CC BY
381
УДК 577.472 (28)
ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ПО ГИДРОХИМИЧЕСКИМ И ГИДРОБИОЛОГИЧЕСКИМ
ПОКАЗАТЕЛЯМ
© 2002 Д.Б. Гелашвили1 , Т.Д. Зинченко2, Л. А. Выхристюк2, А. А. Карандашова1
1 Нижегородский государственный университет 2 Институт экологии Волжского бассейна РАН, г. Тольятти
В работе получили развитие методические принципы конструирования обобщенных критериев оценки экологического состояния водных объектов, предложенные ранее [1].
Разработка научно-обоснованных критериев оценки экокризисности пресноводных экосистем, находящихся под антропогенным воздействием различной природы становится все более актуальной и чрезвычайно сложной задачей. Необходима методология построения обобщенных критериев как для контроля "критичности" антропогенной нагрузки так и для оценки степени трансформации экосистемы.
Для практической оценки экологического состояния водных объектов рационален, на наш взгляд, путь комплексирования тем или иным способом параметров функционирования экосистемы в один или несколько индексов, играющих роль интегрального критерия.
Принципы конструирования интегрального индекса экологического состояния (ИИЭС) водотоков, разработаны нами ранее [1] при исследованиях экосистемы одной из самых загрязненных рек Волжского бассейна р.Чапаевка (Самарская область). Для расчета индекса использованы наиболее информативные и широко используемые в практике гидрохимические (органическое вещество, минеральные формы азоты, фосфаты, летучие фенолы) и гидробиологические (численность
и биомасса макрозообентоса, число видов, видовое разнообразие, биотический и оли-гохетный индексы) показатели.
С целью уточнения и детализации предложенного индекса (ИИЭС), который представляет собой комбинацию двух составляющих, характеризующих качество воды в водотоке по гидрохимическим показателям (ИХС) и по биологическим параметрам (на примере сообществ зообентоса) (ИБС), внесены некоторые дополнения:
• Предлагается для установления непрерывности шкалы оценки качества состояния экосистемы, каждый из принятых нами [1] четырех измеряемых или рассчитываемых показателей, именуемых диапазоном или балльным классом Д - от 1 до 4), дополнительно разделить на три разряда (табл.1).
• Разряды характеризуются весовым коэффициентом (а), таким, что значения аБ1 правого разряда предшествующего диапазона должно быть меньше соответствующего значения левого разряды последующего диапазона:
ai Д 1<аБ1 .
1-1 1-1 1 1
Центральный разряд каждого диапазона (балльного класса) имеет а=1, тогда средне-
Таблица 1. Градации балльной оценки и весовые коэффициенты биотических и абиотических факторов
Баллы, Б1 1 2 3 4
Весовые коэффициенты^ 0,7 1,0 1,3 0,7 1,0 1,3 0,9 1,0 1,1 0,9 1,0 1,1
а1Б1 0,7 1,0 1,3 1,4 2,0 2,6 2,7 3,0 3,3 3,6 4,0 4,4
Таблица 2. Градации балльной оценки биологических показателей для вычисления экологического состояния водного объекта
Баллы В1 1 2 3 4
Весовые коэффициенты, а1 0,7 1,0 1,3 0,7 1,0 1,3 0,9 1,0 1,1 0,9 1,0 1,1
Численность, экз./м2 , N 0- 165 166- 330 331- 500 501- 665 666- 830 831- 1000 1001- 4000 4001- 7000 7001- 10000 10001- 15000 15001- 20000 >20000
