Способ оценки экологического состояния водных объектов
METHOD OF ASSESSING THE ECOLOGICAL STATE OF WATER BODIES

Предлагаемое изобретение относится к области экологии и может быть использовано для мониторинга экологического состояния водных объектов.
Оценка экологического состояния водного объекта необходима для управления и рационального использования водных ресурсов, принятия своевременных решений по предотвращению негативных последствий хозяйственной деятельности, сохранению и восстановлению водных экосистем. Знание нормального для данных физико-химических условий водной среды состояния водных экосистем позволяет оценить эффективность проводимых мероприятий по оздоровлению водных объектов.
2
Известен способ определения экологического состояния пресноводных водоемов по критерию трофности (патент РФ №2050128 МПК А01К 61/00, G01N 33/18), заключающийся в том, что в водоеме устанавливают датчики кислорода и рН, регистрируют активную реакцию среды рН, содержание кислорода (O), в качестве критерия трофности рассчитывают показатель трофности (ПТ) и определяют экологическое состояние водоема по значению критерия. При значении показателя менее 5,7 водоем считают дистрофным, при значении показателя больше 5,7, но меньше 7,0 ультраолиготрофным, при значении 7,0 олиготрофным, от значения более 7,0 но меньше 8,3 - мезотрофным, а при значении показателя, большем либо равном 8,3 - эвтрофным.
Недостаток известного способа заключается в том, что предложен способ определения только трофического статуса пресноводных водоемов, который является лишь одним из аспектов экологического состояния водных экосистем. Кроме этого, один из используемых для определения трофического статуса показателей - активная реакция среды, рН, в значительной мере зависит от химического состава воды, в частности, от состояния карбонатной системы, а также от температуры. Выделяемый в процессе фотосинтеза углекислый газ может связываться катионами кальция, магния и другими и, таким образом, не повлияет на изменение активной реакции среды, т.е. проявление биологических процессов будет нивелировано химическими взаимодействиями.
Известен способ определения экологического состояния водных экосистем по показателям первичной продукции и деструкции органического вещества. Указанные показатели определяют путем экспозиции проб воды, отобранных в водном объекте, в герметичных прозрачных и темных склянках (Винберг Г.Г. Первичная продукция водоемов. Минск, 1960, с. 56-70).
Значения первичной продукции и деструкции органического вещества обычно определяют в пробах воды, взятых из различных участков водоема и разных глубин, после чего путем графического интегрирования получают средние значения этих показателей для каждого слоя воды и для водоема в целом. На основе полученных данных определяют экологическое состояние водоемов по биотическому балансу, т.е. отношению первичной продукции к деструкции органического вещества. За норму принимают значения отношения валовой первичной продукции к деструкции близкие к 1. Отклонения от этого значения в ту или иную сторону трактуют как характеристику состояния водной экосистемы. Одна из известных шкал состояния на основе биотического баланса, названного авторами индекс самоочищения, дана в работе (Жукинский В.Н. и др. Критерии комплексной оценки качества поверхностных пресных вод. Самоочищение и биоиндикация загрязненных вод. М., Наука, 1980. С. 57-63). Шкала содержит девять классов состояния водоемов от предельно чистого до предельно грязного при значениях биотического баланса от 2 и более до 0,25 и менее.
Один из недостатков этого способа заключается в том, что в склянках воспроизводятся процессы продуцирования и деструкции только планктонного сообщества, а не всей экосистемы - перифитона, макрофитов, донных отложений. Еще один недостаток этого способа - ограниченный объем склянок может со временем влиять на интенсивность исследуемых процессов. Таким образом, этот метод определения экологического состояния водоемов не отражает всей совокупности естественных биологических и биохимических процессов в водоеме и их взаимодействия, не обеспечивая объективную и достоверную оценку экологического состояния. Кроме того способ требует значительных затрат труда и времени как в полевых условиях, так и в лаборатории.
Описанные способы оценки экологического состояния страдают общим недостатком, заключающемся в том, что интерпретация эмпирических гидробиологических данных не опирается на теоретические основы термодинамических преобразований солнечной энергии, которыми, по сути, являются продукционно-деструкционные процессы. В связи с этим градация оценок носит умозрительный интуитивный характер, а пределы шкал теоретически не обоснованы.
