Оцінка техногенного впливу на гідросферу з урахуванням принципів басейнового управління

Abstract

Дисертація присвячена розв'язанню науково-прикладної проблеми зниження техногенного навантаження на екосистеми джерел водопостачання, з урахуванням впливу транскордонних водних об'єктів в рамках існуючої системи басейнового управління водними ресурсами. Проведений аналіз виявив тенденцію до постійного погіршення якості вод поверхневих вод в межах басейну річки Дніпро за рахунок техногенного та впливу транскордонних водних об’єктів на них. Встановлено та доведено необхідність штучного регулювання циклу «вилучення – використання – утилізація – повернення в природне середовище. Сучасний екологічний стан водних об'єктів є незадовільним і свідчить про загострення проблем з охороною водних ресурсів від забруднення та виснаження, зокрема в останні роки. Відсутність системи басейнового контролю, управління та відповідальності за екологічний стан поверхневих джерел питної води призводить до того, що основні забруднюючі техногенно-небезпечні об’єкти, які впливають на екологічний стан поверхневого джерела питної води, зазвичай знаходяться на території одних областей, але виготовлення та споживання питної води з даного джерела здійснюється на території інших. На сьогодні існує досить значна кількість досліджень, присвячених питанням управління екологічною безпекою на рівні річкового басейну та інтегрованому управлінню водними ресурсами, де висвітлюються стратегічні та концептуальні напрямки впровадження цього підходу. Україна прийняла на себе зобов'язання з гармонізації водного законодавства з європейським після ратифікації Водної рамкової Директиви Європейського Союзу. Зокрема, внесено відповідні поправки до Водного кодексу України, у відповідності з якими в Україні управління водними ресурсами, а в т.ч. і екологічною безпекою річкового басейну, здійснюється за басейновим принципом, утворені басейнові управління водних ресурсів. Проте існують невирішені проблеми, пов'язані з функціонуванням басейнового управління за басейново адміністративним принципом, відсутність або недостатність методичного забезпечення для переходу до басейнового управління, а також ускладнення функціонування системи екологічного моніторингу вод через неузгоджені дії кількох суб'єктів моніторингу. Завдяки аналізу сучасних методів нормування якості природних вод: – виявлено основні недоліки, які присутні в методології оцінки та нормування якісного складу вод. – розподілено систему нормування якості поверхневих вод на дві категорії: вода, яка використовується людиною як сировина або технологічний компонент у виробництві, та вода природних поверхневих водних об'єктів, яка є натуральним компонентом природи та природним ресурсом. – запропоновано критерій оцінки якісного складу вод, який враховує геоекологічні процеси, що відбуваються як на водозаборі, так і в поверхневому водному об’єкті. – розроблено методику прогнозування якості поверхневих водних об'єктів, яка передбачає ранжування водних об'єктів в межах БУВР. – обґрунтовано методику розробки нормативів щодо шкідливого впливу на водні об'єкти, яка дозволяє забезпечити прогнозування зміни їх екологічного стану. Розроблено та теоретично обґрунтовано механізм впровадження регіональних нормативів впливів на водні об’єкти. Розроблена методологія і методи експериментально апробовані на прикладі басейну річки Дніпро. Після проведення експериментальних та натурних досліджень, було розроблено поетапний план переходу до управління якістю вод на рівні БУВР за допомогою запропонованих методів. Порівняння результатів оцінки якості води річки Дніпро (в межах України) за гідрохімічними і гідробіологічними показниками дозволило провести підтвердження адекватності запропонованого підходу. Пропонується термін «якості води» як характеристика складу води – її «властивості». Суть системи управління полягатиме в тому, щоб довести склад води до необхідного рівня для використання в соціальних та промислових цілях. Завданням прогнозування зміни екологічного стану водних об'єктів є не управління природним ресурсом, а управління техногенною діяльністю людини, яка впливає на природну якість цього ресурсу. Бальне оцінювання існуючого стану водних об’єктів в межах р. Псел за запропонованою методикою, показав, що в найбільш несприятливому екологічному стан перебуває в створі скиду промислових стоків. Внесок по надходженню ЗР наступний кисень розчинений – 28,5 ; сульфат-іони – 150,5; хлорид-іони – 85,35; амоній-іони – 0,70; нітрат-іони 12,5; нітрит-іони – 0,24; фосфат-іони – 0,43. Визначення максимально допустимого техногенного навантаження на поверхневі водні об'єкти є способом розрахунку їх граничної асиміляційної здатності, оскільки ця величина має визначальний вплив на стійке функціонування природних екосистем. Для визначення ступеня деградації поверхневого водного об’єкта порівнюють його природний стан зі сучасним, враховуючи асиміляційну здатність. Аналіз природного стану водних об’єктів і їх асимілюючої здатності є складним процесом, оскільки часто не вистачає статистичних даних. Ділення процесу надходження речовин і самоочищення на окремі складові також ускладнює оцінку екологічного стану поверхневих водних об’єктів. Фактичний стан поверхневих водних об’єктів залежить від багатьох чинників, що впливають на їх природну якість. Процес відновлення водних об’єктів має значний економічний вплив як на водокористувачів, так і на державу. Тому важливо ефективно оцінювати стан водних об’єктів та водозабезпечення з урахуванням довгострокових і короткострокових цільових показників (ДЦП і КЦП). Запропоновано використовувати модуль трансформації забруднювальних речовин як показник екологічного стану водозбору і поверхневого водного об’єкта при аналізі