В условиях повышенной антропогенной нагрузки на водоисточники, постоянного ужесточения нормативов качества питьевой воды очистные сооружения водопровода должны служить надёжным барьером, предотвращающим поступление загрязняющих веществ с водой потребителям. Поэтому на этапе обоснования и подбора методов очистки воды и технологии водоподготовки одним из немаловажных этапов является проведение объективного анализа информации об изменчивости качества воды источника хозяйственно-питьевого водоснабжения непосредственно в районе забора воды за период не менее пяти лет и оценка факторов его влияния на процесс очистки воды [1–3].
В качестве наглядного примера рассмотрено составление информационной модели для источников питьевого водоснабжения города Вологды.
Система водоснабжения Вологды базируется на воде трёх поверхностных водоисточников — река Вологда, озеро Кубенское и река Тошня. Их использование зависит от ряда таких факторов, как потребность в воде, водность, засушливость, качественный состав воды и т.д.
Для составления информационной модели исследовались условия формирования гидрохимических показателей водоисточников. В качестве исходной информации о гидрохимическом режиме водоисточников города Вологды использовались данные производственного контроля качества природной воды водопроводных очистных сооружений города Вологды (МУП ЖКХ «Вологдагорводоканал») — реки Вологды и озера Кубенское за период 1990–2000 и 2008–2017 годов.
Продолжительность каждого ряда исследуемых рядов наблюдений составляет десять лет, базы данных временных рядов показателей составляют за период 2008– 2017 годов по реке Вологде — 46 676 записей, озеро Кубенское — 312 записей, за период 1990–2000 годов — 31 120 записей в базе данных MS Access.
Характеристика граничных (размаха) и средних значений показателей качества воды реки Вологды, озера Кубенское и реки Вологды плюс озера Кубенское за период 2008–2017 годов представлена в табл. 1.
При изучении сформированных статистических рядов наблюдений за гидрохимическим режимом стока водоисточников реки Вологды и озера Кубенское проводилась дифференциация имеющихся данных по показателям загрязнений и их визуализация.
Сравнительная характеристика статистических рядов наблюдений за показателями качества воды реки Вологды и озера Кубенское представлена в табл. 2 для двух периодов наблюдений: 1990–2000 и 2008– 2017 годы.
Формирование гидрохимических характеристик поверхностного источника водоснабжения представляет собой совокупность случайных процессов, связанных с геоморфологическими характеристиками, климатическими условиями и характером антропогенной деятельности на водосборе. Все ингредиенты, присутствующие в воде водоисточника, можно разбить на две категории: природные и антропогенные. Концентрации природных ингредиентов в воде формируют природные условия водосбора и изменчивость его гидрологического режима [4].
Антропогенные ингредиенты, такие как фенолы, синтетические поверхностноактивные вещества (СПАВ), нефтепродукты и др. формируются под влиянием нескольких факторов: хозяйственная деятельность на территории водосбора, чрезвычайные ситуации техногенного характера. На водосборах водоисточников города Вологды — реке Вологда и озере Кубенское — ведётся активная хозяйственная деятельность, поэтому в составе воды данных водных объектов присутствуют как природные, так и антропогенные ингредиенты.
Сопоставление данных табл. 2 по показателям, формирование которых определяется природными факторами: цветности, мутности, окисляемости, показывает наличие схожих закономерностей увеличения размаха вариаций (разности между наибольшим и наименьшим значением показателей), так и средних значений. Одновременно наблюдается снижение аналогичных значений показателей антропогенных загрязнений, таких как аммоний солевой, фенолы, СПАВ, БПКп в изменчивости рассматриваемых рядов.
Наибольшей репрезентативностью среди данных наблюдений за качеством воды имеют данные по реке Вологда по показателям цветность, мутность, перманганатная окисляемость. Сравнение изменчивости по этим показателям позволяет увидеть схожие закономерности в динамике показателей этих рядов.
При визуализации рядов исследуемых показателей цветности, мутности и перманганатной окисляемости выявляется наличие закономерности (цикличности) изменений в характере изменчивости ингредиентов природного происхождения, связанной с сезонными изменениями гидрологического режима.
Результаты статистического анализа рядов наблюдений представлены в табл. 3.
По величине коэффициента вариации и его изменению в период с 2008–2017 годы в сравнении с периодом 1990–2000 годы можно судить о повышении степени вариации и неоднородности совокупности по различным показателям.