Известен способ оценки состояния водных экосистем на основе термодинамического параметра состояния - эксергии ( S.E. and Fath, В., Application of thermodynamic principles in ecology, Ecological Complexity 1 (2004), 267-280. А.В. Мокрый, E.А. Зилов, Использование структурной эксергии в качестве интегрального показателя состояния экосистемы, Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Т. 8, №1, 2006, с. 93-98). Эксергия - это мера полезной работы, которую живая система может выполнить до достижения ею состояния равновесия с окружающей средой. Иными словами она указывает количество работы, затраченной на создание данной системы из первичных компонентов, которыми в случае экосистемы является так называемый «первичный неорганический бульон», и информации, использованной при этом. Преимущество этого показателя в том, что он представляет собой физическую величину и теоретически хорошо обоснован.
Для расчета эксергии используется формул
i
i
Ex=Σβc,
i
i0
i
i0
Где β=RTlnc/c - весовой фактор, учитывающий как много аминокислот в значащей последовательности необходимо для создания организма, т.е. как много информации содержит организм, R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура, c - концентрация в экосистеме компонента i, c - концентрация компонента i в условиях термодинамического равновесия с окружающей средой, i=0 для неорганических соединений, i=1 для детрита, i≥2 для организмов.
Усредненные приблизительные значения коэффициента β рассчитаны для многих систематических групп организмов и опубликованы (Jorgensen S.Е. Review and comparison of goalfunctions in systemecology // Vie Milieu. 1994. Vol. 44; Jorgensen S.E. Exergy and ecological systems analysis // Complex Ecology: the Part-Whole Relation in Ecosystem. 1995; Jorgensen S.E. Integration of Ecosystem Theories: a Pattern. 2nd ed. Doedrecht; Boston; London: Kluwer Academic Publishers, 1997; Jorgensen S.E., Bendoricchio G. Fundamentals of Ecological Modelling. 3ded. Amsterdam: Elsevier, 2001.)
Недостаток предлагаемого показателя в том, что для расчета значения эксергии необходимо получение данных о видовом (групповом) составе данной экосистемы, которые получают традиционными методами, требующими высокой квалификации специалиста по каждой группе видов и существенных затрат труда и времени. В связи с этим существенно снижается широкая доступность и оперативность полученной информации. Открытым остается вопрос полноты данных о групповом составе экосистем. Второй недостаток предложенного метода - использование для расчета эксергии данной (конкретной) экосистемы средних приблизительных значений коэффициента β, что может искажать реальные значения эксергии данной экосистемы и вуалировать изменения эксергии экосистемы, возникшие под воздействием негативных факторов. Третий недостаток заключается в том, что оценку эксергии экосистемы получают путем простого суммирования значений эксергии отдельных групп организмов, без учета сложнейшей системы их взаимодействия. Известно, что свойства системы не являются простой суммой свойств составляющих ее элементов. Расчет термодинамического параметра - эксергии, для целой экосистемы суммированием значений, полученных для отдельных сообществ, противоречит самому термодинамическому (холистическому) подходу. В связи с этим, оценка экосистемы, полученная таким способом, может быть в той или иной степени искажена.
Целью изобретения является повышение достоверности и оперативности оценки экологического состояния водных объектов.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности, объективности и оперативности (фактически в режиме реального времени) получения интегральной оценки экологического состояния водных объектов, уровня их благополучия.
t
2
1
2
1
t
2
1
Для достижения указанного результата в способе оценки экологического состояния водных объектов непосредственно в водном объекте устанавливают датчики температуры и кислорода, измеряют температуру воды в водном объекте, а также концентрацию растворенного кислорода, по значению которой по таблице растворимости кислорода определяют «равновесную» температуру, соответствующую 100% насыщению воды кислородом измеренной концентрации, после чего рассчитывают значение изменения энтропии формуле ΔS=S-S=lnT/T, где ΔS=S-S - изменение энтропии;
1
Т - температура воды в водном объекте,
2
Т - «равновесная» температура водного объекта, соответствующая 100% насыщению воды кислородом при измеренной концентрации;
при этом диапазон состояний водной системы разбивают на 5 классов, где состояние в пределах значений изменения энтропии (-0,123) - 0,062 характеризует предельно благополучное состояние экосистемы, 0,063-0,124 - благополучное; 0,125-0,187 - удовлетворительное; 0,188-0,249 - неблагополучное; 0,250-0,312 - предельно неблагополучное, а оценку экологического состояния определяют путем принадлежности полученного значения изменения энтропии соответствующему классу.
