единицы, существенно отличающихся природными условиями формирования стока ВО. При определении границ расчетных участков следует, по возможности, учитывать конфигурацию гидрографической сети, расположение ближайших постов контроля государственной системы мониторинга ВО, ближайших границ природоохранных территорий, водохозяйственных участков (ВХУ), административных единиц, населенных пунктов. Границы расчетных участков выносятся на гидрографическую карту соответствующего масштаба.
Размер расчетных участков зависит от степени детализации ключевых проблем, выделенных на втором этапе разработки СКИОВО [2], от размеров гидрографической единицы, пестроты природных условий. В общем случае размеры расчетного участка ограничены сверху − границами природных зон, снизу – рекомендуемыми размерами ВХУ [9].
Определение состава целевых показателей качества воды в водных объектах
ЦП могут включать в себя физические, химические, радиационные, биологические и бактериологические показатели. Набор физико-химических ЦП состоит из ограниченной обязательной части и ЗВ, риск поступления которых в ВО обусловлен текущей/планируемой хозяйственной деятельностью.
Рекомендуется следующий список обязательных показателей:
1) водородный показатель (pH);
2) концентрация растворенного кислорода, мг О2/дм3;
3) концентрация взвешенных веществ, мг/дм3;
4) химическое потребление кислорода (ХПК), мг О2/дм3;
5) биохимическое потребление кислорода за 5 сут (БПК5), мг О2/дм3;
6) концентрации биогенных элементов: азота (общего), фосфора (общего), мг/дм3;
7) концентрация нефтепродуктов, мг/дм3.
В случае отсутствия информации вместо азота общего можно использовать азот нитритов, нитратов и аммония, вместо фосфора общего − фосфаты. Для водоемов (озер, водохранилищ, прудов и обводненных карьеров) рекомендуется в качестве обязательных показателей использовать также прозрачность (см) и концентрацию хлорофилла-а (мг/дм3).
Список дополнительных физико-химических ЦП определяется по результатам первого и второго этапов разработки СКИОВО, на основе анализа данных мониторинга ВО, планов социально-экономического развития территорий, технологий действующих и планируемых производств, выявленных ключевых проблем речного бассейна. При определении списка дополнительных физико-химических ЦП можно использовать рекомендации, приведенные в [10]. Для включения в список дополнительных химических ЦП рекомендуется использовать следующие предварительные критерии:
1) концентрация вещества в сточных водах выше хозяйственно-питьевых ПДК;
2) концентрация вещества в воде ВО (контрольный створ) выше рыбохозяйственных ПДК.
Температура воды включается в список ЦП в случае, если наблюдалось превышение над естественной температурой ВО более чем на 5оС, или имеются источники теплового воздействия. Радиационные показатели качества воды применяются там, где имеется риск радиационного заражения. Они устанавливаются в соответствии с действующими нормативными правовыми актами. Микробиологические показатели устанавливаются на участках ВО, которые используются для хозяйственно-питьевых целей и рекреации. Показатели био-тестов на острую и хроническую токсичность могут быть использованы в местах интенсивного загрязнения.
Показатели состояния водной экосистемы (биологические показатели) служат основой для интегральной оценки состояния ВО. Эти показатели устанавливаются для всех расчетных участков на основе данных мониторинга ВО. В случае необходимости проводятся специальные изыскания. В качестве основных биологических ЦП предлагается использовать характеристики состояния макрозообентоса (в основном, для рек) и ихтиофауны (главным образом, для водоемов) [6].
Алгоритм установления значений долгосрочных целевых показателей качества воды в водных объектах
ДЦП устанавливаются для каждого расчетного участка на основе данных наблюдений за состоянием ВО, собранных на первом и втором этапах разработки СКИОВО [2]. В сложившейся российской практике для статистической оценки рядов наблюдений чаще всего используется математический аппарат, основанный на предположении, что случайная величина распределена нормально [11]. Критики подобного подхода [12] справедливо отмечают, что такое предположение в применении к данным наблюдений за химическим составом поверхностных ВО в значительном числе случаев неоправданно. Избежать связанных с этим ошибок позволяет использование непараметрических характеристик распределения случайной величины, таких как медиана и квартили. Анализ зарубежного опыта [13, 14] показывает, что именно эти статистические характеристики в последнее время используются для оценки и классификации состояния ВО.
