CC BY
38УДК 504.05:556.53
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД РЕЧНОГО БАССЕЙНА С МАТЕМАТИЧЕСКИМ АНАЛИЗОМ (НА ПРИМЕРЕ РЕКИ ИЛЕ)
Ж.С. Мустафаев1 д.т.н., Л.М. Рыскулбекова1
1Казахский Национальный аграрный исследовательский университет, Алматы, Казахстан
E-mail: z-mustafa@rambler.ru
На основе структурного анализа комплексных гидрохимических индексов оценки загрязнения поверхностных вод, используемых в различных речных бассейнах, и законов лимитирующих факторов получена математическая модель в виде коэффициента предельно-допустимой загрязненности воды (K ), представляющей произведение коэффициента водности (Kb) и предельной загрязненности воды (K ). Результаты моделирования, вместе с индексом загрязненности воды (ИЗВ), использованы для геоэкологической оценки качества поверхностных вод бассейна реки Иле в пространственно-временном масштабе с учетом нормативных критериев предельно-допустимых концентраций загрязняющих веществ для водоемов рыбохозяйственного назначения, которые показали, что между коэффициентом предельно допустимой загрязненности воды (K ) и индексом загрязненности воды (ИЗВ) имеется ярко выраженная связь, которая описывается логарифмическим уравнением, и позволяющая использовать данные характеристики для оценки экологического состояния водных объектов. Оценка качества воды проведена для четырёх гидрологических створов водосборного бассейна реки Иле, которая показала, что загрязнение воды носит трансграничный характер, так как на гидрологическом посту Добын, расположенному на границах Республики Казахстан и Китайской Народной Республики, качество воды оценивается как «загрязненная», а от Капшагайского водохранилища до озера Балхаш -«умеренно загрязненная», где за счет самоочищающейся способности водной экосистемы и вод, поступающих от притоков, происходит некоторое улучшение качества воды.
Ключевые слова: бассейн реки, гидрохимические показатели, загрязнение, оценка качества воды, метод, анализ, свойства природных процессов
Поступила 26.10.21 DOI:10.54668/2789-6323-2021-103-4-6-19
ВВЕДЕНИЕ
Водосборная территория речных бассейнов представляет собой многокомпонентные геосистемы имеющие единство гидрогеохимических потоков, выполняющие важные средообразу-ющие и экологические функции и являющиеся пространственными базисами природопользования и природообустройства с разнообразными целями использования, в рамках которых открывается возможность комплексной оценки состояния водных объектов. Для осуществления
количественной и качественной оценки деятельности на водосборных территориях речных бассейнов с использованием разнообразных принципов и методов необходимы многолетние систематизированные объективные гидрологические, гидрогеохимические и хозяйственные информационно-аналитические материалы. При этом научная и практическая целесообразность этой проблемы определяется еще и тем, что от правильного выбранного принципа и метода во многом зависит обоснованность и достоверность прогнозов геоэкологического состояния
водосборных территорий речных бассейнов, которые требуют необходимости структурного анализа комплексных гидрохимических индексов оценки загрязнения поверхностных вод, на основе законов природы, принципов и свойств природных процессов. Решению этой задачи способствует система мониторинга, данные которого служат информационно-аналитической основой для принятия управленческих решений по водохозяйственной деятельности, управления качеством водных ресурсов, прогнозирования экологической состояния и оценки влияния на них антропогенной деятельности.
Объект исследования - водосборная территория бассейна реки Иле, являющейся основной водной артерией бассейна озера Балкаш. Река Иле берет начало на ледниках Музарт в Центральном Таниртау на горном хребте в Кыргызстане и частично Казахстане, ее истоком является река Текес, затем течет по территории КНР, где сливается с реками Кунес и Каш, затем снова входит в пределы Республики Казахстан и на 1001-м км впадает в озеро Балкаш. Общая длина реки составляет 1439 км, а в пределах Республики Казахстан - 815 км. Площадь водосборной территории бассейна реки Иле на территории Казахстана составляет 77400 км2, стокоформирующая часть бассейна расположена на территории Китайской Народной Республики (густота сети - от 0,6 до 3 км/км2) [3, 6].
Цель исследований - для повышения точности и надежности определения норматива предельно-допустимой концентрации загрязняющихся веществ в водотоках выполнена разработка их математических моделей, основанных на учете водности и законов нелинейности природных процессов и методов построения логистической регрессивной нелинейной системы уравнений на основе принципов природных
аналогий и интеграций знаний.
Необходимость постановки и решения данной задачи возникает в связи с тем, что практическая потребность оценки степени загрязнения водных ресурсов в условиях антропогенной деятельности обуславливает рассмотрение их уровня организации, как сложной динамической саморегулируемой системы.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
И
МАТЕРИАЛЫ
Программы мониторинга качества воды стали наиболее важными для разработки четкого понимания процессов качества воды для лиц, принимающих решения, для понимания, интерпретации и использования этой информации при разработке стратегий сохранения водных ресурсов в мире, что стало предпосылкой для совершенствования методики определения индекса загрязнения [14, 17], использования энтропии Шеннона [10, 15] в качестве инструмента для разработки энтропийно-взвешенного индекса качества воды (EWQI) [13]. Также показаны возможности широкого использования индекса качества воды (WQI) [12, 16], как метода оценки качества воды для различных речных бассейнах по всему миру.
Существует большое количество работ, среди которых одним из наиболее распространенных комплексных показателей качества воды является гидрохимический индекс загрязнения воды (ИЗВ) [4], в качестве интегральной характеристики загрязненности поверхностных вод используются классы качества воды, которые для поверхностных вод проводятся только по строго ограниченному количеству ингредиентов по формуле:
ЯЗВ--
6 ^
С,
/-6
где п - строго лимитируемое количество показателей (ингредиентов), берущихся для расчета, имеющих наибольшее значение, независимо от того, превышают они ПДК или нет, включая показатель растворенного кислорода БПК5. Для поверхностных вод суши п = 6; С. - концентрация /-го загрязняющего вещества в воде; ПДК-
, (1)
ПДК-6
предельно допустимая концентрация -го загрязняющего вещества.
