Апробация методики экологической оценки водных объектов на примере Москвы-реки

УДК 502/504 : 556.535.8

В. В. ШАБАНОВ, В. В. МАРКИН

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»

АПРОБАЦИЯ МЕТОДИКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ПРИМЕРЕ МОСКВЫ-РЕКИ

Рассматрено применение метода оценки качества воды и экологического состояния водных объектов для условий реки Москвы. Метод, основанный на соответствии биотических и абиотических факторов водной среды, позволяет связать гидробиологические, гидрохимические и гидрологические характеристики водной экосистемы. Благодаря его применению можно планировать водоохранные мероприятия даже в условиях ограниченной информации.

Метод оценки качества воды, биотические и абиотические факторы водной среды, экосистема, водоохранные мероприятия, гидробиологические и гидрологические характеристики водной экосистемы.

The method of assessment of water quality and ecological state of water objects for the Moskva-river conditions is considered. The method based on the correspondence of biotic and abiotic factors of the water medium allows to connect hydrobiological, hydrochemical and hydraulic characteristics of the water ecosystem. Due to its usage it is possible to plan water protection measures even under conditions of the limited information.

Method of water quality assessment, ecosystem, water protection measures, of the water system.

Методы оценки экологического состояния водных объектов, используемые в практике, основаны на определении биологических и абиотических показателей. Одни характеризуют состояние биоты, а другие позволяют судить о состоянии среды их обитания.

Биологические показатели отражают общие закономерности, происходящие в водном объекте. Однако они не дают информации о конкретном состоянии среды, кроме того, они сложны для использования в инженерной практике. Распространение нашли методы, основанные на определении следующих показателей:

индекс сапробности S, который рассчитывается исходя из частоты встреч и значимости видов сапробионтов, представленных в различных водных сообществах (фитопланктоне, перифитоне);

индекс Шеннона Н, который учитывает видовое разнообразие организмов.

Методы определения абиотических показателей на количественном

biotic and abiotic factors of water medium, hydrobiological and hydraulic characteristics

уровне позволяют дать оценку среды обитания водных организмов. В этом случае среда обитания водных организмов характеризуется по физико-химическим и гидрологическим характеристикам.

Оценка физико-химических свойств воды проводится с помощью комплексных показателей [1]. В настоящее время широко используется индекс загрязнения воды (ИЗВ), позволяющий учитывать влияние разнородных показателей на качество воды и на ее пригодность для различных водохозяйственных целей.

Для того чтобы дать объективную экологическую характеристику водного объекта, биологические и физико-химические методы применяют совместно В ряде случаев это сложно, трудоемко и достаточно дорого, в частности при проведении прогнозных расчетов, когда требуется рассмотреть разные варианты водохозяйственной и природоохранной деятельности. В этих

24

№ 3' 2009

ПРИРОДООБУСТРОЙСТВО

условиях для оценки качества воды и экологического состояния водных объектов интерес представляют следующие параметры:

сокращение количества параметров, необходимых для анализа и прогноза;

возможность использования хорошо известных и применяемых в инженерной практике гидрохимических показателей;

упрощение расчетов без потери значимости и точности получаемых результатов.

Решаемые задачи: оценка экологического состояния экосистемы;

прогноз изменения состояния экосистемы при оценке планируемой на перспективу водохозяйственной деятельности и определении допустимых воздействий;

оценка и прогноз изменения качества воды с учетом планируемой на перспективу водохозяйственной деятельности;

определение эффективности водоохранных мероприятий, позволяющих добиться заданного уровня качества вод.

Решение данных задач возможно на основе использования связи между показателями состояния водной биоты и показателями среды их обитания.

Метод оценки экологического состояния водных объектов, рассмотренный в работах [2, 3], до некоторой степени учитывает достоинства биологических и физико-химических методов, кроме того, позволяет связать их между собой с помощью объема стока, который характеризует гидрологические условия обитания водных организмов. Значимость учета объема стока неоспорима, так как он определяет жизненное пространство водной биоты. Обоснование предлагаемого метода строится на следующем.

Водная экологическая система формируется и развивается на основе тесной взаимосвязи и взаимозависимости организмов и среды их обитания. Биота оценивается по показателям состояния. Среда обитания отдельных особей, популяций, сообществ — вода.

