ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ КАЧЕСТВО ВОДЫ РЕК 2–4-го ПОРЯДКОВ БАССЕЙНА ДНЕПРА Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

38

ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА

УДК 574.587:556.53

Т. П. Липинская

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ КАЧЕСТВО ВОДЫ РЕК 2-4-го ПОРЯДКОВ БАССЕЙНА ДНЕПРА

Проведены исследования сообщества макрозообентоса на реках 2-4-го порядков бассейна Днепра в весенний и осенний периоды 2010 г. Определено экологическое качество воды по структурным показателям, биотическим индексам и методом эталонных створов. Отмечено, что качество воды на створах в весенний период было несколько ниже, чем в осенний. Показано, что наиболее адекватную оценку качества воды в соответствии с гидрохимическими и таксономическими характеристиками исследованных створов дают биотические индексы EPT, BMWP и IBGN. Установлено, что реки Уша и Гайна являлись наиболее экологически чистыми створами, что послужило основой выбора их как эталонных для рек 2-3-го порядков и рек 4-го порядка соответственно.

Оценка качества воды по отношению к эталонному створу позволяет дать более строгую характеристику качества воды рек по сравнению с системой, основанной на биотических индексах.

Введение

В настоящее время для определения экологического качества состояния реки или речного бассейна используются биологические методы, основанные на оценке состояния флоры и фауны водных объектов [1, 10-14].

Качество речных вод может быть определено различными путями: по величинам видового богатства, структурно-функциональным характеристикам сообщества, биотическим индексам или путем сравнения с эталонными створами. Все эти подходы и методы имеют как достоинства, так и недостатки. Биотические индексы характеризуются разной чувствительностью и имеют различную градацию качества вод. Использование видового богатства и структурнофункциональных характеристик требует калибровки полученных значений относительно градаций качества воды [2, 459]. В связи с этим оценку экологического качества воды проводили с использованием гидрохимических показателей, структурных характеристик макрозообентоса, биотических индексов и метода эталонных створов.

Цель данной работы - оценка экологического качества воды на створах рек 2-4-го порядков бассейна Днепра.

Материалы и методы исследования. Проведен отбор количественных и качественных проб макрозообентоса в весенний (апрель) и осенний (октябрь) 2010 г. периоды на реках бассейна Днепра. Отбор проводили на следующих десяти створах девяти рек разного порядка (рисунок 1). Створы

Реки 4-го порядка: р. Друть:

1 - выше г. Белыничи, д. Стехово;

2 - выше Чигиринского вдхр., д. Ядр. Слабода; р. Птичь:

1 - выше г. п. Правдинский, д. Васильки;

2 - д. Поречье (Пуховичский р-н); р. Гайна - д. Каменка (Борисовский р-н).

Реки 3-го порядка: р. Свислочь:

1 - выше г. п. Свислочь, д. Дукора;

2 - д. Орешковичи (Пуховичский р-н); р. Бобр - ниже г. п. Бобр.

Реки 2-го порядка:

р. Волма - выше Петровичского вдхр., д. Волма; р. Уша - д. Уша (Березинский р-н).

БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ

39

Рисунок 1 - Карта-схема расположения створов

Выбор створов был произведен таким образом, чтобы на данных участках рек отсутствовали прямые источники загрязнений, а сама река характеризовалась естественным режимом (отсутствие мелиоративных мероприятий).

Для каждого створа был заполнен протокол описания ландшафта (координаты, погодные условия, ближайший населенный пункт, окружающие земли и др.), гидрологических (тип течения, скорость течения, температура, тип субстрата и его описание, гранулометрическое описание субстрата и т. д.), гидрохимических (растворенный О2, рН, электропроводность) и гидробиологических (описание растительности в точках отбора проб и на берегах) параметров. Дополнительно брали пробы для лабораторного определения концентрации Ca2+, Mg2+, NO3-, NH4+ PO43-, Fe (общ.).

Учитывая тот факт, что в Беларуси не существует национального протокола определения экологического качества воды, методы проведения полевых исследований и перечень

40

ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА

изучаемых параметров определялись на основании международных стандартов ISO или европейского протокола, разработанного специальной программой AQEM в 2002 г.