Предлагается два возможных подхода к установлению численных значений ДЦП. Первый (предпочтительный) состоит в статистической обработке данных наблюдений за эталонными ВО. Под эталонным понимается ВО того же типа, что и тот, для которого устанавливаются ДЦП (водоем, водоток и т. п.), находящийся в сходных физико-географических условиях (на том же расчетном участке) и не подверженный ощутимому антропогенному воздействию. В качестве ДЦП в этом случае предлагается использовать верхний квартиль (75%) распределения наблюденных на эталонном ВО значений показателя. Другими словами, в качестве долгосрочной цели ставится достижение на всех ВО расчетного участка (подверженных антропогенному воздействию) значения контролируемого показателя не выше, чем то, которое не превышается в 75% проб на эталонном ВО. Для показателей, более высокое значение которых соответствует лучшему состоянию ВО (растворенный кислород, прозрачность), используется нижний квартиль (25%). Установленные таким способом ДЦП представляют, по существу, нормативы качества окружающей среды в применении к ВО расчетного участка [5, 15].
Если нет достаточных оснований для определения эталонного ВО, то применяется второй подход. Он состоит в статистической обработке всех данных по расчетному участку. В этом случае для расчета ДЦП используется нижний квартиль (25%) распределения наблюденных значений. Для показателей, более высокое значение которых соответствует лучшему состоянию ВО (растворенный кислород, прозрачность), − верхний квартиль (75%). При использовании этого подхода желательно исключать из рассмотрения данные по створам, расположенным в зоне существенного влияния крупных источников загрязнения (вблизи больших населенных пунктов, выпусков сточных вод крупных предприятий).
Анализ данных наблюдений за качеством воды в ВО показывает, что количество проб по контрольным створам, ВО, фазам гидрологического режима может существенно различаться. Для выравнивания степени влияния объема имеющейся информации на результат используется следующий алгоритм [13]. Пусть стоит задача определения ДЦП по некому показателю качества воды по расчетному участку, на территории которого расположено N контрольных створов на ВО заданного типа. После предварительной статистической и смысловой выбраковки малодостоверных данных по каждому створу (ВО-1, ВО-2, …., ВО-N) на основе многолетних рядов наблюдений набирается статистика значений исследуемого показателя по характерным фазам гидрологического режима (зима, весна-лето, осень). Для каждого полученного таким образом распределения случайных величин определяется медиана М:
M(ВО-1 зима), M(ВО-1 весна-лето), M(ВО-1 осень);
M(ВО-N зима), .M(ВО-N весна-лето), M(ВО-N осень).
Таким образом, многолетние данные наблюдений за показателем качества воды по каждому створу представляются в виде трех сезонных значений. Затем определяются верхние (нижние) квартили (Q) случайных величин полученных сезонных значений (по створам):
Q { M(ВО-1 зима), …, M(ВО-N зима)} = Q-зима;
Q { M(ВО-1 весна-лето), …, M(ВО-N весна-лето)} = Q-весна-лето;
Q { M(ВО-1 осень), …, M(ВО-N осень)} = Q-осень.
Полученные 3 значения могут быть использованы в качестве сезонных значений ДЦП в случае, если предполагается их дальнейшее использование. В качестве расчетного значения ДЦП (годового) используется медиана:
ДЦП = М{Q-зима, Q-весна-лето, Q-осень}.
Если нет оснований полагать, что значение показателя качества воды существенно зависит от фазы гидрологического режима или нет информации, достаточной для того, чтобы такую зависимость учитывать, то раздельный анализ по сезонам не проводится. Определяются медианы по каждому створу за весь период наблюдений:
M(ВО-1), M(ВО-2), …, M(ВО-N).
В качестве ДЦП используется соответствующий квартиль:
ДЦП = Q{М(ВО-1), M(ВО-2), …, M(ВО-N)}.
В качестве исходной информации при определении ДЦП (физико-химических) желательно использовать следующие данные (в порядке предпочтения):
ежемесячные (и более частые) отборы проб на регулярной сети наблюдений;
отборы проб в характерные фазы гидрологического режима;
среднегодовые значения (полученные в результате обработки данных регулярных наблюдений).
Рекомендуемый интервал наблюдений для использования при установлении ДЦП в зависимости от наличия необходимого объема информации (в порядке предпочтения):
10 последних лет;
весь период наблюдений;
отдаленный период наблюдений, соответствующий незначительному антропогенному воздействию.