Биомасса, г./м2 , Б 0,00- 1,50 1,51- 3,00 3,01- 5,00 5,01- 6,50 6,51- 8,00 8,01- 10,0 10,01- 11,50 11,51- 13,50 13,51- 15,00 15,01- 18,00 18,01- 21,00 >21,00
Количество видов, п 0-2 3-4 5 6-7 8-9 10 11-12 13-14 15 16 17-18 >19
Индекс видового разнообразия Шеннона, бит/экз., Н 0- 0,40 0,41- 0,70 0,71- 1,00 1,01- 1,40 1,41- 1,70 1,71- 2,00 2,01- 2,40 2,41- 2,70 2,71- 3,00 3,01- 3,40 3,41- 3,70 >3,70
Биотический индекс Вудивисса, V 0 1 2 3 - 4 5 - 6 7 8 9
Индекс Пареле, Э 0,93- 1,00 0,86- 0,92 0,81- 0,85 0,73- 0,80 0,65- 0,72 0,57- 0,64 0,56- 0,49 0,48- 0,40 0,39- 0,31 0,30- 0,21 0,20- 0,11 <0,1
Таблица 3. Градации балльной оценки химических показателей для вычисления химического состояния водного объекта
Баллы В1 1 2 3 4
Весовые Коэффициенты, а1 0,7 1,0 1,3 0,7 1,0 1,3 0,9 1,0 1,0 0,9 1,0 1,1
Химическое потребление кислорода, ХПК >100 99-80 79-60 59-50 49-40 39-30 29-27 26-24 23-20 19-12 11-8 7-0
Азот аммонийный, N-^4 >4,00 3,99- 3,00 2,99- 2,50 2,49- 1,85 1,84- 1,20 1,19- 0,51 0,50- 0,41 0,40- 0,31 0,30- 0,21 0,20- 0,13 0,12- 0,06 0,05- 0,00
Азот нитратный, N-N03 >4,00 3,99- 3,00 2,99- 2,50 2,49- 1,90 1,89- 1,30 1,29- 0,70 0,69- 0,57 0,56- 0,44 0,43- 0,30 0,29- 0,20 0,19- 0,10 0,10- 0,00
Азот нитритный, N-N02 >0,30 0,30- 0,20 0,19- 0,10 0,099- 0,007 0,069- 0,040 0,039- 0,002 0,019- 0,015 0,014- 0,011 0,010- 0,005 0,0049 -0,003 0,0029 -0,001 0,001 0,000
Фосфаты, Р-РО4 >0,61 0,60- 0,41 0,40- 0,31 0,30- 0,21 0,20- 0,15 0,14- 0,11 0,100- 0,081 0,080- 0,061 0,060- 0,031 0,030- 0,021 0,020- 0,011 <0,01 1
Фенолы 20-17 16-13 12-10 9-7 6-4 3-1 - следы - - 0 -
взвешенное значение разряда совпадает с ве- В этом случае предложенная ранее [1]
личиной его балльной оценки (табл.1). формула определения интегрального индек-
са экологического состояния (ИИЭС) водного объекта
ИИЭС = (Ш+Ш) / Х( N + ^) будет иметь вид
ИИЭС = ХaBi + ХаН /Ха .
1 1 1 1 1
Расчет индексов экологического состояния по гидрохимическим (ИХС) и биологическим (ИБС) показателям производится по:
Ё а1В1(Иг)
ИБС (ИХС) = ^-п--------.
Ё а
I = 1
То есть, для более точного ранжирования уровня антропогенной нагрузки предлагается рассчитывать значения ИБС и ИХС не как среднеарифметическую , а как средневзвешенную величину (табл.2, 3).
Результаты расчетов индексов экологи-
ческого состояния р.Чапаевка с учетом детального ранжирования и весовых коэффициентов представлены в таблицах 4-6.
Апробация предложенного метода оценки состояния водных экосистем проведена в 2000г. на малых реках Верхней Волги (табл.7). Исследуемые реки, протекающие в пределах урбанизированной территории г. Нижний Новгород, испытывают значительный антропогенный пресс; ряд рек принимают сточные воды промышленных предприятий, объемом 3503,1тыс. м3/год. Комплексные исследования на реках проведены с использованием общепринятых методик гидрохимических и гидробиологических анализов, которые были использованы на р.Чапаевка [1, 2].
Качество воды рек по гидрохимическим параметрам оценивается V - VI классами, т.е. вода "грязная" и "очень грязная". По данным биологического анализа получены аналогичные результаты [3, 4]. Расчеты интегрально-
Таблица 4. Интегральная оценка экологического состояния водоема по гидрохимическим показателям на примере р. Чапаевка (а по [1], б-с учетом а.)