Оценка экологического состояния водных объектов по двум гидрохимическим показателям - концентрации растворенного кислорода и температуре воды, на основе термодинамического параметра состояния - энтропии, значительно повышает по сравнению с известными способами, оперативность (фактически в режиме реального времени), объективность получения интегральной оценки экологического состояния водных объектов. При этом возможно определение данных в автоматическом режиме с передачей по телекоммуникационным каналам связи, что значительно повысит оперативность (фактически в режиме реального времени) получения интегральной оценки экологического состояния водных объектов.
В патентной и технической литературе отсутствуют сведения о предложенном способе оценки экологического состояния водных объектов, в связи с чем этот способ обладает элементами существенной новизны, а также изобретательским уровнем.
Известно, что содержание кислорода в воде определяется основными процессами: выделение в результате фотосинтеза, потребление в процессе дыхания гидробионтов и окисления органических и неорганических соединений, газообменом с атмосферой (аэрация и деаэрация), поступление в водоемы с дождевыми и снеговыми водами. Скорость изменения концентрации кислорода в результате газообмена с атмосферой и окисления органических и неорганических соединений в большинстве случаев несопоставимо ниже скорости продуцирования кислорода в процессе фотосинтеза и потребления в процессе дыхания (деструкции органического вещества). Поэтому преобладающее изменение концентрации кислорода в водном объекте можно отнести на счет биологических и биохимических процессов: фотосинтетического продуцирования и деструкции органического вещества. В равновесном состоянии данной температуре воды соответствует определенная концентрация 100% насыщения воды растворенным кислородом. Фактическая концентрация кислорода в природных водах может не соответствовать равновесной, а соответствует равновесной концентрации при другой температуре воды. Изменение концентрации кислорода в воде за счет процессов фотосинтетического продуцирования и деструкции органического вещества эквивалентно изменению концентрации кислорода за счет изменения температуры, что, в свою очередь, эквивалентно изменению энтропии экосистемы. Это позволяет рассчитать величину ее изменения, которое происходит за счет биологических процессов, также как если бы это изменение произошло вследствие изменения температуры. Для определения изменения энтропии водного объекта за счет продукционно-деструкционных процессов, т.е. для определения состояния водного объекта, используем известную формулу (X. Кухлинг Справочник по физике М.: Мир, 1985, с. 192; Е.И. Степановских, Л.А. Брусницина Расчет изменения энтропии в системах без химического превращения. Учебное пособие, Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2008, с. 10-11):
t
2
1
t
где ΔS=S-S - изменение энтропии; индекс t при ΔS означает, что время t=const. (т.е. изменение энтропии не по времени, а по температуре);
с - удельная теплоемкость воды; m - масса воды;
1
Т - температура воды в контролируемом водном объекте;
2
Т - температура воды, соответствующая 100% насыщению воды кислородом при измеренной концентрации, определенная по справочной шкале «Растворимость кислорода воздуха 100% влажности в дистиллированной воде в зависимости от температуры»;
Удельная теплоемкость воды незначительно зависит от температуры (изменение не более 0,8% в диапазоне температур от 1°С до 100°С), и мы можем принять ее равной единице. Поскольку масса воды постоянна (m=const), ее можно исключить из формулы, и в окончательном виде формула имеет вид:
t
2
1
t
2
3
Чем меньше отклонение энтропии от «равновесного» состояния (ΔS=0 при Т=Т), тем более благополучно состояние экосистемы и наоборот: чем больше отклонение, тем ближе экосистема к состоянию деградации. Для того, чтобы рассчитать значение ΔS по справочной шкале «Растворимость кислорода воздуха 100% влажности в дистиллированной воде в зависимости от температуры» определяют значение Т - температуры воды, соответствующей 100% насыщению кислородом при измеренной концентрации кислорода. Например, измеренная в водном объекте концентрация кислорода составила 8,91 мг/дм. Такая концентрация соответствует концентрации насыщения (равновесной концентрации) при температуре 21,0°С или 294,15 К. Для краткости изложения назовем ее «равновесная» температура. Измеренная в водном объекте температура воды составила 15°С или 288,15 К.
Предельные значения изменения энтропии ΔS в водном объекте можно рассчитать исходя из крайних теоретически возможных сочетаний измеренных в водном объекте концентрации кислорода и температуры.
