Комплексная оценка качества воды поверхностных водоисточников города Латакунга и кантона Педро Висенте Мальдонадо в Республике Эквадор

Полный текст

Введение Проблема нормирования и контроля качества водных ресурсов является важной задачей регионального, национального и международного уровней [1]. В связи с этим оценка качества воды - важный этап регулирования качества водных ресурсов. Возможность единой оценки и сравнения качества вод в разных пунктах и в разное время, а также обнаружения основных веществ загрязнителей обеспечиваются благодаря комплексным показателям качества воды. В Российской Федерации методы комплексной оценки степени загрязненности поверхностных вод были разработаны в разное время рядом ученых, таких как В.И. Гурарий, А.С. Шайн, Ю.В. Новиков, Г.И. Сидоренко и др. [2, 3]. На основании гидрохимических методов предложены различные интегральные показатели, например общесанитарный индекс качества воды (ИКВ), индекс загрязненности воды (ИЗВ), удельный комбинаторный индекс загрязненности воды (УКИЗВ) [2-4]. Наиболее широко применяемыми индексами при оценке качества воды в зарубежной практике являются индекс качества воды Национального фонда охраны здоровья (NSF-WQI), индекс качества воды (WQI) и Канадский индекс качества воды (CCME WQI) [4-6]. Одновременно с преимуществами ИКВ также имеется ряд недостатков: с одной стороны, ИКВ представлен одним числом, что понятно и легко воспринимается неспециалистами (в том числе лицами, принимающими решения, политическими деятелями и общественностью в целом). С другой стороны, данная оценка является слишком общей, поэтому не дает полной картины состава и свойств воды [2]. Она не может заменить данные детального анализа качества воды на соответствие требованиям нормативных документов. Некоторые показатели, возможно основные для определения качества воды, при расчете ИКВ могут оказаться неучтенными, так как заранее не были включены в число приоритетных для контроля. Интеграция данных в ИКВ может скрывать или агрегировать значимость кратковременных изменений качества воды [6]. Основная цель исследования - интегрированная оценка воды поверхностных водоисточников двух городов Эквадора, расположенных на разной высоте над уровнем моря. Задачи исследования включали расчет комплексных индексов качества поверхностной воды по российским и зарубежным методикам для объективной оценки гидроэкологического состояния водных экосистем в различных ландшафтных условиях формирования химического состава воды. Материалы и методы Объектом данного исследования являлась вода водохранилищ города Латакунга и кантона Педро Висенте Мальдонадо, а предметом исследования были их физико-химические, микробиологические и органолептические характеристики. При выборе показателей качества воды авторы статьи исходили из особенностей гидрологического режима водных объектов, климатических, почвенных условий водосбора, а также вида водопользования. Отбор проб воды из водохранилищ города Латакунги и кантона Педро Висенте Мальдонадо производился в месте, где вода перекачивается из водохранилищ на станцию водоподготовки ежемесячно в течение 2018 и 2019 гг. в соответствии с рекомендациями эквадорского стандарта INEN 2176. Из каждого водохранилища было отобрано по 24 пробы воды. Оценка качества проб воды из водохранилищ проводилась в соответствии со стандартом INEN 2169. Цвет, нитраты (NO3-), фториды (F-) и сульфаты (SO42-) измерялись спектрофотометрическим методом. Методы турбидиметрии, потенциометрии и гравиметрии использовались для измерения мутности, pH, общей минерализации и взвешенных твердых частиц соответственно. Атомно-абсорбционная спектрометрия применялась для измерения железа (Fe) и никеля (Ni). Растворенный кислород и биологическая потребность