Определение индекса загрязненности воды (ИЗВ*), которое осуществляют путем умножения коэффициента водности (К=Ол /О )
А А 4 ^факт ^ср.мн/
на рассчитанный индекс загрязненности воды ИЗВ), производится по следующей формуле [11]:
ИЗВ* = ИЗВ ■ К = -£
1 п С/ Оф акт — ^-.-
п / ПДК/ О,
(2)
ср.мн
где С. -фактическая концентрация /-го ингреди- (ПДК.) химического вещества в воде объек-ента; ПДК. - предельно-допустимая концентра- тов - это максимальная концентрация, которая
ция ингредиента, соответствующая назначению не оказывает прямого или опосредованного водного объекта; Офакт - фактический расход влияния на состояние здоровья настоящего и
ср.мн.
среднемноголетний расход последующего поколения при воздействии на
воды (м3/с); Q
воды (м3/с); - количество ингредиентов, по ко- организм человека в течение всей жизни и не
торым осуществлялся расчет. ухудшает гигиенические условия водопользо-
Предельно-допустимая концентрация вания [11]:
ПДК/ = Сф / Сп (3)
где Сп - предельно допустимая концентрация за- торый определяет наиболее ранний и вероятный
грязняющих веществ; Сф - фоновые концентра- характер неблагоприятного влияния в случае
ции химических веществ в водотоках. появления в воде химического вещества в кон-
Лимитирующий показатель вредности центрации, превышающей ПДК, то есть данное
(ЛПВ) - показатель, характеризующийся наи- положение математически может быть пред-
большей безвредной концентрацией в воде, ко- ставлено в следующем виде [8]:
n с, Е- '
/ пдк
где С - концентрация веществ в воде водоема, фактическая или расчетная (для проектируемых выпусков), мг/л; ПДК. - предельно-допустимая концентрация того же вещества, мг/л; N - общее число веществ одного ЛПВ, присутствующих в воде водоема.
Таким образом, все увеличивающиеся количество методов оценок качества поверхностных вод речных бассейнов, растущее разнообразие принципов и способов их построения требует всестороннего структурного и системного анализа на их соответствие законам природы и природных процессов.
Исследование основано на применении аппарата математического моделирования качества поверхностных вод, предусматривающего использование классических подходов (с ис-
-< 1,0
(4)
пользованием уравнения масса переноса и статистических методов обработки информации), и современного опыта создания и исследования моделей оценки качества поверхностных вод водных объектов.
При решении поставленных задач исследования использованы многолетние информационно-аналитические материалы «Ежегодные данные о качества поверхностных вод Республики Казахстан» республиканского государственного предприятия (РГП) «Казгидромет» и «Балкаш-Алакольской бассейновой инспекции по регулированию использования и охраны водных ресурсов» Комитета по водным ресурсам Министерства сельского хозяйства Республики Казахстан (табл. 1).
Таблица 1
Концентрации загрязняющих веществ в речной воде на водосборе бассейна реки Или в
пространственно-временном масштабе
Показатель Средние концентрации загрязняющих веществ за период, год
1995 2000 2005 2010 2015 2020
Река Иле - в створе гидропоста пристань Добын
Расход воды (О), м3/с 409 370 480 595 398 470
Взвешенные вещества, мг/л 751,6 123,3 49,2 88,56 117,9 132,1
Азот аммонийный ^И4), мг/л 0,100 0,11 0,060 0,063 0,060 0,064
Азот нитритный (N0^), мг/л 0,010 0,03 0,06 0,067 0,074 0,034
Азот нитратный (N0) мг/л 1,000 0,87 0,72 1,201 1,125 1,040
Нефтепродукты, мг/л 0,060 0,07 0,03 0,025 0,035 0,041
Хлориды (С/), мг/л 8,870 6,550 12,86 13,12 13,25 13,52
Сульфаты $04), мг/л 76,70 77,06 62,38 42,75 55,04 57,01
Железо общее мг/л 0,180 0,300 0,340 0,233 0,300 0,300
Показатель Средние концентрации загрязняющих веществ за период, год
1995 2000 2005 2010 2015 2020
Медь (Си), мг/л 3,33 14,52 7,10 7,278 7,360 7,520
Цинк ^п), мг/л 5,00 22,46 4,00 2,005 2,546 3,008
Река Иле - в створе гидропоста выше 164 км Капшагайской ГЭС
Расход воды (О), м3/с 454,0 433,0 521,0 750,0 447,0 388.0
Взвешенные вещества, мг/л - 120,6 69,0 - - -
Азот аммонийный ^Н4), мг/л 0,063 0,070 0,110 0,127 0,134 0,138
Азот нитритный (N0^, мг/л 0,011 0,03 0,02 0,020 0,025 0,030
Азот нитратный (N0^), мг/л 1,080 0,94 0,89 0,599 0,900 1,170
Нефтепродукты, мг/л 0,043 0,05 0,03 0,011 0,021 0,017
Хлориды (С/), мг/л 9,900 7,31 11,80 23,60 20,52 25,31
Сульфаты (504), мг/л 80,53 80,91 79,43 103,3 86,08 95,97
Железо общее (Ее), мг/л 0,084 0,14 0,14 0,074 0,130 0,140
Медь (Си), мг/л 1,449 6,32 8,08 7,78 6,950 5,913
Цинк ^п), мг/л 3,105 13,95 1,95 1,763 2,595 2,854
Река Иле - в створе гидропоста Капчагай 26 км ниже ГЭС
Расход воды (О), м3/с 451 526 533 718 362 572
Взвешенные вещества, мг/л 20,6 40,0 14,2 - - -
Азот аммонийный ^Н4), мг/л 0,05 0,08 0,09 0,009 0,140 0,270
Азот нитритный (N0^, мг/л 0,01 0,01 0,01 0,005 0,010 0,015
Азот нитратный (N0^), мг/л 0,56 0,81 2,14 0,573 1,146 1,490
Нефтепродукты, мг/л 0,150 0,050 0,020 0,009 0,014 0,020
Хлориды (С/), мг/л 35,03 5,65 70,31 87,88 96,67 104,4
Сульфаты (504), мг/л 98,34 78,0 70,28 79,42 88,94 93,18
Железо общее (Ее), мг/л 0,11 0,05 0,13 0,065 0,030 0,045
Медь (Си), мг/л 1,75 4,36 5,030 5,028 5,123 5,252
Цинк ^п), мг/л 3,63 8,11 3,19 2,468 3,208 3,401
Река Иле - в створе гидропоста - село Ушжарма