водно-екологічної обстановки. Цей модуль відображає питому величину забруднення та самоочищення, що відбувається на водозборі і у поверхневому водному об'єкті, і може бути визначений для окремих ділянок та для всього басейну в цілому. Запропоновано методику порівняльної оцінки якості вод в басейнах водотоків та на ділянках водних об’єктів, що базується на запропонованому показнику екологічного стану водозбору і поверхневого водного об’єкта. Методика має за мету вирішення зовнішньої задачі - порівняти якість вод між різними басейнами водотоків, а також внутрішньої задачі - порівняти якість вод на ділянках водних об’єктів. Були запропоновані різні варіанти покращення системи моніторингу, яка діє в межах річкового басейну, з метою передбачення змін у екологічному стані річки Псел, що виникають в результаті техногенного впливу. Розроблено методичне забезпечення формування системи екологічного моніторингу поверхневих вод басейну. Науково обґрунтовано рекомендації щодо критеріїв вибору місцерозташування створів та пунктів спостережень за станом водотоків. Розроблено методичне забезпечення спостережень за екологічним станом поверхневих вод в умовах аварійних та несанкціонованих скидів забруднень. Визначено заходи, пов'язані з оповіщенням про аварійні ситуації, організацію та проведення спостережень за станом хімічних показників при аварійному скиді стічних вод. За запропонованою методикою було проведене оцінювання поточного стану річки Псел, що дозволила виявити основні етапи її евтрофікації та основні забруднювальні речовини, які мають суттєвий вплив на екологічний стан водойми. Було доведено, що водогосподарський, гідрохімічний та тепловий баланс природної водойми внаслідок техногенного впливу ТЕС зазнав змін, і був розроблений план заходів щодо стабілізації та відновлення екологічного благополуччя річки. Розроблено методичне забезпечення спостережень за екологічним станом поверхневих вод в умовах аварійних та несанкціонованих скидів забруднень. Визначено заходи, пов'язані з оповіщенням про аварійні ситуації, організацію та проведення спостережень за станом хімічних показників при аварійному скиді стічних вод. Були розроблені рекомендації щодо реконструкції споруд для очищення побутово-промислових стоків міста Суми Практичне значення роботи підтверджено актами впровадження у діяльність організацій, а також у навчальний процес Сумського державного університету.

The dissertation is devoted to solving the scientific and applied problem of reducing the level of technogenic load on the ecosystem of water supply sources, taking into account the impact of transboundary water bodies on them in the conditions of the existing system of basin water management. Based on the analysis, the dissertation reveals a tendency towards a constant deterioration in the quality of water in surface natural water bodies within the Dnipro basin due to man-made and transboundary water bodies' impact on them. The necessity of artificial regulation of the cycle "extraction - use - utilization - return to the natural environment" has been established and proved. The current unsatisfactory ecological state of water bodies shows that the problems in the field of water protection from pollution and depletion have not only not been solved but have also become much more acute, especially in recent years. The absence of a basin-wide principle of control, management, and responsibility for the ecological state of surface sources of drinking water supply leads to the fact that most often, the main polluting technogenically hazardous facilities that cause the ecological state of a surface source of drinking water are located in some regions, while the production and consumption of drinking water from this source take place in other regions. Today, there is a considerable amount of research on environmental safety management at the river basin level and integrated water resources management, which highlights the strategic and conceptual directions for implementing this approach. Ukraine has ratified the Water Framework Directive of the European Union, thereby committing itself to harmonizing its water legislation in line with the European one. In particular, relevant amendments were made to the Water Code of Ukraine, according to which water resources management in Ukraine, including environmental safety of the river basin, is carried out on a basin basis, and basin water resource management agencies were established. However, there are still unresolved issues. The basin management units operate on a basin-administrative basis rather than a basin-wide basis, there is no or imperfect methodological support for the transition to basin-wide management, and the functioning of the environmental water monitoring system is complicated by the uncoordinated actions of several environmental monitoring entities. The analysis of modern methods of natural water quality standardization allowed: to identify the main shortcomings of the existing methodology for assessing and standardizing the quality composition of water; to divide the system of standardization of the quality composition of surface water into two categories: water as a raw material (and/or a technological component in the production of a particular product) used by humans for priority water use purposes and water of natural surface water bodies as a natural component of nature, a natural resource); to propose a criterion for assessing the quality composition of water, taking into account the geo-ecological processes occurring both in the watershed and in the surface water body; to develop a methodology for predicting the quality of water in surface water bodies, i.e., ranking water bodies within the framework