в кислороде определялись (БПК5) с использованием метода Винклера. Наиболее вероятное количество фекальных колиформных бактерий, присутствующих в пробах воды, определялось многотрубным методом. В городе Латакунга находятся три источника питьевой воды: два аквифера, которые обеспечивают около 77% от всего объема добываемой воды, и река Ретамалес, берущая начало в Андском парамо на высоте 3960 м над уровнем моря[14]. Парамосы образуют неотропический высокогорный экорегион, расположенный в основном вдоль горного хребта Анд в Перу, Эквадоре, Колумбии и Венесуэле. Они представляют собой зональные экосистемы, расположенные примерно на высоте от 3000 до 4500 м над уровнем моря [6]. Бассейн реки Ретамалес расположен между 78° 24' и 78° 21' западной долготы и между 0° 53' и 0° 54' южной широты. Река Ретамалес тянется с севера на юг по 8-километровому парамо Капулис-Пасо, затем впадает в реку Чалупа Пурго и образует реку Лангоа, часть верхнего бассейна реки Напо. Средний расход воды в речном микробассейне составляет 5,2 м3/с, модуль стока - 0,012м3/с км2, при 10-летнем годовом паводке 100 м3/с [7]. Основными видами деятельности человека в этом районе являются сельское хозяйство и животноводство[15]. Для кантона Педро Висенте Мальдонадо основным источником питьевой воды является река Талала. Бассейн реки Талала находится между 78° 53' и 78° 56' западной долготы и между 0° 2' и 0° 6' северной широты. Река Талала берет начало в западных предгорьях Анд и течет с востока на запад, далее впадает в реку Пачихаль, образуя реку Гуайлабамба, которая является частью бассейна реки Эсмеральдас[16]. Общая протяженность реки составляет 16 км, ширина от 10 до 30 м и глубина от 1 до 2 м, она охватывает диапазон высот от 300 до 1800 м над уровнем моря [9], что согласно схеме Холдриджа соответствует классу влажный тропический лес3. Для этого типа экосистем характерны обильные осадки и влажность в течение года, а большое разнообразие флоры и фауны является характерной особенностью экосистемы. Средний расход воды в суббассейне реки составляет 6,7 м3/с, модуль стока - 0,044 м3/с км2 [9]. Человеческая деятельность в бассейне реки Талала связана в основном с сельским хозяйством и, в меньшей степени, животноводством3. Для характеристики экологического состояния поверхностных вод в речных водохранилищах города Латакунга и кантона Педро Висенте Мальдонадо за период 2018-2019 гг. были определены общесанитарный индекс качества воды (ИКВ), разработанный российскими учеными, и индекс качества воды Национального фонда охраны здоровья (NSF-WQI), используемый в зарубежной практике. Общесанитарный индекс качества воды (ИКВ) рассчитывается по формуле (1) где Wi - вес показателя, входящего в общесанитарный ИКВ; Ii - баллы (от 1 до 5), присваиваемые каждому показателю, входящему в общесанитарный ИКВ; n - число параметров. В Эквадоре индекс, используемый для оценки качества поверхностных вод, является индексом качества воды Национального фонда охраны здоровья (NSF-WQI) [10]. Главное отличие индекса NSF-WQI от ИКВ заключается в том, что для расчета NSF-WQI учитываются 9 параметров (растворенный кислород, pH, БПК5, нитраты, температура, мутность, общая минерализация, фосфаты и фекальные колиформные) а для расчета ИКВ-10 параметров (растворенный кислород, pH, БПК5, общая минерализация, запах, цветность, взвешенные вещества, хлориды, сульфаты и коли-индекс). Кроме того, индекс NSF-WQI, по сравнению с ИКВ, рассчитывается относительно фоновых региональных содержаний загрязнителей в водных системах [10]. Индекс NSF-WQI рассчитывается с использованием метода взвешенного геометрического индекса по формуле (2) где Wi - вес или процент, присвоенный i-му параметру; Ii - индекс для i-го параметра, вычисляемый по кривой