Расход воды (О), м3/с 451 552 539 598 493 472
Взвешенные вещества, мг/л 40,4 34,9 33,0 - - -
Азот аммонийный (КН4), мг/л 0,03 0,05 0,06 0,08 0,101 0,113
Азот нитритный (N0) мг/л 0,020 0,010 0,010 0,020 0,023 0,025
Азот нитратный (N0^), мг/л 0,460 0,850 0,670 0,824 0,865 0,952
Нефтепродукты, мг/л 0,17 0,07 0,02 0,007 0,030 0,060
Хлориды (С/), мг/л 30,28 8,26 12,21 18,32 21,37 24,42
Сульфаты (5"04), мг/л 88,84 78,02 82,13 87,73 86,24 90,34
Железо общее (Ее), мг/л 0,09 0,05 0,05 0,068 0,073 0,072
Медь (Си), мг/л 1,00 3,96 7,26 7,52 7,78 7,41
Цинк ^п), мг/л 6,67 14,15 1,95 1,933 2,050 2,071
Таким образом, при геоэкологической оценке качества поверхностных вод в водосборах бассейна реки Иле в качестве потенциально важных предикторов в базу данных включены азот аммонийный (МИ4), азот нитритный (N02), азот нитратный (N0), хлориды (С/), сульфаты (504), медь (Си), цинк (1п), железо общее (Ее), характеризующих качества поверхностных вод.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Закон лимитирующего (ограничивающего) фактора или закон минимума Либиха - один из фундаментальных законов в экологии, гласящий, что наиболее значим для организма тот фактор, который более всего отклоняется от оптимального его значения и позволяющий определить лимитирующий признак вредного
действия на организм человека качества воды в водосборах речного бассейна [7].
Нормирование веществ по лимитирующему признаку вредного действия на организма человека в условиях антропогенного загрязнения водных объектов можно определить по двум признакам, то есть по совокупности коэффициента водности Къ, как отношение фактического расхода воды (О., м3/с) к среднемноголет-
1
N
ИЗВ =— £
нему расходу воды (О м3/с) и коэффициента предельной загрязненности (К ) или индекса загрязненности воды (ИЗВ), который рассчитывается как сумма приведенных к ПДК. фактических значений основных показателей качества воды (С ).
Индекс загрязнения воды широко используется в мировой практике в качестве интегрального показателя качества воды [5]:
— (5)
N . ПДК. К '
загрязнения Кз (индекс загрязненности воды минус 1), который определяется как среднее по отдельным ( -м) рассматриваемым веществам, рассчитывают по следующему выражению [9]:
При этом, характеристику загрязненности, то есть коэффициента предельной загрязненности воды несколькими веществами (Ы) через показатель кратности сверхнормативного
N ( С. >
Кпзг -
1
- NТ
пдк
-1
1 N С
- — ■Т—— N , ПДК
-1 - ИЗВ -1
(6)
Соответственно закону лимитирующего загрязненности воды может быть выражен сле-фактора коэффициент предельно-допустимой дующей математической зависимостью:
Кпдзг - КЫ • Кпзг , 1 > КЪ > 0
1 > Кпзг > 0
(7)
При этом концентрация веществ в воде водоема или речных бассейнов прямо зависит от массы вещества (МВ), поступающей ежегодно в русла речных бассейнов и обратно от фактического расхода воды, и показывает, что между коэффициентом водности и коэффициентом предельно-допустимой загрязненности существует прямая линейная зависимость.
Водосборы речных бассейнов, как элементы геосистемы, обладают общесистемными свойствами. Нелинейность природных процессов, где трансформация и обмен энергий и веществом идет всегда с замедляющей скоростью, показывает, что интенсивность вредного действия на живой организм в условиях увеличения
антропогенного загрязнения водных объектов замедляется за счет адаптации, то есть степень вредного воздействия пропорциональна произведению концентрации вещества в воде речных бассейнов.
Построение любой модели в той или иной мере связано с упрощением действительности, что обусловливает наличие ограничений области ее применения и, в то же время, дает возможность получения достоверных результатов, то есть на основе этого допущения, изменение коэффициента предельной загрязненности воды, от приведенного индекса загрязненности воды приближенно описывается уравнением:
СК
П31
с1ИИЗ
Решение этого уравнения определяется выбором аналитического выражения к-(К), широко распространенного в практике гидрохимических расчетов, с учетом нелинейности
N
= к •(Кпз\)
(8)
природных процессов при оценке вредного воздействия качества воды на живой организм, которое описывается экспоненциальной функцией, имеющей следующий вид:
1 N
Кпзг =- Е[1" ехр (- ИЗВ)]
N
(9)
/=1
Таким образом, коэффициент предельно-допустимой загрязненности воды (К ) можно представить как произведение коэффициента
О,
водности (кЪ) и коэффициента предельной загрязненности воды (К ). Уравнение имеет следующий вид:
Kпдзi = Къ ■ Кга1 = \°Р\ -1 Е [1 - ехр (- ИЗВ)]
01 ) N
(10)
/=1
При этом, математическая модель для определения коэффициента предельно-допустимой загрязненности воды имеет ряд преимущества, то есть, во-первых, учитывает один из главных свойств геосистемы - нелинейность природных процессов, во-вторых, дает возможность оценки качества через показатель ИЗВ, в-третьих, имеет генетическое сходство с индексом Шеннона, который заимствован из теории информации и представляет собой параметр оценки сложности и содержания информации любых типов систем, в-четвертых, позволяет уточнить границу загрязнения предельно-допустимой концентрации загрязняющих веществ и, в-пятых, учитывает водность водосбора речных бассейнов.