Пробы зообентоса отбирали в прибрежной зоне с глубины 0,5 м с помощью гидробиологического ручного сачка (стандарт ISO 7828) и фиксировали 70-процентным раствором спирта. Разбор материала по таксонам и видовую идентификацию проводили общепринятыми методами в лабораторных условиях. Определение отдельных систематических групп (Oligochaeta, Arachnida, Diptera и некоторых других) ограничивалось крупными таксонами.

Оценка экологического качества воды на исследуемых створах проведена с помощью семи биотических индексов (Trent Biotic Index (TBI), Extended Biotic Index (EBI), Family Biotic Index (FBI), Biological Monitoring Working Party (BMWP), Indice Biologique Global Normalise (IBGN), Average Score Per Taxon Index (ASPT) и Ephemeroptera + Plecoptera + Trichoptera Index (ЕРТ)), наиболее часто используемых в странах ЕС для оценки экологического качества воды.

Trent Biotic Index. Индекс основан на двух параметрах бентосного сообщества: общее разнообразие беспозвоночных и наличие в водоеме организмов, принадлежащих к «индикаторным» группам. Индекс TBI имеет четырехбалльную градацию и характеризует сапробность водоема [3].

Extended Biotic Index. Модификация индекса ТВ!, но имеет ряд изменений в списке индикаторных групп видов, а также имеет пятибалльную градацию [4, 20].

Family Biotic Index. Рассчитывается как отношение суммы числа особей внутри каждого таксона к значению толерантности (балльная оценка) для таксона к общему числу организмов в пробе. Имеет шесть балльных градаций. Одно из требований к данному индексу - количество особей в пробе не должно быть менее 100 экз. Как правило, применяется для индикации вод с органическим загрязнением [5, 32-34].

Biological Monitoring Working Party Index. Расчет основан на сумме значений толерантности (балльной оценке) каждого семейства в пробе. Имеет пять градаций качества воды [6, 222-230].

Indice Biologique Global Normalise. Расчет основан на общем количестве таксономических групп бентоса, даже если в группе обнаружен всего один экземпляр на пробу, и разнообразии индикаторных групп. Имеет пять градаций качества воды [1, 104-107].

Average Score Per Taxon Index. Является производным от BMWP и рассчитывается путем деления значения индекса BMWP на число обнаруженных таксономических групп в пробе. Имеет 7 градаций качества воды. Индекс имеет свойство уменьшать вклад случайных таксономических групп, обнаруженных в таксонах с высокой балльной оценкой [7, 625-628].

Ephemeroptera + Plecoptera + Trichoptera Index. Расчёт индекса основан на сумме числа видов трёх отрядов водных насекомых: Ephemeroptera, Plecoptera, Trichoptera, представители которых являются высокочувствительными видами к различного рода загрязнениям [1, 81-84].

В Европейской рамочной водной директиве [8, 20-25] основным показателем для оценки состояния рек и речных бассейнов является индекс качества воды Ecological Quality Index (EQI). Величины индекса рассчитываются как отношение какого-либо показателя (индекса), полученного на тестируемом створе I, к величине этого показателя на эталонном створе Irs (EQI = It / Irs).

Для индекса EQI была использована шкала оценки качества воды, разработанная в рамках проекта REFCOND [9, 26-29], которая включает: высокое качество (1,00-0,83); хорошее качество (0,83-0,62); посредственное качество (0,62-0,41); плохое качество (0,41-0,20); очень плохое качество (меньше 0,20).

Результаты исследования и их обсуждение

Основным типом субстрата на исследуемых створах был заиленный в разной степени песок, за исключением створов на реках Уша, Друть-1, Свислочь-1 и 2, Птичь-1, где был глинистый субстрат.

В таблице 1 представлены основные гидрофизические и гидрохимические характеристики створов изучаемых рек бассейна Днепра.

БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ

41

Таблица 1 - Некоторые гидрофизические и гидрохимические показатели качества воды исследуемых рек (весна/осень 2010 г.)

