Интегральная оценка качества среды Азовского моря Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 504+551

ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА КАЧЕСТВА СРЕДЫ АЗОВСКОГО МОРЯ © 2008 г Л.А. Беспалова

The water and sea bottom sedimentation have been estimated according to the results of geochemieal servey by means of statistic multidimentional data processing program. The integral estimation of the Azov sea environment quality has been worked ont.

Основными факторами антропогенного загрязнения моря являются несовершенство и недостаточная мощность систем очистки промышленных, сельскохозяйственных и муниципальных стоков, поверхностный смыв грунта с сельскохозяйственных территорий, свалки промышленных и бытовых отходов и низкий уровень их утилизации, аварийные разливы нефтепродуктов при добыче, перевозках и хранении и ряд других факторов.

По данным Главного управления природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Краснодарскому краю и Черноморско-Азовской специализированной морской инспекции (ЧА СМИ), в воды Азовского моря и дельт рек Кубань и Дон поступает от предприятий 61 840 тыс. м3 сточных вод. Из них без очистки сброшено 5261 тыс. м3 (9 %). Между тем многие природные объекты крайне чувствительны к антропогенным воздействиям, которые могут поставить под угрозу само существование наиболее ценных природных аквальных комплексов. В этой связи основной задачей проводимых исследований явилась разработка методики с целью оценки качества среды (экодиагностика) природных комплексов моря на основе применения элементов ГИС-технологий и методов многомерной классификации (ММК) [1].

В основу работы положены данные геохимической съемки воды и донных осадков Азовского моря, выполненной в 2001 г. на 80 станциях, обработанные на основе спектрального количественного анализа в лаборатории ПГО «Южгеология».

Методика проведения экодиагностики включала оценку качества морских вод и донных осадков, интегральную оценку качества среды Азовского моря.

Методика применения ГИС-технологий для оценки качества среды

Первый этап методики заключался в создании базы данных оцифрованных карт распределения загрязняющих веществ, содержащихся в воде и донных осадках (тяжелые металлы (ТМ), нефтяные углеводороды (НУ), хлор-органические пестициды (ХОП)). В едином масштабе были сформированы растровые картосхемы распределения следующих химических элементов: меди, молибдена, свинца, кадмия, ванадия, алюминия, железа, марганца, титана, никеля, а также нефтепродуктов и ХОП. Подготовка растровых изображений проводилась с применением стандартных графических редакторов.

Вначале проводилась оцифровка растровых картосхем. На картосхему накладывается сетка, в нашем случае имеющая размер по 100 линий по широте и долготе, в результате область разбивается на 10000 элементарных прямоугольников (ячеек). В пределах акватории моря насчитывается 4434 ячейки. На основе палитры, задающей соответствие между определенным цветом и цифровым значением, для каждого элементарного прямоугольника используемая для оцифровки программа выбирает цвет, представленный наибольшим количеством пикселей одного цвета, и результат записывается в текстовый файл. Данные этого файла копируются в таблицы Microsoft Excel, где массив цифр оконтуривается. Далее с помощью формул вычисляются максимальные, минимальные, средние значения и стандартное отклонение показателей поллютантов для каждого класса. Затем проводится экспертная оценка полученных результатов с целью выявления поллютантов, показатели которых превышают допустимые нормативы для воды и донных осадков.

Оценка качества вод

Для описания качества вод и сравнения по этому параметру различных акваторий используются расчетные значения индекса загрязненности вод (ИЗВ), позволяющие отнести воды исследуемого района к определенному классу чистоты [2] (табл. 1, 2).

Для морских вод ИЗВ рассчитывалась по формуле 4 С

ИЗВ - X-1— 4, где С, - концентрация наиболее

i=1 njjKj

значительных загрязнителей и растворенного в воде кислорода, для которого значение рассчитывается делением норматива на реальное содержание; С/ПДК - относительная (нормированная) среднегодовая концентрация; 4 - строго лимитируемое количество показателей (ингредиентов), берущихся для расчета и имеющих наибольшие относительные среднегодовые концентрации (значения), включая в обязательном порядке растворенный кислород (пестициды в расчет ИЗВ не включаются).

Для представления качества вод в виде единой оценки показатели выбираются независимо от лимитирующего признака вредности, при равенстве концентраций предпочтение отдается веществам, имеющим токсикологический признак вредности. При расчете ИЗВ количество значений, используемых для определения среднегодовых концентраций, должно быть не менее четырех [3-5].

