CC BY
25Ой!: 10.24411/2619-0761-2021-10018 УДК 502.51:504.06(470.325)
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ ВОДОЁМОВ БЕЛГОРОДСКОГО РАЙОНА ПО ДАННЫМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
Сальникова О.Н.* Балык В., Капустина Д.Д.
Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова, г. Белгород, Россия
*Е-таИ: oisainickowa@yandex.ru
Аннотация. Рассмотрены проблемы антропогенной и естественной эвтрофикации водоёмов, приведены методики оценки загрязнённости водоёмов прямыми исследованиями. Приведены методики рекультивации гидроэкосистем. Применён метод аэрофотомониторин-га, по имеющимся данным дистанционного зондирования Земли установлено количество водоёмов в Белгородском районе, подсчитаны загрязнённые и незагрязнённые водоёмы.
Ключевые слова: аэрофотомониторинг, экологический мониторинг, водоёмы, предельно допустимая концентрация, дистанционное зондирование Земли, эвтрофикация, рекультивация.
Введение.
Яаряду с другими важными природными ресурсами -вода имеет огромное значение для всех аспектов жизнедеятельности человека. Мониторинг загрязненности водоёмов позволяет вовремя отслеживать и прогнозировать потенциальные изменения предельно допустимой концентрации различных элементов в воде и их влияние на окружающую среду.
Актуальность данного исследования подтверждается тем, что в последние годы в результате интенсивного освоения региона происходит усиление антропогенной нагрузки на окружающую природную среду, что приводит к ухудшению качественного состояния поверхностных вод. При проведении исследования акцент ставился, главным образом, на рассмотрение борьбы с проблемой антропогенной и естественной эвтрофикации.
Целью исследования является применение и оценка результативности средств дистанционного зондирования Земли для анализа гидрологического состояния поверхностных вод (водных объектов), степени их загрязнения и методики борьбы с эвтрофикацией водоёмов.
Основная часть. Методика аэрофото-мониторинга. Для исследования в программной среде «QGIS» (рис. 1) был создан геоинформационный проект, основой для которого послужили фотопланы, представленные в наборе данных карты «Yandex satellite», как более соответствующие местности по точности отображения. Также в проект были загружены карты административных районов РФ, по которым обозначены границы Белгородского района, векторные карты рек района, полученные из сервиса "OpenStreetMap", карты «Google.ru» - для сравнения данных. Для упрощения работы район был поделён на секторы, как видно на рис. 2. Это было сделано для упрощения подсчёта и нахождения меток, так как индивидуальные названия водоёмам в да нном и сследовании не присваивались. Также при необходимости можно получать координ ат ы характерных точек водоёмов в системе координат «EPSG:3395-WGS 84 / World Mercator - Projected».
Также в процессе работы использовались вспомогательные программы, такие как Google Earth. В частности, Google Earth позволяет нам отслеживать изменение состояния объектов в течение времени, так как даёт доступ не только актуальным, но и более ранним космоснимкам, что позволило осмотреть состояние поверхностных вод в различное время года.
© ®
Содержимое этой работы может использоваться в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution 4.0. Любое дальнейшее распространение этой работы должно содержать указание на автора (ов) и название работы, цитирование в журнале и DOI.
Рис. 2. Деление района на секторы
Программа даёт доступ к данным аэрофотосъёмок с различной периодичностью от декабря 1984 года включительно (рис. 3).
Для выбора метода проведения мониторинга был проведён анализ методов исследования, в ходе которого наиболее
Вид Инструменты Добавить ¿правка
И \viergnetw ЦЖ| И ГГ1 1и1а1ШИ
достоверным анализом воды был признан химический. Полные качественные и количественные химические анализы могут дать достоверные данные о чистоте воды, н о б ы л о выяснено, что в частном случае загрязнения достаточно детектирования по косвенным признакам.
""'Строитель " 5 Ч"остищево
° '-сАлекёеевка^сь~
Проложить маршрут История I
▼ Метки
Г7 Достоевского 13 ж |
О Крамское. Героев и Героев I
@ Старосиверская. Большой и I I- О^Р Толмачева 71
о
0 F f ~ w
Стрелецкое
0
0
" ■ •
9гомаровка
,ь 0
э$0 0 . ,
® °г
q сБорисовка
Северный ' " - о
в- '
в
" 5 g : «Белгород
Ч * 0J ..