Реки Показатели

t° рн Электропроводность, (ppm) О2 | NO3- | NH4+ I PO/-

мг/л

*ПДК1 - 6,0-9,0 - 4,0 10,2 2,0 1,14

"ПДК2 - 6,5-8,5 - 6,0 9,1 0,39 0,05

Друть-1 10,8/8,2 8,33/8,31 152/210 8,4/10,3 1,9/1,5 0,12/0,19 0,4/0,37

Друть-2 11,4/7,3 8,3/8,46 156/175 8,3/10,5 3,7/0,9 0,27/0,2 0,27/0,97

Птичь-1 10,0/6,8 8,23/8,96 217/240 13,2/9,4 3,5/1,6 0,25/0,16 0,36/0,11

Птичь-2 12,2/8,5 8,2/8,76 165/213 7,9/7,2 0/0 0,6/0,21 0,19/0,52

Свислочь-1 11,8/10,2 9,08/9,06 273/270 10,6/7,3 4,0/3,4 0,6/0,23 1,47/2,75

Свислочь-2 11,9/9,7 8,17/8,51 216/230 13,0/7,5 1,7/2,7 0,47/0,29 0,82/0,64

Гайна 9,6/6,5 7,88/7,96 148/174 -/10,0 0/0 0,41/0,63 0,22/0,29

Бобр 11,6/5,0 8,02/8,16 149/205 7,4/9,2 0,4/2,0 0,32/0,14 0,12/0,44

Волма 9,9/6,3 6,72/8,56 -/161 - 1,5/2,7 0,36/0,12 0,27/0,77

Уша 9,7/6,0 7,93/8,06 140/140 7,56/9,6 1,4/1,1 0,33/0,35 1,09/0,67

Примечание: *ПДК1 - для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения); **ПДК2 - для водных объектов рыбохозяйственного назначения [10].

Анализируя данные по имеющимся гидрохимическим показателям, можно отметить, что они находились в допустимых пределах ПДК1, за исключением превышения концентрации по PO41 * 3- на створе р. Свислочь-1 как в весенний, так и в осенний периоды. В ряде случаев наблюдали превышение ПДК2 (для водных объектов рыбохозяйственного назначения) [10] по NH4+ и PO43-. Нитраты и фосфаты относятся к токсическим веществам [2, 460]. Если их концентрация превышает ПДК1 в 5 раз, то в водоеме возникает чрезвычайная экологическая ситуация.

Таким образом, концентрации веществ не были настолько высокими, чтобы привести к чрезвычайной ситуации, но, вероятно, оказывали хроническое воздействие на различные группы гидробионтов.

Концентрация кислорода в воде в весенний период была выше, чем в осенний, и колебалась в пределах 7,4-13,2 мг/л. Осенью концентрация кислорода изменялась от 7,2 до 10,5 мг/л. Электропроводность в весенний период на изученных створах была ниже, чем осенью. Принято считать, что чем ниже электропроводность воды, тем она чище [2, 460]. С этой точки зрения наиболее чистыми водотоками являются реки Гайна, Волма и Уша, в которых наблюдались минимальные величины этого показателя в осенний период.

Таксономическая структура макрозообентоса. В результате проведенного исследования было собрано и изучено 1523 экз. весной и 1476 экз. осенью (только количественные пробы) водных беспозвоночных, находящихся на личиночной и имагинальной стадиях развития. В составе донной фауны обследованных створов выявлено 112 видов беспозвоночных, относящихся к шести классам и трем типам: Annelidae - 6 видов, Mollusca - 3 вида, Arthropoda - 103 вида. Относительное число видов водных беспозвоночных, обнаруженных на створах рек, представлено на рисунке 2.

123456789 10

1 - Друть-1; 2 - Друть-2; 3 - Птичь-1; 4 - Птичь-2;

5- Свислочь-1; 6 - Свислочь-2; 7 - Гайна; 8 - Бобр; 9 - Волма; 10 - Уша

Рисунок 2 - Процентное соотношение числа видов беспозвоночных в реках 2-4-го порядков бассейна Днепра

42

ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА

Как видно из рисунка 2, наибольшим относительным видовым богатством среди изученных рек обладают Гайна и Уша: на их долю приходится 33,93 и 42,86% от всех выявленных видов соответственно. Наименьшее относительное видовое богатство наблюдали на створах рек Друть (створ 1 - 10,71%) и Свислочь (створ 5 - 12,5%, створ 6 - 11,61%).