взвешивания. В работе авторы рассчитали относительные веса параметров воды каждого водохранилища, которые участвуют в расчете как индекса ИКВ, так и индекса NSF-WQI. Относительный вес (Wсi) определялся по величине, пропорциональной рекомендуемому стандартному значению (Wi) соответствующего параметра. С помощью единой шкалы классов качества воды проведено сравнение методов параметризации качества вод водохранилищах [4]. Граничные значения диапазонов величин индексов ИКВ и NSF-WQI пересмотрены и в результате выделено 5 классов (табл. 1). Таблица 1. Объединенная таблица методов параметризации качества поверхностных вод и оценок гидроэкологического состояния водных экосистем Метод параметризации Класс качества воды 1 2 3 4 5 ИКВ Величина 5 4,01-4,9 2,51-4 1,6-2,5 <1,5 Характерис-тика Очень чистая Чистая Умеренно загрязненная Загрязненная Грязная NSF-WQI Величина 90,01-100 70,01-90 50,01-70 25,01-50 0-25 Характерис-тика Отличное Хорошее Удовлетворительное Плохое Очень плохое Общая оценка гидроэкологического состояния Норма Риск Кризис Бедствие Катастрофа Table 1. Combined table of methods of parameterizing surface water quality and assessing the hydroecological status of water ecosystems Parameterization method Water quality class 1 2 3 4 5 WQI Value 5 4.01-4.9 2.51-4 1.6-2.5 <1.5 Characteristic Very clean Clean Moderately polluted Polluted Dirty NSF-WQI Value 90.01-100 70.01-90 50.01-70 25.01-50 0-25 Characteristic Excellent Good Medium Bad Very bad Total assessment of hydroecological status Normal Risk Crisis Disaster Catastrophe Результаты и обсуждение При проведении качественного и количественного анализа проб воды из водохранилищ определены физико-химические и микробиологические показатели (табл. 2). Таблица 2. Средние значения физико-химических и микробиологических параметров воды водохранилища города Латакунга и водохранилища кантона Педро Висенте Мальдонадо в 2018-2019 гг. Параметр Стандарты качества воды Водохранилище Латакунга Водохранилище Педро Висенте Мальдонадо Эквадор Россия 2018 г. 2019 г. 2018 г. 2019 г. Температура, °C - - - - 22,5 ± 0,5 21,8 ± 0,4 Цвет, Pt-Co 100 - 37,5 ± 11,1 39,0 ± 11,4 28,2 ± 3,9 23,7 ± 9,0 Мутность, NTU 100 - 3,2 ± 1,1 3,3 ± 1,1 5,1 ± 1,5 4,1 ± 1,5 pH 6-9 6,5-8,5 6,8 ± 0,2 6,9 ± 0,2 7,0 ± 0,1 7,20 ± 0,09 Общая минерализация, мг/л 1000 1000 39,8 ± 13,3 34,6 ± 9,6 - - Взвешенные вещества, мг/л - - - - 15,20 ± 6,02 11,3 ± 9,2 NO3-, мг/л 50 45 1,70 ± 1,63 0,70 ± 0,59 0,44 ± 0,01 0,17 ± 0,01 SO42-, мг/л 400 500 - - 12,1 ± 7,1 19,9 ± 5,0 F-, мг/л 1,5 1,5 - - 0,060 ± 0,007 0,060 ± 0,002 Fe2+, мг/л 0,3 0,3 - - 0,4 ± 0,1 0,20 ± 0,06 Ni2+, мг/л 0,025 0,02 0,006 ± 0,002 0,007 ± 0,003 - - Растворенный кислород, мг/л > 6 > 4 6,9 ± 2,2 6,6 ± 2,1 7,5 ± 0,8 7,4 ± 0,8 БПК5, мг/л 2 2 2,8 ± 1,8 2,9 ± 1,7 2,5 ± 0,5 2,7 ± 0,6 Фекальные колиформы, КОЕ/100 мл 600 - 66,2 ± 8,9 41,6 ± 9,1 16,3 ± 3,9 9,3 ± 3,5 Источник: Ministry of the Environment of Ecuador (MAE). TULSMA: Environmental quality and effluent discharge standard: water resources (book 6, annex 1). 2017; Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. ГН 2.1.5.1315-03; СанПиН 2.1.5.980-00. 2.1.5. Водоотведение населенных мест, санитарная охрана водных объектов. Гигиенические требования к охране поверхностных вод. Санитарные правила и нормы. Table 2. Mean values of physicochemical and microbiological parameters of reservoir water of the city of Latacunga and reservoir water of the canton Pedro Vicente Maldonado in 2018-2019 Parameter Water quality standards Latacunga reservoir Pedro Vicente Maldonado reservoir Ecuador Russia 2018 2019 2018 2019 Temperature, °C - - - - 22.5 ± 0.5 21.8 ± 0.4 Color, Pt-Co 100 - 37.5 ± 11.1 39.0 ± 11.4 28.2 ± 3.9 23.7 ± 9.0 Turbidity, NTU 100 - 3.2 ± 1.1 