Рекомендуемый уровень типизации ВО при установлении ДЦП в зависимости от наличия необходимого объема информации (в порядке предпочтения):
детальный по типам и категориям ВО (водоем: глубокий, мелкий; водоток – большой, малый; ВО: естественный, сильно модифицированный, искусственный);
по типам и категориям ВО (водоем; водоток; ВО: естественный, сильно модифицированный, искусственный);
по типам ВО (водоем, водоток);
без типизации.
Степень надежности статистических расчетов, достаточности имеющейся информации для проведения статистического анализа и т. п. определяется стандартными методами. В случае отсутствия достаточного объема данных по расчетному участку возможно использование данных по ВО, находящимся в сходных физико-географических условиях. Если таких данных нет, то возможно использование литературных данных, моделирования, экспертных оценок, значений рыбохозяйственных и хозяйственно-питьевых ПДК.
Изложенный алгоритм применяется для установления ДЦП веществ естественного происхождения. Для опасных веществ искусственного происхождения (список таких веществ утверждается в установленном порядке) ДЦП = 0 (устанавливается на уровне ниже чувствительности стандартных используемых методов). Для прочих веществ искусственного происхождения возможно установление ДЦП на уровне нормативов ПДК.
Если актуальное значение показателя качества воды в каком-либо створе ВО «лучше» ДЦП, то для этого створа и этого показателя ДЦП принимается равным актуальному значению.
Ключевая роль в определении значений ДЦП отводится группе технических экспертов Бассейнового совета, включающей авторитетных специалистов по управлению водными ресурсами, экологии, здравоохранению, биологии и пр. Эта группа оценивает проведенную классификацию ВО, анализ имеющихся литературных данных, анализ полноты и достоверности данных наблюдений, оценивает необходимость и результаты применения моделирования, предлагает к утверждению значения ДЦП по результатам расчетов и анализа.
Для обоснованного принятия решения по установлению ДЦП должны быть представлены следующие материалы (по каждому показателю):
литературные данные;
анализ данных за весь период наблюдений, выявленные тенденции изменения (тренды);
рассчитанные значения ДЦП по первому и/или второму варианту (при наличии достаточного объема исходных данных);
результаты моделирования (в случае необходимости);
экспертные оценки ДЦП на основе общего анализа особенностей формирования стока ВО (в случае отсутствия необходимого объема данных наблюдений);
рыбохозяйственные ПДК;
хозяйственно-питьевые ПДК;
актуальные значения показателя в контрольных створах ВО;
оценка влияния достижения ЦП на расчетном участке на нижерасположенный участок;
заключение экспертной группы с рекомендованными значениями ДЦП.
ДЦП могут уточняться по мере накопления информации в соответствии с процедурой корректировки СКИОВО [2].
Общий алгоритм установления краткосрочных целевых показателей качества воды
КЦП рассчитываются при обосновании пятилетних этапов реализации СКИОВО для показателей качества воды, вошедших в перечень ДЦП. КЦП устанавливаются по ВХУ.
На основе информации (собранной на первом этапе разработки СКИОВО) по источникам поступления загрязнений, действующим производственным технологиям и технологиям очистки сточных вод, на основе анализа НСТ и основных экономических показателей деятельности для каждого водопользователя определяются экономически приемлемые пятилетние технологические этапы перехода к НСТ [7, 16]. Определяется комплекс мероприятий по ВХУ на пять лет, включающий мероприятия водопользователей и мероприятия собственников ВО (непосредственно на ВО и водосборе). Рассчитывается КЦП − прогноз значений показателей качества воды в ВО на граничном створе ВХУ после внедрения указанного выше комплекса мероприятий. Расчет должен производиться с использованием единого математического обеспечения (включая математические модели и компьютерное обеспечение). Единое математическое обеспечение должно применяться, по крайней мере, для расчетов в пределах бассейна реки.
Затем проводится сопоставление КЦП по всем ВХУ расчетного участка и оценка возможности достижения ДЦП (с учетом приоритетности проблем, определенной на втором этапе реализации СКИОВО). Если КЦП не удовлетворяют предъявляемым требованиям, определяются дополнительные мероприятия (с объемами и источниками финансирования). В качестве альтернативных программ мероприятий (с соответствующими КЦП), которые формируются на четвертом этапе разработки СКИОВО [2] предлагается использовать, по крайней мере, следующие:
мероприятия, проводимые за счет собственных средств водопользователей (физических и юридических лиц);
предыдущие + мероприятия, проводимые за счет привлеченных средств (инвестиции, кредиты и пр.);
предыдущие + мероприятия, проводимые за счет местных бюджетов;
предыдущие + мероприятия, проводимые за счет бюджетов субъектов РФ;
предыдущие + мероприятия, проводимые за счет средств федерального бюджета.