Таблица 1

Классы качества вод и значения ИЗВ [2]

Класс качества вод Диапазон значений ИЗВ

Очень чистые I ИЗВ < 0,25

Чистые II 0,25 < ИЗВ < 0,75

Умеренно загрязненные III 0,75 < ИЗВ < 1,25

Загрязненные IV 1,25 < ИЗВ < 1,75

Грязные V 1,75 < ИЗВ < 3,00

Очень грязные VI 3,00 < ИЗВ < 5,00

Чрезвычайно грязные VII ИЗВ > 5,00

Таблица 2 Нормативы содержания растворенного в воде кислорода [2]

Содержание растворенного кислорода С, мг/л Норматив, мг/л

6 < С 6

5 < С < 6 12

4 < С < 5 20

3 <С<4 30

2 < С < 3 40

1 <С<2 50

С<1 60

В результате экспертных оценок установлено, что в водах Азовского моря ПДК превышены у таких элементов, как ванадий, кадмий, свинец, медь и молибден (рис. 1).

Для этих элементов был рассчитан ИЗВ в каждой сеточной ячейке акватории, т.е. для 4434 точек, любая из которых соответствует площади в 8,59 км2.

На основе ММК и ГИС-технологий выполнено районирование акваторий моря по показателю индекса загрязнения морских вод. Это позволило выявить наиболее загрязненные акватории и потенциальные источники загрязнения моря. Карта районирования по ИЗВ представлена на рис. 2.

Для каждого класса (района) представлена атрибутивная таблица значений ИЗВ (табл. 3).

Таблица 3

Изменение значения ИЗВ в пределах классов качества вод Азовского моря

Класс ИЗВ max min Средние

II 0,7 0,6 0,65

III 1,2 0,9 1,1

IV 1,7 1,3 0,9

V 3 1,8 0,9

VI 4,2 3 0,9

В пределах акватории моря воды I класса (очень чистые) не выявлены. Водные массы II класса (чистые) представлены в виде локальных пятен в центре акватории. Большая же часть водных масс Азовского моря относится к IV и V классам качества. Самые грязные воды VI класса фиксируются в районе Керченского пролива и авандельты Дона (рис. 2). Очевидно, что основные потоки поллютантов поступают в Азовское море со стоком Дона и из Черного моря.

д

Рис. 1. Распределение ТМ в воде, мкг/л, превышающих ПДК: а - медь; б - молибден; в - свинец; г - кадмий; д - ванадий

Рис. 2. Районирование акватории Азовского моря по ИЗВ на основе ГИС-технологий и ММК. Класс качества вод: I - очень чистые; II - чистые; III - умеренно загрязненные;

IV - загрязненные; V - грязные; VI - очень грязные;

VII - чрезвычайно грязные

Оценка качества донных осадков

Содержание загрязняющих веществ (ЗВ) в донных отложениях российскими нормативными документами не регламентируется. Оценка степени загрязнения донных отложений в контролируемом районе выполнялась нами в соответствии с рекомендациями СП 11102-97 на основе соответствия уровней содержания ЗВ критериям экологической оценки загрязненности грунтов по Neue Niederlandische Liste, Altlasten Spektrum 3/95 («голландские листы») [6, 7] (табл. 4).

Таблица 4

Допустимые уровни концентраций (ДК) загрязняющих веществ в донных отложениях водоемов в соответствии с зарубежными нормами [7]

Загрязняющее вещество, мкг/г ДК Загрязняющее вещество, нг/г ДК

Цинк 140 Сумма ПАУ 1000

Медь 36 НУ, мкг/г 50

Никель 35 Бензол 50

Кобальт 20 Толуол 500

Свинец 85 Ксилол 500

Кадмий 0,8 Этилбензол 50

Хром 100 Сумма ДДТ 2,5

Ртуть 0,30 Сумма ПХБ 20

Мышьяк 29 Хлорбензолы -

Барий 200 Хлорфенолы -

Значения ДК, приведенные в таблице, близки к значениям средних концентраций, разработанным для Азовского моря на основе обработки результатов многолетних изысканий отдела природоохранных исследований Азовского научно-исследовательского института рыбного хозяйства. По нашим результатам приоритетными загрязнителями донных осадков Азовского моря, превышающими ДК, являются медь, никель, хром и нефтепродукты.

Для них были рассчитаны коэффициенты концентрации этих поллютантов, определяемые как отношение реального содержания химического элемента в донных осадках (С) к его допустимой концентрации (ДК): Кс=С/ДК .

Поскольку грунты загрязнены сразу несколькими элементами, то для оценки их качества нами разработан индекс загрязнения донных осадков (грунтов) (ИЗГ), отражающий эффект воздействия группы элементов и рассчитываемый по следующей формуле:

п

ИЗГ = ^Кс / п, где п - число учитываемых элемен-

1=1

тов (превышающих ДК).