Проблема образования токсических веществ связана не только с загрязнением источника водоснабжения органическими и минеральными примесями, но и с трансформацией химических веществ непосредственно в процессе её очистки. Включение в процесс подготовки воды, содержащей органические вещества, такого важного этапа, как обеззараживание с использованием хлора приводит к образованию различных летучих хлорорганических соединений.
Наиболее опасными веществами, образующимися в питьевой воде при хлорировании, являются тригалогенметаны и четырёххлористый углерод, которые, помимо гепато-, нефрои нейротоксического эффектов, обладают канцерогенным, эмбриотоксическим и тератогенным действием [5–7].
Для выявления факторов влияния внешней среды (качества воды реки Вологды и озера Кубенское) на динамику формирования тригалогенметанов в процессе очистки природной воды на водопроводных очистных сооружениях города Вологды и выявления закономерностей проведён корреляционный анализ рядов наблюдений за показателями исходной воды и содержанием хлороформа в воде на насосной станции второго подъёма. Временные ряды, пригодные для такого анализа, сформированы на основе систематических данных по показателям загрязнения за период 2012–2017 годов.
Репрезентативность и достаточность для достоверного анализа ряда наблюдений пятилетней продолжительности была доказана исследованиями по реке Вологде, представленными в [1]. Анализ показал, что наиболее тесная корреляция содержания хлороформа имеет место с показателями рН, цветность, мутность, перманганатная окисляемость и содержание аммония солевого. Визуализация некоторых из этих зависимостей приведена на рис. 1. Анализ данных рисунков показывает, что определяющими факторами влияния на формирование содержания хлороформа в воде на насосной станции второго подъёма являются перманганатная окисляемость (R2 = 0,43) и технологический параметр — доза хлора (R2 = 0,65). Кроме того немаловажную роль играет и цветность речной воды (R2 = 0,24).
Для выявления технологических коридоров по формированию концентраций хлороформа в обрабатываемой на водопроводных очистных сооружениях города Вологды воде по показателям перманганатная окисляемость и цветность исходной воды реки Вологды, а также мутности проведены исследования повторяемости их в интервалах варьирования. Анализ имеющихся данных показывает, что в границах размаха вариаций показателей цветности и перманганатной окисляемости имеют место два периода со своими максимальными значениями, имеющими наибольшую повторяемость. Эти два периода соответствуют двум характерным фазам в водном режиме водоисточника: первый период соответствует фазам летне-осенних паводков, второй — фазе весеннего половодья.
В питании водных объектов в одни сезоны преобладают грунтовые (летняя, зимняя межень), в другие сезоны (весеннее половодье) — поверхностные воды с водосбора. Наличие существенной доли поверхностных вод с территории водосбора, и их доминирующая роль в водном режиме и определяет динамику цветности и перманганатной окисляемости.
Повышение этих показателей в период интенсификации поверхностного стока определяют почвы и подстилающие грунты, покрывающие водосборы реки Вологды и озера Кубенское — это болотные и подзолистые почвы разной степени оглеения, сформировавшиеся на ледниковых отложениях, по механическому составу — глины, суглинки, супеси. При прохождении через почвогрунты атмосферных осадков по пути к речным руслам и озёрным ваннам формируются цветные гидрокарбонатно-кальциевые воды малой и средней минерализации.
В водном режиме реки Вологды наблюдается чёткая выраженность фаз весеннего половодья и летне-осенних паводков: весеннее половодье (начало приходится примерно на середину апреля, раннее — конец марта, позднее — конец апреля); летняя межень, прерываемая кратковременными дождевыми паводками; зимняя межень с плавным понижением уровня до минимума к концу зимы.
Заключение
1. Разработана информационная модель факторов влияния качества воды реки Вологда и озера Кубенское на динамику формирования тригалогенметанов, которая позволяет обоснованно принимать решения по усовершенствованию технологии водоподготовки на действующих очистных сооружениях водопровода (применение преи постаммонизации, изменение режима хлорирования воды, замена хлора на альтернативные окислители и т.д.). Установлено, что определяющими факторами влияния на формирование содержания хлороформа в воде на насосной станции второго подъёма являются перманганатная окисляемость цветность исходной воды и доза хлора.
2. Проведённый развёрнутый статистический анализ информации о качестве исходной воды водоисточников города Вологды показал, что в изменчивости факторов влияния загрязнений исходной воды имеют место два технологических коридора, в которых существуют максимальные риски образования хлорорганических соединений (тригалогенметанов и др.). Иными словами, период летне-осенних паводков и весеннего половодья в водном режиме реки Вологды и озера Кубенское.