ОБСУЖДЕНИЕ
На основе многолетних информационно-аналитических материалов, характеризующих формирования гидрохимического режима на водосборных территориях бассейна реки Иле в пространственно-временном масштабе, а также и с использованием индекса загрязненности
воды и коэффициента предельно-допустимой загрязненности воды выполнен сравнительный прогнозный расчет качества воды для оценки их надежности и генетического сходства (табл. 2).
При выполнении сравнительного прогнозного расчета для оценки качества воды по гидрохимическим показателям использованы количественные значения ПДК для рыбохозяй-ственной оценки поверхностных вод речных бассейнов [3].
Оценка качества воды проведена для четырёх гидрологических створов в водосборных бассейнах реки Иле показала, что загрязнение воды носит трансграничный характер, так как на гидрологическом посту Добын, расположенного на границе Республики Казахстан и Китайской Народной Республики качество воды относится к классу «загрязненная» (IV), а от Капшагайского водохранилища до озера Балкаш к классу «умеренно загрязненная» (III), где за счет самоочищающейся способности водной экосистемы и вод, поступающих с притоков, происходит некоторое улучшение качества воды.
Таблица 2
Оценка качества воды на водосборных территориях бассейна реки Иле по гидрохимическим показателям в пространственно-временном масштабе и с использованием индекса загрязненности воды и коэффициента предельно-допустимой загрязненности воды
Показатели ПДК Годы
1995 2000 2005 2010 2015 2019
Река Иле - в створе гидропоста - пристань Добын
Индекс загрязненности воды (ИЗВ)
Азот аммонийный ^Н4), мг/л 0,39 0,256 0,282 0,154 0,469 0,825 0,843
Азот нитритный (N0) мг/л 0,02 5,000 5,500 3,000 3,150 3,000 3,200
Азот нитратный (М0Д мг/л 9,00 0,111 0,097 0,080 0,133 0,125 0,116
Нефтепродукты, мг/л 0,05 1,200 1,400 0,600 0,050 0,700 0,820
Хлориды (С/), мг/л 300,0 0,030 0,022 0,043 0,043 0,044 0,045
Сульфаты (504), мг/л 100,0 0,767 0,771 0,624 0,428 0,550 0,570
Железо общее (Ее), мг/л 0,030 6,000 10,00 11,33 7,776 10,00 10,00
Медь (Си), мг/л 1,000 3,330 14,52 7,100 7,578 7,360 7,520
Цинк ^п), мг/л 10,00 0,500 2,246 0,400 0,200 0,254 0,301
ИЗВ 1,909 3,870 2,592 2,155 2,539 2,508
Класс качества воды III IV IV IV IV IV
Коэффициент предельно-допустимой загрязненности воды Кпдз.
Азот аммонийный ^Н4), мг/л 0,39 0,226 0,246 0,143 0,375 0,562 0,570
Азот нитритный (N0) мг/л 0,02 0,993 0,996 0,951 0,957 0,951 0,951
Азот нитратный (М0Д мг/л 9,00 0,106 0,093 0,073 0,125 0,118 0,110
Нефтепродукты, мг/л 0,05 0,699 0,754 0,451 0,049 0,504 0,560
Хлориды (С/), мг/л 300,0 0,026 0,022 0,042 0,043 0,043 0,044
Показатели ПДК Годы
1995 2000 2005 2010 2015 2019
Сульфаты $й4), мг/л 100,0 0,536 0,538 0,465 0,348 0,424 0,435
Железо общее ^е), мг/л 0,030 0,998 0,999 0,999 0,999 0,999 0,999
Медь (См), мг/л 1,000 0,964 0,999 0,999 0,999 0,999 0,999
Цинк (2п), мг/л 10,00 0,394 0,895 0,330 0,182 0,225 0,260
К ПЭ1 0,549 0,616 0,496 0,453 0,536 0,553
К л = К • К пдзг Ъ пзг 0,615 0,758 0,471 0,294 0,611 0,536
Река Иле - в створе гидропоста 164 км выше Капшагайской ГЭС
Индекс загрязненности воды (ИЗВ)
Азот аммонийный (МИ4), мг/л 0,39 0,161 0,179 0,282 0,325 0,343 0,353
Азот нитритный (N0) мг/л 0,02 0,550 1,500 1,000 1,000 1,250 1,500
Азот нитратный (М03), мг/л 9,00 0,120 0,104 0,098 0,067 0,100 0,119
Нефтепродукты, мг/л 0,05 0,860 1,000 0,600 0,220 0,420 0,340
Хлориды (С/), мг/л 300,0 0,034 0,024 0,039 0,079 0,068 0,084
Сульфаты $04), мг/л 100,0 0,805 0,081 0,793 1,033 0,861 0,960
Железо общее (Fe), мг/л 0,030 2,800 4,666 4,666 2,466 4,333 4,666
Медь (См), мг/л 1,000 1,449 6,320 8,080 7,780 6,950 5,913
Цинк ^п), мг/л 10,00 0,311 1,395 0,195 0,176 0,259 0,284
ИЗВ 0,788 1,696 1,750 1,460 1,620 1,580
Класс качества воды II III III III III III
Коэффициент предельно-допустимой загрязненности воды КпМ
Азот аммонийный ^И) мг/л 0,39 0,149 0,164 0,246 0,278 0,291 0,297
Азот нитритный (N0^), мг/л 0,02 0,424 0,777 0,632 0,632 0,714 0,777
Азот нитратный (М03), мг/л 9,00 0,113 0,099 0,093 0,065 0,095 0,112
Нефтепродукты, мг/л 0,05 0,004 0,632 0,451 0,197 0,343 0,288
Хлориды (С/), мг/л 300,0 0,553 0,024 0,038 0,076 0,066 0,081
Сульфаты $04), мг/л 100,0 0,939 0,078 0,548 0,644 0,577 0,617
Железо общее (Fe), мг/л 0,030 0,766 0,991 0,991 0,915 0,987 0,991
Медь (См), мг/л 1,000 0,267 0,998 0,999 0,999 0,999 0,997
Цинк ^п), мг/л 10,00 0,646 0,752 0,177 0,161 0,228 0,248
К . пзг 0,418 0,501 0,464 0,443 0,478 0,490
К л = К • К . пдз! Ъ пз1 0,459 0,576 0,445 0,294 0,535 0,632
Река Иле - в створе гидропоста Капчагай 26 км ниже ГЭС
Индекс загрязненности воды (ИЗВ)
Азот аммонийный ^И) мг/л 0,39 0,128 0,205 0,231 0,231 0,359 0,690
Азот нитритный (N0^), мг/л 0,02 0,500 0,500 0,500 0,250 0,500 0,750
Азот нитратный (N0^), мг/л 9,00 0,062 0,090 0,238 0,064 0,127 0,166
Нефтепродукты, мг/л 0,050 3,000 1,000 0,400 0,180 0,280 0,400
Хлориды (С/), мг/л 300,0 0,117 0,019 0,234 0,293 0,322 0,348
Сульфаты $04), мг/л 100,0 0,983 0,780 0,703 0,794 0,879 0,932
Железо общее ^е), мг/л 0,030 3,667 1,167 4,333 2,166 1,000 1,500
Медь (См), мг/л 1,000 1,750 4,360 5,030 5,028 5,123 5,252
Цинк ^п), мг/л 10,00 0,363 0,811 0,319 0,247 0,321 0,340
ИЗВ 1,174 0,992 1,332 1,139 0,990 1,153
Класс качества воды III III III III III III
Коэффициент предельно-допустимой загрязненности воды Кпдз.