1
2
2
3
1. Допустим при температуре воды в водном объекте T=273,15°К (0,0°C) измеренная концентрация кислорода СО=0,0 мг/дм, что по таблице соответствует «равновесной» температуре Т=373,15°К (100°С). В этом случае изменение энтропии примет максимальное значение.
Такое значение предполагает практически отсутствие фотосинтеза, а атмосферная аэрация полностью нивелируется потреблением кислорода на окисление и разложение органического вещества. С известными допущениями такое состояние может быть интерпретировано как смерть экосистемы и реально встречается в некоторых водных объектах.
1
2
2
3
2. При температуре воды Т=373,15°К (100°C) измеренная концентрация кислорода CO=14,62 мг/дм, что по таблице соответствует «равновесной» температуре Т=273,15°К (0,0°C). В этом случае изменение энтропии примет теоретически минимальное значение.
1
2
2
3
Однако при температуре воды 100°С не может существовать экосистемная жизнь (за чрезвычайно редким исключением геотермальных источников, где могут существовать отдельные популяции, но отсутствуют экосистемы как таковые). Максимальная температура воды Мирового океана составляет около 36°С. Это значение следует принять за крайнее, при котором возможна экосистемная жизнь. То есть, если при температуре воды T=309,15°К (36°С) измеренная концентрация кислорода CO=14,62 мг/дм, что по таблице соответствует «равновесной» температуре Т=273,15°К (0,0°C), то в этом случае изменение энтропии примет минимально возможное значение.
t
Указанный диапазон 0,312 - -0,123 был разбит на пять классов, соответствующих тому или иному состоянию. Отрицательные значения ΔS соответствуют пересыщенному раствору кислорода, существование которого во времени ограничено, крайне редко встречается в реальных водных объектах и маловероятно в утренние часы, когда по методике проводят измерение концентрации кислорода в воде. Поэтому отрицательные значения энтропии включены в первый класс, соответствующий наиболее благополучному состоянию экосистемы.
В таблице 1 дана градация состояний экосистемы по значению изменения энтропии
Способ осуществляют следующим образом.
2
1
Непосредственно на водном объекте с помощью оксиметра (кислородомера) измеряют температуру воды и концентрацию растворенного кислорода (при отсутствии приборов может определяться аналитически). По таблице растворимости кислорода определяют «равновесную» температуру, т.е. температуру при которой измеренная концентрация растворенного кислорода соответствует 100% насыщению, т.е. является равновесной. Переводят значения температуры воды и «равновесной» температуры из шкалы Цельсия в шкалу Кельвина. По формуле  рассчитывают значение отклонения энтропии от «равновесного» состояния за счет процессов фотосинтетического продуцирования и деструкции органического вещества, где Т - «равновесная» температура, T - температура воды в водном объекте.
1
2
3
Пример расчета: температура воды в водном объекте составила T=20,0°С, или 293,15°К, концентрация растворенного кислорода - 7,0 мг/дм. Такая концентрация кислорода является равновесной (100% насыщенной) при температуре воды Т=34,9°С, или 308,05°К. Далее рассчитываем изменение энтропии, т.е. отклонение от «равновесного» состояния:
Такое значение соответствует 2 классу состояния, трактуемому как благополучное.
Расчет отклонения энтропии от условной нормы («равновесного» состояния) для водных объектов с различным уровнем загрязнения.
Пример 1. В таблице 2 даны среднемноголетние показатели озера Байкал, район Байкальского целлюлозно-бумажного комбината (БЦБК).
Пример 2. В таблице 3 даны показатели озера Байкал, продольный разрез
Пример 3. В таблице 4 даны показатели Ладожского озера, Лахтен, среднемноголетние значения
Пример 4. В таблице 5 даны показатели реки Нюдуай, среднемноголетние значения
Пример 5. В таблице 6 даны показатели реки Пельшма
Предложенный способ определения экологического состояния водоемов отражает всю совокупность естественных биологических и биохимических процессов в водоеме и их взаимодействие, обеспечивая объективную и достоверную оценку экологического состояния. При этом способ не требует значительных затрат труда и времени как в полевых условиях, так и в лаборатории.
Предложенный способ может быть эффективно использован для решения задач классификации водных объектов по состоянию их экосистемы.