' , Фазумное
и @ Основная база данных В Уведомления я Р Границы и названия
О Метки ' " Фотографии Я Дороги
0 Погода Ж Галерея □ Еще Рельеф
в' 'i • f .<?,'
© ©сТаврово р & 4 <~'
■ о - о' о гМаслова Пристань . г •'"V1 ' 3.SJT ■
"V..G ' У-"Яиебекино ' - , ' Л
п
сЗиборовка У ^ —------------
ч ' ' сВолчанск /\ ___° Г « о .
imaged«*» CSfemt • 1 ' . ,_ ,.
к : т . - " ♦ р//' <<>® Google Earth
Дата-съемки: 12.31.1984 50°48'24.95" С 35°52'29.20"№ Высота^над уровнем моря: >'.,0 м обзор с высоты 86.31 кмч_0
Рис. 3. Данные аэрофотосъёмок
Эвтрофикация водоёмов и её мониторинг. Основной применяемый в рамках исследования показатель, характеризующий степень загрязнения сточных вод органикой - это показатель биохимической потребности в кислороде, представляющий собой количество кислорода в миллиграммах на 1 литр воды, затраченное на окисление органических веществ аэробными микроорганизмами, максимальное значение которого при температуре воды 0°С равно 14,56 мг/л [1].
В одном ряду с ядохимикатами сельскохозяйственные стоки содержат большое количество остатков удобрений (азота, фосфора, калия), которые вносятся на поля. Помимо прочего, большое количество органических соединений азота и фосфора попадают со стоками от животноводческих ферм и с канализационными стоками. В начале в таком водоеме резко возрастает количество микроскопических водорослей, а следом с увеличением кормовой базы растёт численность ракообразных, рыб и других
водных организмов, в ходе этого происходит вымирание огромного количества организмов. Оно приводит к расходованию всех запасов кислорода, содержащегося в воде, и накоплению дигидросульфида. Обстановка в водоеме меняется настолько, что он становится непригодным для существования любых форм живых организмов. Водоем постепенно становится «мёртвым».
Современный уровень очистки сточных вод таков, что даже в водоёмах, прошедших биологическую очистку, содержание нитратов и фосфатов достаточно для интенсивного эвтрофирования водоемов. Эвтрофикация - насыщение водоёмов биогенными элементами, сопровождающееся ростом биологической продуктивности водных бассейнов.
Кроме физико-химического загрязнения не стоит забывать и о тепловом загрязнении. Источником теплового загрязнения выступают сточные воды теплоэлектроцентралей (например, в р. Северский Донец от г. Белгород), а вероятен сброс термальных вод от
сахарных и спиртовых заводов. При повышении температуры изменяется газовый и химический состав природных водоемов -приемников таких стоков, снижается количество растворенного кислорода. В таких случаях могут возникать как летние, так и зимние заморы рыб, что неоднократно регистрировалось на водоемах области. Кроме того, изменение естественных условий обитания, угнетая деятельность полезных организмов, способствует развитию патогенной микрофлоры.
Антропогенное воздействие на природу приводит к нарушениям равновесия гидроэкосистемы водоёмов, их эвтрофикации, и как следствие - сокращению биологического разнообразия. Загрязнители образуют донные осадки, которые во время летнего сезона прогреваются, освобождая вещества, выделяющие дигидросульфид. Быстрое разложение большой массы органики ведет к падению концентрации растворенного в воде кислорода, что вызывает замор рыбы, в следствии чего начинается гниение воды.
Для очищения небольших замкнутых водоёмов, применяют механическое воздействие: для начала воду откачивают, а после -механически удаляют донные осадки. Это достаточно дорогой и радикальный метод, так как требует применения тяжёлой сельскохозяйственной техники для уборки донных осадков и мощных насосов для водо-отведения. В связи с этими тратами большая часть водоемов не может быть очищена механически из-за нецелесообразности и в таких случаях необходим комплексный подход к рекультивации, а именно - создание циркуляции водных масс, удаление донных осадков, аэрация воды, искусственное изменение видового состава водорослей и микроорганизмов.
Сама же комплексная рекультивация водоёмов происходит в таком порядке: удаление загрязняющих веществ; улучшение санитарного состояния; предотвращение «цветения»; биологическая мелиорация высшей водной растительностью, а также зелеными водорослями; временный вылов ихтиомассы.