Азот аммонийный ^И) мг/л 0,39 0,120 0,196 0,206 0,206 0,302 0,498
Показатели ПДК Годы
1995 2000 2005 2010 2015 2019
Азот нитритный (NO) мг/л 0,02 0,394 0,394 0,394 0,220 0,394 0,528
Азот нитратный (NO3), мг/л 9,00 0,060 0,086 0,212 0,062 0,119 0,153
Нефтепродукты, мг/л 0,05 0,950 0,632 0,330 0,165 0,244 0,330
Хлориды (Cl), мг/л 300,0 0,011 0,019 0,209 0,254 0,276 0,393
Сульфаты (SO4), мг/л 100,0 0,626 0,542 0,515 0,548 0,585 0,606
Железо общее (Fe), мг/л 0,030 0,974 0,689 0,987 0,885 0,632 0,770
Медь (См), мг/л 1,000 0,826 0,987 0,993 0,994 0,994 0,995
Цинк (Zw), мг/л 10,00 0,304 0,556 0,273 0,219 0,275 0,288
К пзг 0,485 0,455 0,457 0,395 0,425 0,496
кЛ = К • к пдзг b пзг 0,567 0,455 0,452 0,288 0,621 0,456
Река Иле - в створе гидропоста село Ушжарма
Индекс загрязненности воды (ИЗВ)
Азот аммонийный (NH4), мг/л 0,39 0,077 0,128 0,153 0,205 0,259 0,289
Азот нитритный (NO2), мг/л 0,02 1,000 0,500 0,500 1,000 1,150 1,250
Азот нитратный (NO3), мг/л 9,00 0,051 0,094 0,074 0,091 0,096 0,105
Нефтепродукты, мг/л 0,05 3,400 1,400 0,400 0,140 0,600 1,200
Хлориды (Cl), мг/л 300,0 0,101 0,027 0,041 0,061 0,071 0,081
Сульфаты (SO4), мг/л 100,0 0,888 0,780 0,821 0,877 0,862 0,903
Железо общее (Fe), мг/л 0,030 3,000 1,667 1,667 2,267 2,433 2,400
Медь (См), мг/л 1,000 1,000 3,960 7,260 7,520 7,780 7,410
Цинк (Zw), мг/л 10,00 0,667 1,415 0,195 0,193 0,345 0,407
ИЗВ 1,208 1,108 1,235 1,372 1,510 1,560
Класс качества воды III III III III III III
Коэффициент предельно-допустимой загрязненности воды Кпдзг
Азот аммонийный (NH4), мг/л 0,39 0,074 0,120 0,142 0,286 0,229 0,251
Азот нитритный (NO2), мг/л 0,02 0,632 0,394 0,394 0,632 0,683 0,713
Азот нитратный (NO3), мг/л 9,00 0,050 0,090 0,071 0,087 0,092 0,100
Нефтепродукты, мг/л 0,05 0,967 0,754 0,330 0,131 0,451 0,699
Хлориды (Cl), мг/л 300,0 0,096 0,027 0,040 0,060 0,069 0,078
Сульфаты (SO4), мг/л 100,0 0,589 0,542 0,560 0,584 0,578 0,595
Железо общее (Fe), мг/л 0,030 0,350 0,811 0,811 0,896 0,912 0,909
Медь (См), мг/л 1,000 0,632 0,981 0,911 0,999 0,999 0,999
Цинк (Zw), мг/л 10,00 0,487 0,757 0,757 0,176 0,292 0,335
К . пзг 0,431 0,496 0,454 0,417 0,479 0,520
к, = К • к . пдзг b пзг 0,461 0,436 0,409 0,338 0,469 0,536
В пределах водосборных территорий бассейна реки Иле, то есть выше и ниже Капшагайского водохранилища наблюдаются некоторые улучшения качества воды, которые объясняются более интенсивной биомиграцией аммонийного и нитритного азота, железа и цинка в условиях активных продукционных процессов. При этом, в самом нижнем гидрологическом створе Ушжарма наблюдается увеличение концентрации органических веществ и тяжелых
Кпдзг = 0,1283 • ЩИЗ1
металлов, где потенциальными источниками техногенного загрязнения являются сточные воды промышленных и коммунально-бытовых объектов.
Как видно из данных в табл. 2 и рис. 1 коэффициент предельно-допустимой загрязненности воды имеет ярко выраженную связь с индексом загрязненности воды, которая описывается логарифмическим уравнением, имеющего следующий вид:
+ 064161, г = 0,811 (11)
к
т » л
я- -
та" и.н 1 + МН .■5Я. 1
О I Ц! 3 1! 3 1! ^ 4.!
Рис. 1. График зависимости коэффициента предельно-допустимого загрязнения (ордината) от индекса
качества воды (абсцисса).