Как будет показано ниже, такое разделение рек достаточно хорошо согласуется с экологическим качеством воды.

Биотические индексы. Для определения экологического качества воды нами были использованы биотические индексы, которые наиболее часто применяются в странах ЕС. В таблице 2 приведены значения шести биотических индексов и экологическое качество воды на исследованных створах.

Таблица 2 - Биотические индексы и экологическое качество воды на изучаемых створах рек бассейна Днепра (весна/осень 2010 г.)

Реки Биотические индексы

TBI EBI FBI BMWP IBGN ASPT EPT

Друть-1 6/5 g/md* 6/2 g/d -/- 37/32 mb/mb 5/10 vb/md 5,3/8,0 exc/exc 7/1

Друть-2 7/8 g/vg 11/12 exc/exc 2,19/3,5 exc/exc 74/130 g/vg 8/13 vb/md 8,2/10,8 exc/exc 7/11

Птичь-1 6/5 11/5 -/- 92/71 12/14 10,2/7,1 9/1

g/md exc/md g/g md/g exc/exc

Птичь-2 6/7 -/7 -/- 53/44 5/11 7,6/4,9 8/5

g/g -/g g/md vb/md exc/vg

Свислочь-1 5/7 -/5 -/- 12/37 3/8 4,0/4,11 1/4

md/g -/md b/md b/vb md/g

Свислочь-2 5/5 md/md 5/5 md/md -/- 39/48 md/md 6/8 vb/vb 6,5/6,0 exc/exc 4/4

Гайна 7/7 11/9 4,21/4,5 96/71 13/10 10,7/7,1 16/9

g/g exc/vg vg/g g/g md/md exc/exc

Бобр 7/6 11/8 4,1/- 35/83 5/15 5,0/8,3 12/8

g/g exc/vg vg/- md/g vb/g exc/exc

Волма 7/9 8/9 4,06/1,8 70/115 8/16 7,0/9,6 15/13

g/vg vg/vg vg/exc g/vg vb/g exc/exc

Уша 7/8 11/9 3,6/3,5 102/116 11/15 10,2/9,7 16/10

g/vg exc/vg vg/exc vg/vg md/g exc/exc

Примечание: *exc - превосходное, vg - очень хорошее, g - хорошее, md - посредственное, b - плохое, vb - очень плохое экологическое качество воды.

Значение индекса FBI на некоторых створах не удалось подсчитать из-за недостаточного количества (меньше 100) экземпляров в пробе. Сравнение оценок на основании различных индексов (таблица 2) показало, что индекс TBI и его модификация EBI обладают очень низкой чувствительностью и завышают качество воды. Биотические индексы BMWP и EPT давали однотипную оценку качества воды на створах, а значения индекса IBGN на некоторых створах показывали заниженное качество воды.

На основании значений биотических индексов можно отметить, что экологическое качество воды в весенний период оказалось ниже, чем осенью. Вероятно, это связано с тем, что в весенний период происходит поступление загрязняющих веществ с водосборной территории рек. Наиболее высокие значения индексов и высокое качество воды получены для рек Уша и Гайна.

Для того, чтобы выявить сходство оценок, даваемых различными биотическими индексами, использовали корреляционный анализ (таблица 3). Наибольшее число достоверных корреляций получено для индексов ЕРТ, BMWP, EBI, IBGN и ASPT. Напомним, что индекс ASPT является производным от BMWP, а значения биотического индекса EBI показывали завышенное качество воды, поэтому для расчета EQI фактически можно использовать только три индекса: ЕРТ, BMWP и IBGN. Эти индексы дают близкие оценки качества воды на створах. Аналогичные выводы сделаны и в других исследованиях [2, 464], [11, 50-51], [12, 49]. Следует отметить, что экологическое качество воды, рассчитанное по биотическим индексам, было сходно с качеством воды по структурно-функциональным показателям сообщества макрозообентоса [13, 183-184].

БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ

43

Таблица 3 - Величины коэффициентов корреляции между различными биотическими индексами (жирным шрифтом выделены достоверные значения коэффициентов корреляции Р < 0,05)

Индексы TBI EBI FBI BMWP IBGN ASPT EPT

TBI 1

EBI 0,654 1

FBI 0,642 0,681 1

BMWP 0,676 0,703 0,521 1

IBGN 0,465 0,498 0,206 0,799 1

ASPT 0,423 0,571 0,422 0,888 0,697 1

EPT 0,702 0,716 0,783 0,652 0,302 0,585 1

Исходя из анализа данных гидрохимических показателей, таксономической структуры и биотических индексов в весенний и осенний периоды, можно предложить створы рек Гайна (для рек 4-го порядка) и Уша (для рек 2-3-го порядков) в качестве эталонных. Для этих створов характерно большое количество видов макрозообентоса, обитающих в чистых водах, высокое видовое разнообразие и высокие величины биотических индексов.

Расчет индекса EQI (таблица 4) проводили для створов, используя три биотических индекса (ЕРТ, BMWP, IBGN) из шести.

Таблица 4 - Значения индекса EQI и экологическое качество воды для створов (весна/осень 2010 г.)

Река EQI

BMWP IBGN EPT

Друть-1 0,39/0,45 b/md 0,38/1,0 b/vg 0,44/0,11 md/vb

Друть-2 0,77/1,8 g/vg 0,62/1,3 md/vg 0,44/1,22 md/vg

Птичь-1 0,96/1,0 vg/vg 0,92/1,4 g/vg 0,56/0,11 md/vb

Птичь-2 0,55/0,62 md/md 0,38/1,1 b/vg 0,5/0,56 md/md

Гайна 1,00 1,00 1,00

Свислочь-1 0,11/0,32 vb/b 0,27/0,53 b/md 0,06/0,4 md/b

Свислочь-2 0,38/0,41 b/b 0,55/0,53 md/ md 0,25/0,4 b/b

Бобр 0,34/0,72 b/g 0,45/1,0 b/vg 0,75/0,8 g/g

Волма 0,69/0,99 g/vg 0,42/1,1 b/vg 0,93/1,3 vg/vg

Уша 1,000 1,000 1,000

Сравнение данных по оценке экологического качества воды в изученных реках на основании биотических индексов, с одной стороны (таблица 2), и величин индекса EQI (таблица 4), с другой, показало различия. А именно: в весенний и осенний периоды качество воды на изученных створах, рассчитанное по индексу EQI, оказалось ниже, чем качество по биотическому индексу BMWP, и выше, чем качество по IBGN.

В целом, индекс EQI дает более строгую оценку качества воды, особенно в тех случаях, когда величины биотических индексов или других структурных характеристик сообщества макрозообентоса демонстрируют достаточно широкий разброс значений [2]. Например, на створе 2 на р. Друть качество воды в весенний период находилось в диапазоне «очень плохое -исключительное», а по индексу EQI оно в большинстве случаев оценивается как «плохое».

Таким образом, оценка экологического качества воды методом эталонных створов позволяет давать более адекватную характеристику качества речных вод по сравнению с системой оценки, основанной на биотических индексах. Сходные результаты были получены при изучении экологического качества воды в портах р. Припять [11, 50-51].

44

ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА

Выводы

Наиболее адекватную оценку качества воды в соответствии с гидрохимическими и таксономическими характеристиками исследованных створов дают биотические индексы EPT, BMWP и IBGN. На основании этих данных реки Уша и Гайна были наиболее экологически чистыми створами, что послужило основой для выбора их как эталонных для рек 2-3-го порядков и рек 4-го порядка соответственно.

Оценка качества воды по отношению к эталонному створу позволяет более строго дать характеристику качества воды рек по сравнению с системой, основанной на биотических индексах.

Литература

1. Семенченко, В. П. Экологическое качество поверхностных вод / В. П. Семенченко, В. И. Разлуцкий. -Минск : Беларус. навука, 2010. - 329 с.