Показа- тели Участок реки
Ст. 1 Ст. 2 Ст. 3 Ст. 4 Ст. 5 Ст.6
а б а б А б а б а б а Б
ХПК 2 2 2 2,6 2 2,6 1 0,7 1 1,0 2 1,4
Азот аммо- нийный, №ЫН4 3 3,3 4 3,6 2 2,6 2 1,4 2 2,6 2 2,6
Азот нитрат- ный, N-N03 4 3,6 4 3,6 3 3,3 3 2,6 3 3,3 3 3
Азот нитрит- ный, N-N02 4 4,0 3 3,3 2 2 1 1,0 1 1,3 2 1,4
Фосфаты, Р-РО4 4 4,0 2 3,3 4 3,6 2 1,4 2 2,6 2 2
Фенолы 2 2,6 4 4,0 4 4,0 2 2,6 2 2,6 2 2,6
ЕН1 £ (Н1а1) 19 19,5 19 20,4 17 18,1 11 9,7 11 13,4 13 13
(£ аО 6 6,3 6 6,3 6 6,7 6 5,7 6 7,3 6 5
ИХС 3,2 3,1 3,2 3,2 2,8 2,7 1,8 1,7 1,8 1,8 2,2 2,6
Н - гидрохимический показатель, N - количество химических показателей
Таблица 5. Интегральная оценка экологического состояния водоемов по биологическим показателям на примере р. Чапаевка (а по [1], б-с учетом а|)
Показа- тели Участок реки
Ст.1 Ст. 2 Ст.3 Ст.4 Ст.5 Ст. 6
а б а б А б а б а б а Б
Численность, экз./м2, N 4 4,0 3 3,0 2 1,4 1 0,7 1 0,7 2 2,6
Биомасса, г./м2, В 4 4,4 4 4,0 2 1,4 1 0,7 1 0,7 2 1,4
Количество видов, п 3 2,7 4 4,4 2 1,4 1 0,7 1 0,7 2 1,4
Индекс видового разно- образия Шеннона, бит/экз., Н 2 2,6 3 3,0 2 2,0 1 0,7 1 0,7 3 2,7
Биотический индекс Вуди-висса, V 3 2,7 3 2,6 1 1,3 1 0,7 1 0,7 2 1,4
Индекс Пареле, Б 3 2,7 3 3,0 3 3,3 1 1 1 1 2 1,4
* ХВ; £ (В1а1) 19 19,1 20 20 12 10,8 6 4,5 6 4,5 13 10,9
* 6 6,1 6 6,4 6 5,5 6 4,5 6 4,5 6 5
ИБС 3,2 3,1 3,3 3,1 2,0 1,9 1,0 1,0 1,0 1,0 2,2 2,2
Б. * - биологический показатель, И* - количество биологических показателей
I ’ Ь
го индекса экологического состояния экосистем рек Верхней Волги приведены в табл. 8-10.
Уместно напомнить, что интегральный индекс позволяет выделить зоны экологического состояния рек в соответствие с нормативными документами [5] и оценить их чис-
ловые диапазоны [1]. Исходя их рассчитанных индексов ИХС и ИБС в отдельности для р.Чапаевка была выполнена классификация водотока по степени экологического состояния отдельных его участков. Зоне экологического бедствия, согласно проведенным расчетам,
Таблица 6. Обобщенная оценка экологического состояния р. Чапаевка (а по [1], б-с учетом а.)
Показатель Участок реки
1 2 3 4 5 6
а б а б а б а б а б а б
2И +2Ві И;а;+В;Я; 38 41,2 39 40,4 29 28,9 17 14,2 17 17,9 26 23,9
К+Къ (2 а;) 12 12,4 12 12,7 12 12,2 12 10,2 12 11,8 12 10
ИИЭС 3,2 3,3 3,2 3,2 2,4 2,4 1,4 1,4 1,4 1,5 2,2 2,4
Таблица 7. Некоторые показатели рек Верхней Волги (г. Нижний Новгород)
Реки Ь, км Б, км2 Ьмакс, м 0, м3/сек V, м/сек Имакс, м Класс качества
Черная 19,0 61,2 0,7 0, 27 0,2 10 VI
Рахма 18,0 132,0 - 1,0-21,0 0,5 6 V
Кова 11,0 41,0 1,0 3,0-5,0 - 6,5 V
Левинка - - 2,0 - 0,1-0,15 2,5 VI
Таблица 8. Интегральная оценка экологического состояния рек г.Нижний Новгород по гидрохимическим показателям (а - метод расчета по [1], б - c учетом ai)
Показатели р. Черная р. Левинка Шуваловский канал р. Ржавка р. Борзовка р. Рахма р. Старка
а б а б а б а б а б а б а б
Химическое потребление кислорода, ХПК 1 0,7 2 2,0 2 2,6 4 3,6 4 4,0 1 1,3 1 0,7
Азот аммонийный, N-^4 2 2,6 2 2,6 2 1,4 2 2,6 3 3,0 2 2,0 1 1,0
Азот нитратный, N-N03 4 4,4 4 4,4 4 4,4 4 4,4 4 4,4 1 0,7 1 0,7
Азот нитритный, N-N02 2 1,4 2 1,4 1 0,7 1 1,0 1 1,3 1 1,0 1 0,7
Ф р о і о ы 1 1,3 2 2,6 3 3,3 3 3,3 2 2,0 4 4,0 4 4,0
Фенолы
2И (Ий) 10 10,4 12 13 12 12,4 14 14,9 14 14,7 9 9 8 7,1
К ,(2зі) 5 5,1 5 5,4 5 4,9 5 5,4 5 5,4 5 5 5 4,1
ИХС 2,0 2,0 2,4 2,4 2,4 2,5 2,8 2,8 2,8 2,7 1,8 1,8 1,6 1,7
соответствует значения величин ИИЭС менее
2, зоне экологического кризиса - от 2 до 3, свыше 3- зоне относительного экологического благополучия.