Таким образом, достаточно высокий коэф- стояния водных объектов и через индекс загряз-фициент корреляции между коэффициентом ненности воды, связанный с индексом Шеннона предельно-допустимой загрязненности воды и (Н), характеризовать видовое разнообразие со-индексом загрязненности воды позволяет ис- обществ зоопланктона и зообентоса [10, 15] пользовать его для оценки экологического со- (табл. 3 и рис. 2).
Таблица 3
Классификация качества воды и состояния водных ресурсов по гидрохимическим и
гидробиологическим показателям
Показатель Класс качества воды
I II III IV V VI
ИЗВ <0,20 0,20...1,00 1,00...2,00 2,00...4,00 4,00...6,00 >6,00
позг <0,10 0,10...0,40 0,40...0,50 0,50...0,60 0,60...0,65 >0,65
Н 3,06...2,30 2,30...1,89 1,89...1,52 1,52. .1,25 1,25.1,11
Качества воды очень чистая чистая умеренно загрязнен- загрязненная грязная очень грязная
ная
Трофность олиготрофная мезотрофная эвтрофная Гипертрофная
Связи между отдельными следовательно, оценка ее состояния разными
гидрохимическими и гидробиологическими показателями дает одни и те же результаты,
показателями известны и очевидны [1, 2, 5, только изменяются количественные параметры,
9], так как они имеют генетические сходства и определяющие границы перехода одного
характеризуют конкретную водную экосистему, состояния в другой.
]
\ ! АЯМЪг К*
\
\
\ ч
V
) Л' ГТ X
1
о V 1 ц г. 1 л?
Рис. 2. График зависимости индекса загрязненности воды (1) и коэффициента предельно-допустимого загрязнения (2) (ордината) от индекса Шеннона (абсцисса).
Для выявления связи между индексом Шен- который показал, что между ними имеется экс-
нона и индексом загрязненности воды и коэф- поненциальная зависимость с высоким коэффи-
фициентом предельно-допустимой загрязненно- циентом корреляции, описывающаяся следую-
сти воды построен совместный график (рис. 2), щими уравнениями:
ИЗВ = 48,649 • exp (-1,74 • Н), г = 0,9934 (12)
Кпдз! = 2,0822 • exp (- 0,885 • Н), г = 0,9223 (13)
Для оценки экологического состояния загрязненности воды (рис. 3), а также от
водной экосистемы, которая определяется на коэффициента предельно-допустимого
основе индекса Шеннона, представляющего загрязнения (рис. 4), которые показывают,
собой параметр оценки видового разнообразия, что между ними имеется экспоненциальная
необходимо было построить график связи зависимость с высоким коэффициентом
зависимости индекса Шеннона от индекса корреляции:
Н = 2,8558 • exp (- 0,163 • ИЗВ), г = 0,9846 (14)
Н = 4,0722 • exp (-1,818 • Кпдз/), г = 0,9457
(15)
На основе проведения комплексной оцен- зволил разработать математическую модель для
ки современного экологического состояния во- расчета коэффициента предельно-допустимого
досбора бассейна реки Иле (табл. 2) разработан загрязнения и оценки качества по индексам за-
методологический подход с учетом водности и грязненности воды и Шеннона (рис. 2), имею-
закона лимитирующего фактора, который по- щих генетические и структурные сходства.
з ?
1.5 1
0 113 4 5 6?
Рис. 3. График зависимости индекса Шеннона (ордината) от индекса загрязненности воды (абсцисса).
•
1 1
У
» »
[} М 0.1 ОД 11.4. 0,Г| с.т
Рис. 4. График зависимости индекса Шеннона (ордината) от коэффициента предельно-допустимого
загрязнения (абсцисса).
Таким образом, оценка условий формирования качества воды и специфика химического свойства воды на водосборных территориях бассейна реки Иле позволили их типизировать на неравнозначные два водохозяйственных участка, то есть от зоны формирования стока до водохранилища Капшагай, где загрязнение речных вод носит трансграничный характер и от водохранилища Капшагай до озера Балкаш, где за счет антропогенных нагрузок промышленных и сельскохозяйственных объектов происходит некоторое улучшение качества воды, которое проявляется на основе самоочищающейся способности водной экосистемы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Оценка качества воды проведена на основе информационно-аналитических материалов РГП «Казгидромет», охватывающих 1995...2019 годы по четырем гидрологическим створам водосборного бассейна реки Иле, а именно гидрологический пост Добын, расположенный на границе Республики Казахстан и Китайской Народной Республики, гидрологические посты, расположенные на 164 км выше и 26 км ниже Капшагайского водохранилища и гидрологический пост Ушжарма (зоны магазини-рования стока). Она показала, что от зоны формирования стока до водохранилища Капшагай загрязнение речных вод носит трансграничный характер и относится к классу «загрязненной» (IV), а от водохранилища Капшагай до озера Балкаш происходит за счет антропогенных нагрузок промышленных и сельскохозяйственных объектов, где качество воды оценивается «умеренно загрязненная» (III), то есть некоторое улучшение качества воды проявляется на основе самоочищающейся способности водной экосистемы.
На основе проведения комплексной оценки современного экологического состояния водосбора бассейна реки Иле (табл. 2) и структурного анализа методов оценки качества воды разработана математическая модель коэффициента предельно-допустимого загрязнения с учетом водности речных бассейнов и закона лимитирующего фактора, то есть с двумя признаками по совокупности коэффициента водности, как отношение фактического расхода воды к сред-немноголетнему расходу воды и коэффициента
предельной загрязненности или индекса загрязненности воды, как сумма приведенных к ПДК. фактических значений основных показателей качества воды (С), которые описываются экспоненциальной функцией. Дана сравнительная оценка их с индексом загрязненности воды и Шеннона, которая показала, что они имеют генетические и структурные сходства, что позволяет использовать их для оценки экологического состояния водных объектов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алимов А.Ф. Основные положения теории функционирования водных экосистем // Гидробиологический журнал, 1990. - Том 26. -№6. - С. 3-12.