2. Семенченко, В. П. Сравнительный анализ двух подходов оценки качества воды по биологическим показателям (на примере притоков р. Днепр) / В. П. Семенченко, В. И. Разлуцкий, М. Д. Мороз // Водные ресурсы. - 2009. - Т. 36, № 4. - С. 459-464.

3. Woodiwiss, F. S. The biological system of stream classification used by the Trent River Board / F. S. Woodiwiss // Chemistry and Industry, 1964. - Vol. 11. - P. 443.

4. Woodiwiss, F. S. Comparative study of biological-ecological water quality assessment methods / F. S. Woodiwiss // Summary Report. Commission of the European Communities. Severn Trent Water Authority. UK. - 1978. - 45 p.

5. Hilsenhoff, W. L. An improved biotic index of organic stream pollution / W. L. Hilsenhoff // Great Lakes Entomologist, 1987. - Vol. 20. - P. 31-39.

6. A preliminary classification of running-water sites in Great Britain based on macro-invertebrate species and the prediction of community type using environmental data / J. F. Wright [et al] // Freshwater Biology, 1984. -Vol. 14. - P. 221-256.

7. Pinder, L. C. V. Biological surveillance of water quality / L. C. V. Pinder, I. S. Farr // Archiv fur Hydrobiologie. - 1987. - Vol. 109. - P. 619-637.

8. Directive 2000/60/EC of the European Parliament and of the Council of 23 October, 2000, Establishing a Framework for Community Action in the Field of Water Policy, Official J. L 327. 22/12/. - 2000. - Р. 1-73.

9. REFCOND. Development of a Protocol for Identification of Reference Conditions, and Boundaries between High, Good and Moderate Status in Lakes and Watercourses. Produced by CIS Working Group. REFCOND. 2003. Final version 7.0. - Mode of access : www.minenv.gr/pinios/00/odhgia/7th_draft_refcond_final.pdf. - Date of access : 14.09.2005.

10. Трансграничный диагностический анализ бассейна реки Днепр / ПРООН - ГЭФ, Программа экологического оздоровления бассейна реки Днепр. - [Минск?] : [б. и.], 2003. - 217 с.

11. Липинская, Т. П. Экологическое качество воды в портах р. Припять / Т. П. Липинская // Природные ресурсы : межведомственный бюл. - 2010. - № 1. - С. 46-51.

12. Липинская, Т. П. Оценка экологического качества воды в системе «река-водохранилище-река» по структурным показателям сообщества макрозообентоса и биотическим индексам / Т. П. Липинская, И. Ю. Гигиняк // Вестник ВГУ. - 2011. - № 2(62). - С. 45-49.

13. Липинская, Т. П. Оценка экологического состояния рек разного порядка по структурнофункциональным показателям сообщества макрозообентоса (на примере бассейна р. Днепр, РБ) / Т. П. Липинская // Экология водных беспозвоночных : сб. материалов Междунар. конф., посвященной 100-летию со дня рождения Ф. Д. Мордухай-Болтовского, Борок, 30 окт. - 2 нояб. 2010 / Ин-т биологии внутр. вод им. И. Д. Папанин РАН / редкол.: А. В. Крылов [и др.]. - Ярославль : Принтхаус, 2010. - С. 182-184.

Summary

The community of macrozoobenthos in rivers of 2-4-th order of the Dnipro Basin in spring and autumn 2010 has been studied. The ecological water quality was defined by structural parameters of macrozoobenthos communities, biotic indices and reference sites. The water quality in sites in the spring was lower than in autumn. It is shown that the most adequate assessment of water quality according to hydrochemical and taxonomic data of the studied sites give a biotic index EPT, BMWP and IBGN. It is established that the river Usha and Gayna were the most ecologically undisturbed sites, which can be used as a reference to the rivers the 2-3rd order rivers and 4th order respectively.

Water quality assessment in the relation to the standard alignment, allows to characterize water quality of rivers more strictly in comparison with the system, based on biotic indices.

Поступила в редакцию 16.08.11.