Она характеризуется гидрологическим режимом, гидрофизическими свойствами, гидрохимическим состоянием и т. д. Все показатели прямо или косвенно связаны между собой — с их помощью оценивают состояние одного и того же водного объекта. Связи между отдельными гидрохимическими и гидробиологическими показателями известны и очевидны, поэтому оценка состояния экосистемы разными показателями должна давать одни и те же результаты [4-6]. Связи между параметрами состояния экосистемы или отдельными ее компонентами не всегда можно выявить из-за влияния на них многих других факторов, поэтому в первую очередь выявляют те, для которых связи достаточно постоянны в пространственно-временном отношении и достоверны.

Одним из интегральных биологических показателей состояния водной системы является индекс сапробности Б, по которому оценивают степень насыщенности воды легкоразлагающимися органическими веществами. Он устанавливается по видовому составу организмов-сапробионтов в водных сообществах. Содержание органических веществ в воде оценивают по величине биологического потребеления кислорода (БПК). Очевидно, что связь между данными показателями, например БПК5 и индексом сапробности Б, должна быть. Выражается она пропорциональной зависимостью [7]. Это позволяет по концентрациям БПК5 не только проследить изменение уровня сапроб-ности, но и выйти на связь индекса Б с объемами стока воды в реке в 1-й год Wi. Для этого концентрация органических веществ, которая оценивается показателем биологического потребления кислорода (БПК), выражается через отношение объема органических веществ, поступающего в реку СБПК в 1-й год, к объему стока воды в реке:

БПК = ^БПК №

Рассмотрим применение этого метода для оценки качества воды и

экологического состояния реки Москвы по результатам оценки за 20062007 гг.

Загрязненность воды в реке Москве отдельными веществами изменяется от двух до пятидесяти предельно допустимых концентраций, что соответствует классам качества от «умеренно загрязненной» на входе в город до «загрязненной» в черте города и на выходе из него (табл. 1).

В зависимости от обеспеченности стока реки (при условии, что объем заг-

Таблица 1

Загрязненность воды реки Москвы, доля от предельно допустимой концентрации [7]

Уровень загрязнения

Вещество Выше В черте Ниже

города города города

бпк5 2,7 1,3 1,4

Взвешенные

вещества 0,9 2,0 1,3

Азот аммонийный 1,04 2,2 7,0

Фосфаты 2,7 — 2,2

Железо 5,0 6,5 9,6

Медь 27,0 32,0 50,0

Нефтепродукты 5,8 6,8 1,8

Индекс

загрязнения воды 1,7 3,7 3,0

рязняющих веществ, поступающий в реку или формирующийся в ней, постоянный) индекс загрязнения воды изменяется в диапазоне классов качества от «умеренно загрязненной» до «чрезвычайно грязной» (рис. 1). Улучшение качества воды в реке до уровня «умеренно загрязненная» возможно при проведении водоохранных мероприятий с эффективностью 80 %, хотя даже в этом случае в очень маловодные годы вода будет соответствовать классу «грязная» с вероятностью 12 % .

Результаты модельного расчета кривой обеспеченности индекса сапроб-ности Б получены для условий реки Москвы в черте Москвы (рис. 2).

Данные графики иллюстрируют возможности метода оценки качества воды и экологического состояния водного объекта на основе использования связи гидрохимических и гидробиологических показателей и дают следующую информацию:

с вероятностью 48 % в реке Москве складываются условия, соответствующие а-мезотрофному уровню в многоводные и средние по водности годы; с вероятностью 28 % условия со-

Э = (I %

Э = 80 %

10

20

30

40

70

80

90

50 60

Обеспеченность, %

Рис. 1. Оценка качества воды в реке Москве (в черте города) по индексу загрязнения воды с учетом водоохранных мероприятий разной эффективности Э, %, для лет разной обеспеченности по стоку: очень грязная; | | грязная; | | загрязненная; | | умеренно загрязненная; | | чистая

(26

№ 3' 2009

ПРИРОДООБУСТРОИСТВО

Рис. 2. Кривая интегральной вероятности индекса сапробности Я: | | полисапробный; | | Р-мезосапробный; | | а-мезосапробный

ответствуют Р-мезосапробной стадии в средние и маловодные годы, диапазон обеспеченности — от 48 до 76 % ;

в условиях, отвечающих полисап-робной стадии, речная система находится с вероятностью 24 % , что соответству-

Показатели состояния водной

ет обеспеченности стока более 76 %.