Величины ИИЭС, рассчитанные для малых рек г. Нижний Новгород изменяются в интервале 1,5-2,0, что позволяет отнести все водотоки к зоне экологического кризиса.
Таким образом, метод интегральной оценки экологического состояния для малых равнинных рек Верхнего и Среднего Поволжья показал возможность использования его для водотоков с разным уровнем антропогенной нагрузки. Применение в расчетах ИИЭС весовых коэффициентов приводит к некоторому утяжелению расчетов, но к повышению достоверности получаемых числовых величин.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зинченко Т.Д., ВыхристюкЛ.А., Шитиков В. К. Методологический подход к оценке экологического состояния речных систем по гидрохимическим и гидробиологическим показателям // Изв. Самарского научн. центра РАН. 2000. №2.
2. Экологическое состояние реки Чапаевка в условиях антропогенного воздействия (биологическая индикация). Тольятти: ИЭВБ РАН, 1997. Вып.3. Изд.2.
3. Карандашова А.А. Макрозообентос, его продукция и значение при оценке качества воды р. Свини // Наземные и водные экосистемы. Горький, 1990.
4. Гелашвили Д.Б., Шахматова Р.А., Каран-
Таблица 9. Интегральная оценка экологического состояния малых рек г. Нижний Новгород по биологическим показателям (а - метод расчета по [1], б - c учетом a)
Показатели р. Черная р. Левинка Шуваловский канал р. Ржавка р. Борзовка р. Рахма Р. Старка
а б а б а б а б а б а б а б
Численность, экз./м2, N 1 G,7 1 1,G 3 3,G 1 G,7 3 2,7 4 3,6 4 3,6
Биомасса, г./м2, В 1 G,7 1 1,3 4 4,4 1 G,7 1 1,G 4 4,4 4 4,4
Количество видов, п 1 G,7 1 1,G 4 3,6 1 G,7 1 G,7 1 1,3 1 1,3
Индекс видового разнообразия Шеннона, бит/экз., Н 1 G,7 2 2,6 3 3,3 1 G,7 1 1,G 2 1,4 2 2,G
Биотический индекс Вудивисса, V 1 G,7 1 1,3 3 3,3 1 G,7 1 1,3 1 1,3 1 1,3
Индекс Пареле, Б - G,7 4 4,4 3 2,7 1 G,7 4 4,4 1 1,G 1 G,7
ХВь^В;) 5 4,2 1G 11,6 2G 2G,3 6 4,2 11 11,1 13 13 13 13,3
N ,(£*) 5 4,2 6 7 6 6,1 6 4,2 6 6 6 6,3 6 6,3
ИБС 1,G 1,G 1,7 1,7 3,3 3,3 1,G 1,G 1,8 1,9 2,2 2,1 2,2 2,1
Таблица 10. Обобщенная оценка экологического состояния экосистем малых рек г. Нижний Новгород (а - метод расчета по [1], б- c учетом a)
Показатели р. Черная р. Левинка Шуваловский канал р. Ржавка р. Борзовка р. Рахма р. Старка
а б а б а б а б а б а б а б
EHi +Щ (aiHi+aiBi) 15 14,6 22 24,6 22 22,7 2G 19,1 25 25,8 22 22 21 2G,4
(Nb+Nh), (Eai) 1G 9,3 11 12,4 11 11 11 9,6 11,4 11,4 11 11,3 11 1G,4
ИИЭС 1,5 1,6 2,G 2,G 2,G 2,1 1,8 2,G 1,8 2,3 2,G 1,9 1,9 1,9
дашова А.А. Шуваловский канал // Экологический паспорт городского водоема. Н.Новгород, 2000.
5. Критерии оценки экологической обста-
новки территорий для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия. М.: Минприроды 1992.
THE INTEGRAL ASSESSMENT OF THE ECOLOGICAL STATES OF A WATER OBJECTS BY HYDROCHEMICAL AND HYDROBIOLOGICAL INDEXES
© 2002 D.B. Gelashvili1 , T.D. Zinchenko2 , L.A. Vikhristyuk2, A.A. Karandashova1
'Nizhniy Novgorod State University
2 Institute of Eclolgy of the Volga River Basin of Russian Academy of Sciences, Togliatti
The methodological principles of construction of complex generalized criteria for assessment ecological state of water objects had been early [1], there are a description.