3.3 ± 1.1 5.1 ± 1.5 4.1 ± 1.5 pH 6-9 6.5-8.5 6.8 ± 0.2 6.9 ± 0.2 7.0 ± 0.1 7.20 ± 0.09 Total dissolved solids, mg/l 1000 1000 39.8 ± 13.3 34.6 ± 9.6 - - Suspended solids, mg/l - - - - 15.20 ± 6.02 11.3 ± 9.2 NO3-, mg/l 50 45 1.70 ± 1.63 0.70 ± 0.59 0.44 ± 0.01 0.17 ± 0.01 SO42-, mg/l 400 500 - - 12.1 ± 7.1 19.9 ± 5.0 F-, mg/l 1.5 1.5 - - 0.060 ± 0.007 0.060 ± 0.002 Fe2+, mg/l 0.3 0.3 - - 0.4 ± 0.1 0.20 ± 0.06 Ni2+, mg/l 0.025 0.02 0.006 ± 0.002 0.007 ± 0.003 - - Dissolved oxygen, mg/l > 6 > 4 6.9 ± 2.2 6.6 ± 2.1 7.5 ± 0.8 7.4 ± 0.8 BOD5, mg/l 2 2 2.8 ± 1.8 2.9 ± 1.7 2.5 ± 0.5 2.7 ± 0.6 Fecal coliforms, CFU/100 ml 600 - 66.2 ± 8.9 41.6 ± 9.1 16.3 ± 3.9 9.3 ± 3.5 Source: Ministry of the Environment of Ecuador (MAE). TULSMA: Environmental quality and effluent discharge standard: water resources (book 6, annex 1). 2017. (In Spanish). GN 2.1.5.1315-03. Hygienic standards for maximum permissible concentrations (MPC) of chemical substances in the water of water bodies of household, drinking, cultural and domestic water use. SanPiN 2.1.5.980-00. Water diposal at inhabitted points. Sanitary protection of water bodies. Hygienic requirements to surface waters protection (In Russ.) При анализе полученных данных по водохранилищу г. Латакунга выявлены превышения БПК5, по водохранилищу кантона Педро Висенте Мальдонадо - БПК5 и железа по сравнению с установленными нормативами Эквадора и России (см. табл. 2). Концентрация биохимического потребления кислорода (БПК5) воды из водохранилища г. Латакунга в 2018 г. - 2,8 мг/л и в 2019 г. - 2,9 мг/л превышает в 1,4 и 1,45 раза соответственно предельно допустимую концентрацию, которая установлена в стандартах Эквадора и России (2 мг/л). Повышенное значение БПК5 связано с наличием биоразлагаемых органических веществ в водохранилище, поступающих в большом количестве из экосистемы парамо. Экосистемы парамо содержат большое количество накопленного углерода под воздействием низких температур, которые снижают скорость разложения органического вещества, этот процесс идет медленно, и, несмотря на то, что запасы мертвого покрова и надземной биомассы очень низкие, органическое вещество накапливается в почве и может достигать 39 700 т С/км2 на глубине от 0 до 40 см [12]. Среднее количество осадков в парамо Капулис Пасо колеблется от 600 до 1000 мм [7], поэтому согласно [13] данный парамо считается сухим. В парамосе, в условиях низкой влажности, количество горизонтальных осадков увеличивается [14]. Горизонтальные осадки (скрытые осадки или осажденный туман) - явление, характерное для горных районов. При возникновении данного явления полог растительности соприкасается с облачным покровом. Мелкие облачные капли не оседают на горизонтальных поверхностях, а задерживаются и накапливаются на покровах растительности, превращаясь в капли большего размера, затем осаждаются или стекают с поверхности растений, увлекая часть органического материала в водоемы [15]. Полученные в работе данные согласуются с исследованием водохранилища, расположенного в парамо Колумбии [16], в котором значение БПК5 превышало нормативную величину в 6 раз. Кроме того, в исследовании приведены значения pH (7), растворенного кислорода (7 мг/л) и растворенных твердых веществ (38,2 мг/л), аналогичные значениям, полученным авторами статьи для Эквадора. В водохранилище кантона Педро Висенте Мальдонадо в 2018 г. определено следующее: среднегодовая концентрация железа (0,4 мг/л) в 1,3 раза превысила предельное значение, установленное эквадорской и российской нормами (0,3 мг/л). Концентрация БПК5 в 2018 г. - 2,5 мг/л и в 2019 г. - 2,7 мг/л превышает в 1,25 и 1,35 раза соответственно предельно допустимую концентрацию, установленную эквадорским и российским стандартами (2 мг/л)[17]. Авторы [17] предположили, что высокие концентрации железа в водоемах, расположенных в парамо, могут быть связаны с расширением сельскохозяйственных угодий или чрезмерным использованием удобрений, содержащих железо. Также они могут указывать на естественные источники, связанные с составом почвы. В исследовании, проведенном в Мексике, исследователи обнаружили высокие концентрации таких металлов, как Fe и Pb, и объяснили это расположением реки вблизи вулканической зоны [17]. В Эквадоре в 2020 г. высокие значения Fe были зарегистрированы в реках провинции Пичинча, расположенных недалеко от вулканов [18]. Поскольку бассейн реки Талала находится в зоне вулканического влияния, это может быть правдоподобным объяснением превышающих нормативные требования значений содержания железа. Климатические условия бассейна реки Талала способствуют развитию пышной вечнозеленой растительности со сложным ярусным строением леса. Во влажных тропических лесах опавшая листва представляет собой источник с наибольшим количеством питательных и органических веществ, которые поступают обратно в почву, составляя от 25 до 60 % чистой первичной продуктивности [19]. Высокая скорость течения воды в водоеме в результате большего количества осадков приводит к снижению времени удерживания, что способствует созданию условий, ограничивающих разложение органического вещества, что, в свою очередь, влияет на показатель БПК5 (рис. 1). Отметим, что водохранилища в Эквадоре, расположенные в географических зонах, аналогичных исследуемому водохранилищу, такие как водохранилище Фатима (2,5 мг/л) и водохранилище Америка (3 мг/л), имеют схожие концентрации БПК5 [20]. В зависимости от сезонных колебаний меняется концентрация органического углерода. Характер колебаний зависит от гидрологического режима водных объектов, изменений интенсивности биологических процессов и разного химического состава, зависимого от сезона. Содержание органического углерода в придонных слоях и поверхностной плёнке может сильно расходиться с его содержанием в остальной массе воды. Рис. 1. Факторы влияющие на разложение органического вещества в экотоне бассейна реки Талала Figure 1. Factors influencing organic matter decomposition in ecotone of Talala river basin Поскольку биоразнообразие сосудистых растений в тропиках велико, различные характеристики листьев (твердость, содержание фенолов и другие аспекты химического состава листьев) вносят свой вклад в большую изменчивость скорости разложения: быстро разлагающиеся листья сохраняются только в течение нескольких дней, в то время как видам с высокой устойчивостью требуется больше года для разложения [21]. Вместе с тем в реках парамо ежегодное накопление органических веществ относительно низкое по сравнению с тропическими реками. В высокогорных тропических ручьях круглый год очень низкая температура воды, поэтому скорость разложения органического вещества низкая. Более того, исследователи выявили, что деструкторы в высокогорных тропических ручьях встречаются редко [22] (рис. 2). Таким образом, в обеих экосистемах создаются необходимые условия для накопления органических веществ, что затрудняет их разложение (рис. 1, 2). Однако близкие концентрации значений БПК5, полученные для обеих экосистем, не являются взаимосвязанной закономерностью. В табл. 3 представлено гидроэкологическое состояние исследованных водоемов по значениям индексов ИКВ и NSF-WQI. Согласно методу ИКВ, гидроэкологическое состояние водохранилища города Латакунга в 2018 г. - 3,97 и 2019 г. - 3,97 оценивается как «Кризис» (см. табл. 1). По методу NSF-WQI как в 2018 г. (75,7), так и в 2019 г. (75,97) состояние оценивается как «Риск» (см. табл. 1). Но так как значения самих индексов находятся на границе классов, подобные отклонения не