Используя таблицу связи гидрохимических и гидробиологических характеристик, можно судить о трофическом статусе водного объекта и классе качества воды (табл. 2). Так, в рассмотренном примере для

Таблица 2 экосистемы и качества воды

Оценочный показатель Качество воды

Очень чистая Чистая Умеренно загрязненная Загрязненная Грязная Очень грязная

БПК5, мг02/л 0,5...1,0 1,1...1,9 2,0...2,9 3,0...3,9 4,0... 10,0 >10

ИЗВ <0,2 0,2...1,0 1...2 2...4 4...6 >6

Индекс сапробности <0,5 0,5...1,5 1,5...2,5 2,5...3,5 3,5...4,0 >4

Фосфаты, мгР/л 0,005...0,015 0,015...0,05 0,05...0,2 0,2...0,3 0,3...0,6

Нитраты, мг1Ч/л 0,05...0,2 0,2...1,0 1,0...2,0 2,0...2,5 2,5...4,0

Индекс Шеннона Н 3,06...2,30 2,30... 1,89 1,89....1,52 1,52... 1,25 1,25...1,11

Индекс Вудивиса 10 9...7 6...5 4 3...2 1...0

Трофность Олиготрофная Мезотрофная Эвтрофная Гипер-эвтрофная

Сапробность Ксеносан-робная Олигосан-робная а-мезосапробная ß-мезосапробная Поли-сапробная

Обратимость процессов Изменения обратимы Пороговая Изменения необратимы

среднемноголетних условий класс качества воды соответствует уровню «загрязненная — грязная», стадия протекания природных процессов — «пороговая». Трофический статус водного объекта, который характеризует степень развития пищевых цепей, оценивается как «эвтрофный».

Проведение водоохранных мероприятий с эффективностью 80 % позволяет создать условия а-мезосапроб-ного уровня практически для всех значений обеспеченности. Эффективность 40 % в средние по водности годы позволяет выйти на данный уровень. В маловодные годы сохраняются условия полисапробного состояния.

Выводы Предлагаемый метод оценки качества воды и экологического состояния водных объектов, основан на взаимозависимости биологических, физико-химических и гидрологических характеристик водного объекта и позволяет, используя ограниченную информацию, дать эколого-водохозяй-ственную оценку состояния водного объекта и прогнозировать ее изменение в результате проведения водоохранных мероприятий.

Список литературы

1. Методические рекомендации по формализованной комплексной оценке качества поверхностных и морских вод по гидрохимическим показателям. — М: Госкомгидромет СССР, 1988. — 8 с.

2. Шабанов, В. В. Метод оценки качества вод и состояния водных экосистем в схемах [Текст] / В. В. Шабанов,

В. Н. Маркин. — М., 2007. — Деп. в ВИНИТИ 06.11.07, № 10211-52174 / 37а—39.

3. Шабанов, В. В. Оценка качества вод и состояния водных объектов [Текст] /

B. В. Шабанов, В. Н. Маркин // Производственно-технический и научно-практический журнал. Водоочистка. Во-доподготовка. Водоснабжение. — 2008. — № 10. — С. 22-37.

4. Алимов, А. Ф. Территориальность у водных животных и их размеры [Текст] /

A. Ф. Алимов // Известия АН. Сер. Биологическая. — 2003. — № 1. —

C. 93-100.

5. Булгаков, Н. Г. Метод поиска со-пряженностей между гидробиологическими показателями и абиотическими факторами среды [Текст] / Н. Г. Булгаков,

B. Г. Дубинина, А. П. Левич, А. Т. Тере-хин // Успехи современной биологии. — 2001. — № 2. — Т. 121. — С. 218-225.

6. Экологический мониторинг [Текст] ; учебное пособие ; под ред. проф. Д. Б. Гелашвили. — Ч. 5. — Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского ун-та, 2003. — С. 388-440.

7. Загрязненность воды реки Москвы (в долях от предельно допустимых концентраций) [Электронный ресурс] / Код доступа: lib.uni-dubna.ru/search/files/ gdoclad98/Part 1-2.htm. Библиотечный комплекс /http: //www .mosecom .ru /

Материал поступил в редакцию 21.01.09. Шабанов Виталий Владимирович, доктор технических наук, профессор кафедры «Мелиорация и рекультивация земель» Тел. 8 (495) 976-42-48

Маркин Вячеслав Николаевич, кандидат технических наук, профессор кафедры «Комплексное использование водных ресурсов» Тел. 8 (495) 976-21-56

28

№ 3' 2009