Восстановление экосистемы водоемов и береговых зон - значимая природоохранная функция, включающая в себя функции
сохранения биоразнообразия и поддержания вы с о к ого качества воды. Помимо этого, высшие водные растения можно рассматривать в роли надежного способа укре пления берега от эрозии и формирования нормальной экосистемы прибрежной зоны вокруг водоема.
Таким образом, рекультивация водоемов, п р о и сходит с использованием ряда различных биоинженерных мероприятий, в которые входит: сбор данных о гидрогеологических характеристиках водоема, в том числе его морфологических параметрах (глубина водоёма, рельеф дна); отбор проб воды, а также береговой почвы и иловых отложений для лабораторного анализа, на н алич и е химического загрязнения [3, 5]. По данным этих анализов определяются места для будущего расположения биопонтонов, кот о р ые состоят из плавающей на поверхности воды конструкции, внутри которой постоянно и беспрепятственно проходят наиважнейшие процессы самоочищения воды при помощи высших водных растений. Эта установка выглядит как плавучий зеленый остров. Перемещение таких биопонтонов и систем аэрации, по акватории водоёма, производится, исходя из материалов, полученных в следствии м о нит о ринга состояния водоёма. Далее после проведенных рекультивационных мероприятий необходима реабилитация водоёма, состоящая из ряда действий: аэ р а ц ия воды атомарным кислородом; запуск микроводорослей в водоем; высадка высших водных растений на биопонтоны; зарыбление водоема; высадка зеленых насаждений на берегах; уборка и утилизация растений .
Технология биологической реабилитации водоёма основанная, в том числе, и на и спользовании гидробионтов-фильтраторов, к которым относят: водные растения-макрофиты (камыш, рогоз, эйхорния); зеленые микроводоросли (хлорелла, хламидомонада и др.); зоопланктон (дафнии, босмины и др.); бентос (сообщество донных организмов).
Высшие водные растения, к которым относят камыш, рогоз и эйхорнию, удаляют из воды и донных отложений загрязняющие вещества, такие как биогенные элементы
(азот, фосфор, калий, кальций, магний, марганец, серу); тяжелые металлы (кадмий, медь, свинец, цинк), фенолы и сульфаты.
Всего за пару дней после забрасывания гранул с ней в водоём хлорелла становится доминирующей микроводорослью. Она насыщает его кислородом, удаляет из него излишки диоксида углерода, различных органических и неорганических веществ и предотвращает «цветение» воды, так как для неё основным источником жизнедеятельности является, находящаяся в воде и донных отложениях водоема, органика. При этом происходит уничтожение всей патогенной микрофлоры. Так как хлорелла является наилучшим кормом для зоопланктона, то численность его в водоёме значительно увеличивается для последующего поедания его рыбами. Следует учитывать, что повышение уровня растворенного кислорода в воде способствует окислению тяжелых металлов.
Существенным плюсом является то, что использование хлореллы позволяет снизить содержание сапрофитной и патогенной флоры, такой как кишечная палочка, которая за 3 дня уменьшается в 100 раз, и бактерии группы E. coli, которые за 8 дней уменьшаются на 98 % [2, 8, 9].
Если учесть, что в процессе очищения воды активно задействовано большое количество видов наземных экосистем, примыкающих к водоемам, то необходимы мероприятия по сохранению не только генофонда и популяций видов прибрежных экосистем, но и их функциональной активности. Этого возможно достигнуть с
помощью восстановления в береговой зоне определенного вида зеленых насаждений и живых организмов, которым свойственно уживаться в данной экосистеме.
При применении генератора кислорода, происходит насыщение водоёма чистым атомарным кислородом, что позволяет борот ься с сине-зелёными водорослями.
После рассмотрения методов диагностики загрязнения, были рассмотрены методы рекультивации и реабилитации водоёмов. Затем был проведён непосредственно мониторинг, методика которого основана на приведённых выше теоретических материалах, краткая суть которых в том, что наличие повышенного количества поверх ностных водорослей (цветение воды) позволяет косвенно определить загрязнение водоё ма органическими веществами и свидетельствует о повышенном биологиче-с ко м п отреблении кислорода [5, 6, 10].