Каждая из программ мероприятий сопровождается технико-экономическим обоснованием.
Заключение
Предложенные Методические рекомендации по определению ЦП направлены на реализацию так называемого «комбинированного подхода» (combined approach) к управлению водными ресурсами»: сочетание установления нормативов состояния водных объектов (ДЦП) с регулированием сброса на основе НСТ (КЦП и программы их достижения). Этот подход широко применяется в развитых странах и является ключевым элементом Рамочной Водной Директивы ЕС [17].
Методические рекомендации позволяют при сохранении целостности новой системы нормирования водопользования и планирования водоохранной деятельности осуществлять переход к ней постепенно, по мере остроты проблем и готовности технических решений, бассейн за бассейном.
Внедрение Методических рекомендаций должно обеспечить:
повышение эффективности управления водными ресурсами за счет учета условий формирования стока, технических и экономических факторов при планировании мероприятий на конкретном ВО;
снижение коррупционной опасности за счет детальной регламентации процедур взаимодействия с водопользователями;
возможность установления понятных и легко отслеживаемых целей управления водными ресурсами и водопользованием;
упрощение оценки эффективности использования бюджетных средств
гармонизацию с Рамочной Водной Директивой ЕС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Водный кодекс Российской Федерации. Федеральный закон от 01.01.01 г. №74-ФЗ.
2. Методические указания по разработке схем комплексного использования и охраны водных объектов. Утверждены Приказом МПР России от 4 июля 2007 г. N 169, зарегистрированным Минюстом России 10 августа 2007 г., .
3. М., Д. Концептуальный подход к формированию водохозяйственной политики// Материалы международного симпозиума «Чистая вода России». - Екатеринбург, 1997. - С. 91-92.
4. Концепция государственной политики в сфере использования, восстановления и охраны водных объектов. // Использование и охрана природных ресурсов России. Ежемесячный бюллетень. №6/2000. – С. 36-46.
5. К вопросу о нормировании водопользования// Водное хозяйство России. – 2004. − Том 6. − № 5. – С. 445 – 459.
6. Д. Предложения по использованию целевых показателей для нормирования водопользования в рамках нового Водного кодекса РФ // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. – № 6, 2006. – С. 3-26.
7. Беляев планирования водохозяйственной деятельности в контексте нового Водного кодекса // IX международный симпозиум и выставка «Чистая вода России-2007». − Екатеринбург, 2007. – С. 55-65.
8. Правила охраны поверхностных вод (типовые положения) / Госкомприроды СССР. – М., 1991. – 34 с.
9. Методика водохозяйственного районирования территории Российской Федерации. Утверждена Приказом МПР России от 01.01.01 г. № 000.
10. Руководящий документ. Организация и проведение режимных наблюдений за загрязнением поверхностных вод суши на сети Росгидромета. РД 52.24.309-92. − Санкт-Петербург, 19с.
11. Руководящий документ РД 52.24.. Методические указания «Проведение расчетов фоновых концентраций химических веществ в воде водотоков». Утвержден Федеральной службой России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.
12. , Мирошниченко задания «фоновой» концентрации в естественных водотоках// Водное хозяйство России. – 2002. - № 3. – С. 247 – 262.
13. U. S. EPA. 2000a. Nutrient Criteria Technical Guidance Manual: Lakes and Reservoirs, U. S. Environmental Protection Agency, Washington, DC. EPA-822-B00-001.
14. WFD CIS. Guidance Document No.6. Towards a guidance on establishment of the intercalibration network and the process on the intercalibration exercise / Office for official publications of the European Communities. – Luxembourg, 2003. – 54 p.
15. Федеральный закон -ФЗ «Об охране окружающей среды».
16. Учёт технологических особенностей водопользователей при нормировании допустимых воздействий на водные объекты// Водное хозяйство России. – 2006. - № 4. – С. 18 – 26.
17. Directive 2000/60/EC of the European Parliament and of the Council of 23 October 2000 establishing a framework for Community action in the field of water policy // Official Journal of the European Community L327, 22.12/2000, p. p. 1-72.