of the Basin water resources management agencies; to substantiate the methodology for developing standards for harmful impacts on water bodies, which allows for the prediction of changes in their ecological state. A mechanism for implementing regional standards for impacts on natural water bodies has been developed and theoretically substantiated. The methodology was developed on the example of the Dnipro basin and the methods were experimentally tested. Based on the experimental and field studies, a phased plan for the transition to water quality management at the level of Basin water resources management agencies based on the proposed methods was developed. Comparison of the results of water quality assessment of the Dnipro River (within Ukraine) by hydrochemical and hydrobiological indicators allowed to confirm the adequacy of the proposed approach. The term "water quality" is proposed as a characteristic of water composition - its "properties". The essence of the management system will be to bring the composition of water to the required level for use for social and industrial purposes. Predicting changes in the environmental state of a water body should not solve the problem of managing water as a natural resource, but the problem of managing human activities that change the natural quality of the resource. The scoring assessment of the existing state of water bodies within the Psel River according to the proposed methodology showed that the most unfavorable environmental condition is in the outlet of industrial wastewater discharge. The contribution of pollutants is as follows: dissolved oxygen – 28.5; sulfate ions – 150.5; chloride ions – 85.35; ammonium ions – 0.70; nitrate ions – 12.5; nitrite ions – 0.24; phosphate ions – 0.43. Determining the maximum permissible technogenic load on surface water bodies is a variant of calculating their maximum assimilation capacity, since this value determines the sustainable functioning of natural ecosystems. The difference between the ecological state of a surface water body in its natural state, taking into account its assimilative capacity, and the current existing state would allow determining the degree of degradation of the surface water body. At the same time, determining and assessing the natural state, due to insufficient or complete absence of statistical materials, is a rather complicated process for most water bodies, as well as their assimilative capacity. In addition, it is currently virtually impossible to separate the inflow and self-purification by specific substances and their combination. The actual state of a surface water body, its deviation from the natural state, depends on a huge number of factors. The phased restoration of a water body is largely determined by the economic capabilities of both water users and the state. In these conditions, it is necessary to approach the assessment of the state of water bodies and watersheds in the most efficient way, based on long-term and short-term target indicators of the state of a surface water body. For the analysis of the water-ecological situation in the watershed and, as an indicator, in the surface water body itself, it is proposed to use the module of transformation of pollutants within the sites and in the whole basin as an indicator of the ecological state of the watershed and the surface water body, since it represents the specific amount of pollution and self-purification that occurs both in the watershed and in the surface water body itself. On the basis of the proposed indicator of the ecological state of a watershed and a surface water body, a methodology for comparative assessment of water quality in watercourse basins (external task); watercourse sections (internal task) and water bodies is proposed. Options for improving the monitoring system within the river basin were proposed in order to predict changes in the ecological state of the Psel River due to technogenic load. Methodological support for the formation of a system of environmental monitoring of the surface waters of the basin was developed. Recommendations on the criteria for selecting the location of gauging stations and observation points for the state of watercourses are scientifically substantiated. The methodological support for monitoring the ecological state of surface waters in the conditions of emergency and unauthorized discharges of pollution has been developed. Measures related to emergency notification, organization, and monitoring of chemical parameters in case of emergency wastewater discharge have been identified. Assessment of the existing state of the Psel River according to the proposed methodology allowed: to substantiate the main stages of eutrophication of the reservoir; to identify the main pollutants that significantly affect its ecological state; to prove that the water, hydrochemical and thermal balances of the natural reservoir under the influence of thermal power plants have undergone significant changes; to develop an action plan for stabilization and restoration of the ecological well-being of the water body. The methodological support for monitoring the ecological state of surface waters in the conditions of emergency and unauthorized discharges of pollution has been developed. Measures related to emergency notification, organization and monitoring of chemical parameters in case of emergency wastewater discharge are defined.. Recommendations for the reconstruction of domestic and industrial wastewater treatment facilities in Sumy were developed. The practical significance of the dissertation is confirmed by acts of implementation in the activities of practical organizations and the educational process.