представляются существенными. Рис. 2. Факторы, влияющие на разложение органического вещества в экотоне бассейна реки Ретамалес Figure 2. Factors influencing organic matter decomposition in ecotone of Retamales river basin Таблица 3. Гидроэкологическое состояние водохралища города Латакунга и водохранилища кантона Педро Висенте Мальдонадо, оцененное методами ИКВ и NSF WQI в 2018-2019 гг. Метод параметризации Водохранилище Латакунга Водохранилище Педро Висенте Мальдонадо 2018 г. 2019 г. 2018 г. 2019 г. ИКВ Гидроэкологическое состояние 3,97 Кризис 3,97 Кризис 75,70 Риск 75,97 Риск NSF-WQI Гидроэкологическое состояние 4,08 Риск 4,30 Риск 79,51 Риск 82,80 Риск Table 3. Hydroecological status of Latacunga city reservoir and Pedro Vicente Maldonado canton reservoir assessed by the WQI and NSF-WQI methods in 2018-2019 Parameterization method Latacunga reservoir Pedro Vicente Maldonado reservoir 2018 2019 2018 2019 WQI Hydroecological status 3.97 Crisis 3.97 Crisis 75.70 Risk 75.97 Risk NSF-WQI Hydroecological status 4.08 Risk 4.30 Risk 79.51 Risk 82.80 Risk По значению индекса ИКВ (см. табл. 3) гидроэкологическое состояние водохранилища кантона Педро Висенте Мальдонадо как в 2018 г. (4,08), так и в 2019 г. (4,30) оценивается как «Риск» (см. табл. 1). Таким же образом, согласно значению индекса NSF-WQI (см. табл. 3), в 2018 г. - 79,51 и в 2019 г. - 82,80 состояние оценивается как «Риск» (см. табл. 1). Национальный фонд охраны здоровья (NSF) предлагает использовать уравнения мультипликативного типа, поскольку они являются более чувствительными, чем уравнения аддитивного типа, или взвешенной суммы к экстремальным значениям в индексах Ii, которые, как правило, связаны со значительными колебаниями качества воды. Тем не менее в водах исследованных водохранилищах обнаруживается большая однородность в оценке качества воды и, соответственно, экологического состояния водного объекта при использовании того или иного метода параметризации. Заключение Метод ИКВ, применяемый в России, и метод индекса NSF-WQI, используемый в Эквадоре, отражают аналогичные результаты по гидроэкологическому состоянию каждого из исследуемых водохранилищ. Исходя из изученных комплексных индексов гидроэкологическое состояние водохранилища города Латакунга характеризуется в диапазоне категорий от «Кризис» до «Риск». В то же время гидроэкологическая ситуация водохранилища кантона Педро Висенте Мальдонадо оценивается как «Риск». Результаты данного исследования могут служить основой при внедрении технологий очистки воды, соответствующих конкретным характеристикам воды из исследованных поверхностных водоисточников.

Об авторах

Кристиан Александер Саласар Флорес

Российский университет дружбы народов

Email: cristian_salazarf@hotmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6927-7863

аспирант, институт экологии

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Анна Игоревна Курбатова

Российский университет дружбы народов

Email: kurbatova-ai@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0002-7763-5034

кандидат биологических наук, доцент департамента экологической безопасности и менеджмента качества продукции, институт экологии

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Ксения Юрьевна Михайличенко

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: mikhaylichenko-kyu@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0001-8051-8528

кандидат биологических наук, доцент департамента экологии человека и биоэлементологии, институт экологии

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Светлана Игоревна Баранникова

Российский университет дружбы народов

Email: 1032193179@rudn.ru
студент, институт экологии Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Список литературы