На рис. 4 показан «цветущий» водоём и зелёный маркер «З», который обозначает отношение водоёма к категории загрязнённых. Т акими маркерами были отмечены все найденные по характерным признакам загрязнённые водоёмы Белгородского района, также красными маркерами «НЗ» были отмечены водоёмы, в которых следов цветения обнаружено не было, вследствие чего мы получили статистику по соотноше-ни ю загрязнённых и чистых водоёмов района, приведённую в табл. Необходимо от м ет ить, что в таблице приведены лишь актуальные данные на момент последних составленных фотопланов в выбранной базе космоснимков.
Рис. 4. «Цветущий» водоём: З - отношение водоёма к категории загрязнённых
Таблица
Статистика по соотношению загрязнённых и чистых водоёмов Белгородского района
Водоёмы
Белгородского
района
Загрязнённые 1 4 9 6 11 9 3 9 3 55 45,45 %
Загрязнений не найдено 1 1 7 2 13 13 11 11 7 66 54,55 %
Всего 2 5 16 8 24 22 14 20 10 121 100,00 %
Использование же программы Google Earth было предназначено для отслеживания сезонных изменений и отслеживания цвета воды водоёмов, который может в связи с проблемами отображения быть похож на загрязнённый, но при этом таковым не являться, и наоборот. Благодаря данному подходу, повышалась точность дешифрирования такого признака как сезонное цветение воды.
Таким образом, в процессе мониторинга рассматривалось загрязнение водоёмов органическими веществами, в связи с легко детектируемым косвенным признаком такого типа загрязнения - цветением воды. Механизм образования данного признака вследствие заявленной причины был описан выше.
Заключение. Количество загрязнённых излишней органикой водоёмов на территории Белгородского района всё же меньше, чем не загрязнённых, но тем не менее при правильном, комплексном подходе к рекультивации водоёмов, без таких серьёзных затрат как при механической очистке, эвтро-фикация водоёмов может быть уменьшена до более благоприятных величин. Достаточно после разово проведённой комплексной рекультивации не повышать приток сбрасываемой органики и гидроэкосистема, благодаря механизмам саморегуляции будет находиться в надлежащем состоянии, что позитивно скажется на множестве функций, которые могут предоставлять водоёмы -рекультивационной, сельскохозяйственной, ресурсной и других.
Литература
1. Потапов П., Гиниятуллина О.Л., Андреева Н.В. Использование данных дистанционного зондирования Земли для
оценки антропогенного воздействия на водные объекты // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. №56. С. 465-474.
2. Биологическая реабилитация водоемов . URL: http://biovet-service.ru/2011-04-18-06-28-24.html.
3. Калачук Т.Г., Наумова С.С. Правовой ре ж и м земель водного фонда // Вектор ГеоНаук. 2021. Т.4. №1. С. 66-69.
4. Науменко А.А., Нелидов С.Н. Антропогенные причины гибели биосферы. Белгород: Изд-во БГТУ, 2015. 245 с.
5. Гольденберг М.П., Извекова Е.В., Извеков Л.Л. Способ приведения экосистемы открытых водоемов к экологическому балансу. URL: http://www.salvatorem.ru/? page_id=3340.
6. Очистка прудов и других водоемов. URL: http://fat-control.ru/meropriyatiya-dlya-ochistki -rek.html.
7. Пименова Е.В. Химические методы анализа в мониторинге водных объектов. Пермь: Пермская государственная сельскохозяйственная академия, 2011. 138 с.
8. Что такое хлорелла и как она чистит воду. URL: http://www.algotec.pro/how-it-works.html.
9. Би ологическая реабилитация водных объектов методом коррекции альгоценоза. URL: http://www.algobiotehnologia.com/ shop/?gid=142.
10. Ниязгулов У.Д., Цховребов Э.С., Церенова МП., Юрьев КВ., Яйли Е.А. Методы мониторинга водных экологических систем и биоресурсов // Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета. 2013. №28. С. 128-142.
Контактные данные:
Сальникова Ольга Николаевна, эл. почта: oisainickowa@yandex.ru
Балык Валентин, эл. почта: baiykvaientin@gmaii.com
Капустина Дарья Дмитриевна, эл. почта: dariakapustina22@gmaii.com
© Сальникова О.Н., Балык В., Капустина Д.Д., 2021
ENVIRONMENTAL MONITORING OF WATER POLLUTION IN THE BELGOROD REGION BASED ON REMOTE SENSING DATA
O.N. Sainikova*, V. Balyk, D.D. Kapustina
Belgorod State Technological University named after V.G. Shoukhov, Beigorod, Russia
*E-maii: oisainickowa@yandex.ru
Abstract. The problems of anthropogenic and natural eutrophication of water bodies are considered, and methods for assessing the pollution of water bodies by direct research are presented. Methods of recultivation of hydroecosystems are given. The method of aerial photomonitoring was applied, according to the available data of remote sensing of the Earth, the number of reservoirs in the Belgorod region was established, polluted and non-polluted reservoirs were counted.