2. Булгаков Н.Г., Дубинина В.Г., Левич А.П., Терехин А.Т. Метод поиска сопряженностей между гидробиологическими показателями и абиотическими факторами среды // Известия РАН, серия биологическая, 1995. - Вып. 2. -С. 218-225.
3. Бурлибаев М.Ж., Амиргалиев Н.А., Шенбергер И.В., Сокольский В.А., Бурлибаева Д.М., Уваров Д.В., Смирнова Д.А., Ефименко А.В., Милюков Д.Ю. Проблемы загрязнения основных трансграничных рек Казахстана. -Алматы: Издательство «^анагат», 2014. - Том 1.
- 744 с.
4. Временные методические указания по комплексной оценке качества поверхностных и морских вод по гидрохимическим показателям.
- Москва: Госкомгидромета, 1986. - 6 с.
5. Методические рекомендации по формализованной комплексной оценке качества поверхностных и морских вод по гидрохимическим показателям. - Москва: Госкомгидромета, 1988. - 6 с.
6. Мустафаев Ж.С., Козыкеева А.Т., Рыскулбеков Л.М. Пространственно-временная изменчивость стока реки Иле в условиях антропогенной деятельности // Гидрометеорология и экология. - 2021. - №1. -С. 88-99.
7. Попов В.А. Математическое выражение закона лимитирующего фактора и его приложение к задачам мелиоративного земледелия // Мелиорация и водное хозяйство. - 1997. - №2.
- С. 30-34.
8. Родзиллер И.Д. Прогноз качества воды
водоемов-приемников сточных вод. - М.: Строй-издат,1984. - 263 с.
9. Шабанов В.В., Маркин В.Н. Метод оценки качества вод и состояния водных экосистем.
- М: МГУП, 2009. - 154 с.
10. Шеннон К. Математическая теория связи / Работы по теории информации и кибернетике.
- М.: Ин. литер., 1963. - С. 243-332.
11. Шлычков А.П., Жданова Г.Н., Яковлева О.Г. Использование коэффициента стока загрязняющих веществ для оценки состояния рек // Мониторинг. - 1996. - №2. -С. 23-27.
12. Godwin Asibor, Oborakpororo Ofuya. Surface Water Quality Assessment of Warri Metropolis Using Water Quality Index// International Letters of Natural Sciences. - 2019 -March (Volume 74). - P. 45-52.
13. Kunwar Raghvendra Singh, Rahul Dutta, Aiav S. Kalamdhad, Bimlesh Kumar. Information entropyas a tool in surface water quality assessment // Environmental Earth Sciences. - 2019. - January Volume 78(1). - P. 1-12.
14. Nicb N., Perjoiu M. The surface water quality assessment//Environmental engineering and management journal - 2004. - September 3(3). -P. 477-488.
15. Shannon С.В., Weaver W. The Mathematical Theory of Communication. - Urbana (Illinois): Univ. of Illinois Press, 1963. - 345 р.
16. SipraMallick, F. Baliarsingh. Surface Water Quality Assessment and Prediction Modelling of Kathajodi River//International Journal of Emerging Research in Management & Technology. - 2017, August. (Volume-6). - P. 447-457.
17. Tirupathi Chanapathi, Thhatikkonda Shashidhar. Fuzzy-Based Regional Water Quality Index for Surface Water Quality Assessment // Journal of Hazardous, Toxic, and Radioactive Waste. - 2019. - May,Vol.23. - Issue 4.
REFERENCES
1. Alimov A.F. Osnovnye polozheniya teorii funktsionirovaniya vodnykh ekosistem // Gidrobiologicheskii zhurnal, 1990. - Tom 26. -№6. - S. 3-12.
2. Bulgakov N.G., Dubinina V.G., Levich A.P., Terekhin A.T. Metod poiska sopryazhennostei mezhdu gidrobiologicheskimi pokazatelyami i abioticheskimi faktorami sredy // Izvestiya RAN,
seriya biologicheskaya, 1995. - Vyp. 2. - S. 218225.
3. Burlibaev M.Zh., Amirgaliev N.A., Shenberger I.V., Sokol'skii V.A., Burlibaeva D.M., Uvarov D.V., Smirnova D.A., Efimenko A.V., Milyukov D.Yu. Problemy zagryazneniya osnovnykh transgranichnykh rek Kazakhstana. -Almaty: Izdatel'stvo «^anarat», 2014. - Tom 1. -744 s.
4. Vremennye metodicheskie ukazaniya po kompleksnoi otsenke kachestva poverkhnostnykh i morskikh vod po gidrokhimicheskim pokazatelyam.
- Moskva: Goskomgidrometa, 1986. - 6 s.
5. Metodicheskie rekomendatsii po formalizovannoi kompleksnoi otsenke kachestva poverkhnostnykh i morskikh vod po gidrokhimicheskim pokazatelyam. - Moskva: Goskomgidrometa, 1988. - 6 s.
6. Mustafaev Zh.S., Kozykeeva A.T., Ryskulbekov L.M. Prostranstvenno-vremennaya izmenchivost' stoka reki Ile v usloviyakh antropogennoi deyatel'nosti // Gidrometeorologiya i ekologiya. - 2021. - №1. - S. 88-99.
7. Popov VA. Matematicheskoe vyrazhenie zakona limitiruyushchego faktora i ego prilozhenie k zadacham meliorativnogo zemledeliya // Melioratsiya i vodnoe khozyaistvo. - 1997. - №2.
- S. 30-34.
8. Rodziller I.D. Prognoz kachestva vody vodoemov-priemnikov stochnykh vod. - M.: Stroiizdat,1984. - 263 s.
9. Shabanov V.V., Markin V.N. Metod otsenki kachestva vod i sostoyaniya vodnykh ekosistem. -M: MGUP, 2009. - 154 s.
10. Shennon K. Matematicheskaya teoriya svyazi / Raboty po teorii informatsii i kibernetike. -M.: In. liter., 1963. - S. 243-332.
11. Shlychkov A.P., Zhdanova G.N., Yakovleva O.G. Ispol'zovanie koeffitsienta stoka zagryaznyayushchikh veshchestv dlya otsenki sostoyaniya rek // Monitoring. - 1996. - №2. -S. 23-27.