Keywords: aerial photomonitoring, environmental monitoring, water bodies, maximum permissible concentration, remote sensing of the Earth, eutrophication, reclamation.
References
1. Potapov, P., Giniyatullina, O.L., Andreeva, N.V. Ispol'zovanie dannyh dis-tancionnogo zondirovaniya Zemli dlya ocenki antropogennogo vozdejstviya na vodnye ob"ekty [Using Earth Remote Sensing Data for Assessing Anthropogenic Impact on Water Bodies] // Gornyj informacionno-analiticheskij byulleten' (nauchno-tekhnicheskij zhurnal). 2013. №56. Pp. 465-474. (rus)
2. Biologicheskaya reabilitaciya vodoemov [Biological rehabilitation of water bodies]. URL: http://biovet-service.ru/2011-04-18-06-28 -24.html. (rus)
3. Kalachuk, T.G., Naumova, S.S. Pravovoj rezhim zemel' vodnogo fonda [Legal regime of water fund lands] // Vector of Geosciences. 2021. 4(1). Pp. 66-69. (rus)
4. Naumenko, A.A., Nelidov, S.N. Antropogennye prichiny gibeli biosfery [Anthropogenic causes of the destruction of the biosphere]. Belgorod: Izd-vo BGTU, 2015. 245 p. (rus)
5. Gol'denberg, M.P., Izvekova, E.V., Izvekov, L.L. Sposob privedeniya ekosistemy otkrytyh vodoemov k ekologicheskomu balansu [A way to bring the ecosystem of open water bodies to the ecological balance]. URL: http:// www.salvatorem.ru/?page_id=3340. (rus) Contacts:
Olga N. Sainikova, olsalnickowa@yandex.ru Valentin Baiyk balykvalentin@gmail.com Daria D. Kapustina, dariakapustina22@gmail.com
6. Ochistka prudov i drugih vodoemov [ Cleani ng of ponds and other reservoirs]. URL: http://fat-control.ru/meropriyatiya-dlya-ochistki -rek.html. (rus)
7. Pimenova, E.V. Himicheskie metody analiza v monitoringe vodnyh ob"ektov [Chemical methods of analysis in the monitoring of water bodies. Perm: Perm State Agricultural Academy]. Perm': Permskaya gosudar-stvennaya sel'skohozyajstvennaya akademiya, 2011. 138 p. (rus)
8. Chto takoe hlorella i kak ona chistit vodu [What is chlorella and how it cleans water]. URL: http://www.algotec.pro/how-it-works.html. (rus)
9. Biologicheskaya reabilitaciya vodnyh ob"ektov metodom korrekcii al'gocenoza [Biological rehabilitation of water bodies by the method of algoceneosis correction]. URL: http://www.algobiotehnologia.com/shop/? gid=142. (rus)
10. Niyazgulov, U.D., Ckhovrebov, E.S., Cerenova, M.P., Yur'ev, K.V., Yajli, E.A. Metody monitoringa vodnyh ekologicheskih sistem i bioresursov [Methods for monitoring aquatic ecological systems and biological resources] // Uchenye zapiski Rossijskogo gosudarstvennogo gidrometeorologicheskogo universiteta. 2013. №28. Pp. 128-142.
© Salnikova, O.N., Balyk, V., Kapustina, D.D., 2021
Сальникова О.Н., Балык В., Капустина Д.Д. Экологический мониторинг загрязненности водоёмов Белгородского района по данным дистанционного зондирования // Вектор ГеоНаук. 2021. Т.4. №2. С. 48-54. DOI: 10.24411/2619-0761-2021-10018.
Salnikova, O.N., Balyk, V., Kapustina, D.D., 2021. Environmental monitoring of water pollution in the Belgorod region based on remote sensing data. Vector of Geosciences. 4(2). Pp. 48-54. DOI: 10.24411/2619-0761-2021-10018.