12. Godwin Asibor, Oborakpororo Ofuya. Surface Water Quality Assessment of Warri Metropolis Using Water Quality Index// International Letters of Natural Sciences. - 2019 -March (Volume 74). - P. 45-52.
13. Kunwar Raghvendra Singh, Rahul Dutta, Aiav S. Kalamdhad, Bimlesh Kumar. Information entropyas a tool in surface water quality assessment // Environmental Earth Sciences. - 2019. - January
Volume 78(1). - P. 1-12.
14. Nicb N., Perjoiu M. The surface water quality assessment//Environmental engineering and management journal - 2004. - September 3(3). -P. 477-488.
15. Shannon S.V., Weaver W The Mathematical Theory of Communication. - Urbana (Illinois): Univ. of Illinois Press, 1963. - 345 r.
16. SipraMallick, F. Baliarsingh. Surface Water
Quality Assessment and Prediction Modelling of Kathajodi River//International Journal of Emerging Research in Management & Technology. - 2017, August. (Volume-6). - P. 447-457.
17. Tirupathi Chanapathi, Thhatikkonda Shashidhar. Fuzzy-Based Regional Water Quality Index for Surface Water Quality Assessment // Journal of Hazardous, Toxic, and Radioactive Waste. - 2019. - May,Vol.23. - Issue 4.
ЭЗЕН АЛАБЫНЫН, ЖЕР БЕТ1 СУЫНЫН, САПАСЫН МАТЕМАТИКАЛЫЦ ТАЛДАУ АРЦЫЛЫ ГЕОЭКОЛОГИЯЛЫЦ ТYРFЫДА БАFАЛАУ (1ЛЕ ЭЗЕННЩ Т¥РFЫСЫНДА)
Ж.С. М^стафаев1 техника Fыльшдарыныц докторы, Л.М. Рыск^лбекова1
'Казац Улттыц аграрлъщ зерттеу университет1, Алматы, Казацстан
E-mail: z-mustafa@rambler.ru
0pTYpni езеннщ алабында жер 6eTÍ суыныц ластануын 6aFanayFa пайдаланатын кешендi гидрохимиялык белгiге курылымдык талдауды жYpгiзудiц жэне дэлелдемелеpдi шектеу зацдылы^ыныц жэне судыц ластану белпсшщ (ИЗВ) негiзiнде, табиFат зацдарына, таботи жYpгiлеpдiц каFидасына мен касиеттеpiне баFынатын, судыц ластануыныц шектелген-мYмкiншiлiк керсетюшшщ (K), судыц мелшершщ катынастык керсетк^ (Kb) мен судыц ластануыныц шектелген кеpсеткiшiнiц (K ) кебейтiндiсi TYpiнде карастыратын математикалык модель курылды жэне оны 1ле езенiнiц алабындаFы жер бет суларыныц сапасын кещслк-уакыт масштабында, су айдыццаpындаFы балык шаpуашылыFына аpналFан ластаушы заттардыц койыpтпаFыныц шектелген-мYмкiншiлiк сынактык мелшерш пайдалану аркылы баFалаудыц нэтижесi керсеткендей, судыц ластануыныц шектелген-мYмкiншiлiк керсетк^ (Кп3) мен судыц ластану белпсшщ (ИЗВ) арасында логарифмдж тецдеумен сипаталатын айкын байланыс бар екецщгш керсеткецщктен, оны су нысандарыныц экологиялык жаFдайын баFалауFа пайдалануFа болады. 1ле езенiнiц алабыныц суыныц сапасын баFалау терт гидрологиялык бекеттер бойынша жYpгiзiлдi жэне оныц нэтижесi керсеткендей, сулыц ластануы трансшекаралык сипата болады, ейткет Казакстан Республикасы мен Кытай Халык Республикасыныц шекарасында орналаскан Добын гидрологиялык бекетiнiц тусында судыц сапасы «ластаетан», ал КапшаFай су коймасынан Балхаш келiне дейiн «орташа ластаетан», яFни су экожYЙесiнiц жэне салаларынан келетiн сулаpцьIц езiн-езi тазарту кабшетшщ аркасында, бул аралыкта судыц сапасыныц бipаз жаксару байкалады.
ТYЙiн сездер: езен алабы, гидрохимиялык кеpсеткiштеp, ластану, судыц сапасын багалау, эдiстеме, талдау, табиги жYpгiлеpдiц касиет
GEOECOLOGICAL ASSESSMENT OF SURFACE WATER OF A RIVER BASIN WITH MATHEMATICAL ANALYSIS (ON THE EXAMPLE OF THE ILE RIVER)
Zh.S. Mustafayev1 Doctor of Technical Sciences, L.M. Ryskulbekova1
1Kazakh National Agrarian Research University, Almaty, Kazakhstan
E-mail: z-mustafa@rambler.ru
Based on the structural analysis of complex hydrochemical indices for assessing surface water pollution used in various river basins, and the laws of limiting factors, a mathematical model was obtained in the form of the maximum permissible water pollution coefficient (K), representing the product of the water content coefficient (Kb) and the maximum water pollution (K), by based on the laws of nature, principles and properties of natural processes in, together with the water pollution index (M3B), are used for the geoecological assessment of the surface water quality of the Ile River basin on a spatial-temporal scale, taking into account the regulatory criteria for maximum permissible concentrations of pollutants for fishery water bodies, that between the coefficient of the maximum permissible water pollution (Kndi) and the water pollution index (M3B) there is a pronounced relationship, described by a logarithmic equation, allowing them to be used to assess the ecological state water bodies. Water quality assessment was carried out for four hydrological sections of the Ile River catchment basin, which showed that water pollution is of a transboundary nature, since at the Dobyn hydrological station, located on the borders of the Republic of Kazakhstan and the People's Republic of China, the water quality is «polluted», and from the Kapshagai reservoir to Lake Balkhash «moderately polluted», where due to the self-cleaning ability of the aquatic ecosystem and the waters coming from the tributaries, there is some improvement in water quality.
Keywords: river basin, hydrochemical indicators, pollution, water quality assessment, method, analysis, properties of natural processes