Норматив устанавливает качество донных отложений, соответствующее одному из 4 уровней загрязненности: целевому, предельному, проверочному и требующему вмешательства [5]. На основе экспертных оценок данных геохимической съемки установлено, что ДК в донных осадках, т.е. целевой уровень, превышены у нефтепродуктов и в ряде тяжелых металлов (никель, хром, медь) (рис. 3).

По методике, описанной выше, с использованием ГИС-технологий и ММК был рассчитан индекс загрязнения ИЗГ для каждой сеточной ячейки и выполнено районирование Азовского моря по классам качества грунтов по той же методике, что и районирование водных масс по ИЗВ (рис. 4).

В пределах акватории выделилось 4 класса уровня загрязнения грунтов. На основе анализа и экспертной оценки атрибутивной таблицы была разработана оценочная шкала (табл. 5, 6).

При разработке шкалы ИЗГ мы ориентировались на нормативы, используемые при оценке качества донных отложений в почвах [5]. Целевой уровень соответствует уровню ДК.

Таблица 5

Ориентировочная шкала оценки загрязнения донных осадков

Уровень загрязнения ИЗГ Качество донных осадков

I Целевой 0-1 Чистые

II Предельный 1-2 Слабо загрязненные

III Проверочный 2-3 Умеренно загрязненные

IV Уровень, требующий вмешательства 3-4 Сильно загрязненные

V То же >4 Опасно загрязненные

Таблица 6

Изменение значения ИЗГ в пределах классов качества донных осадков Азовского моря

Уровни ИЗГ Max Min Среднее

I 1,1 0,6 0,98

II 1,4 1,1 1

III 1,6 1,1 1

IV 2,9 1,7 1,03

Целевой уровень. Если концентрации загрязняющих веществ ниже целевого уровня, донные отложения считаются чистыми.

Предельный уровень. Характеризуется тем, что концентрации загрязняющих веществ обусловливают максимально приемлемый риск как для здоровья лю-

дей, так и для окружающей природной среды. Донные отложения, концентрации загрязняющих веществ в которых находятся между целевым и предельным уровнями, считаются слабо загрязненными.

г

Рис. 3. Распределение НУ и тяжелых металлов в донных осадках, мкг/г: а- никель; б - нефтепродукты, мг/г; в - хром; г - медь

Проверочный уровень. При определенных условиях донные отложения, загрязненность которых ниже этого уровня, могут проникать в чистую водную сре-

ду. Донные отложения с концентрацией загрязняющих веществ между предельным и проверочным уровнями считаются умеренно загрязненными.

Уровень, требующий вмешательства. Если концентрация загрязняющих веществ превышает проверочный уровень, то донные отложения сильно загрязнены. Донные отложения с концентрацией загрязняющих веществ между проверочным уровнем и уровнем, требующим вмешательства, рассматриваются от умеренно до сильно загрязненных. Донные отложения, концентрация загрязняющих веществ в которых превышает уровень, требующий вмешательства, считаются опасно загрязненными [5].

Рис. 4. Районирование Азовского моря на основе индекса

загрязнения донных осадков (ИЗГ) с применением ГИС-технологий и ММК: I - чистые, ИЗГ=0-1; II - слабо

загрязненные, ИЗГ=1-2; III - умеренно загрязненные, ИЗГ=2-3; IV - сильно загрязненные, ИЗГ=3-4

По результатам исследований большая часть площади дна Азовского моря занята слабо загрязненными грунтами. Опасный уровень загрязнения донных отложений (V) не выявлен (см. рис. 4). К районам с максимальным уровнем загрязнения грунтов (III и IV) относятся акватории, занятые тонкими алевритовыми и пелитовыми осадками. Это наиболее глубоководные районы Таганрогского залива, восточная и западная котловины центральной части моря.

Интегральная оценка качества среды

По данным значений ИЗВ и ИЗГ построен график связи этих характеристик и установлена линейная зависимость с высоким коэффициентом корреляции 0,92 (рис. 5). С учетом того, что водные массы - неустойчивые образования, оценку качества среды можно выполнять по состоянию донных осадков. Это утверждение очевидно справедливо для Азовского моря из-за его мелководности. Для глубоких водоемов необходимо проводить интегральную оценку качества среды с учетом обоих показателей [8].

Следующий этап интегральной оценки заключался в проведении районирования моря на основе показателей ИЗВ и ИЗГ с применением ММК и ГИС-технологий. В результате кластерного анализа с участием характеристик ИЗВ и ИЗГ в пределах акватории моря было выделено 6 типов районов, каждый из которых соответствует определенному уровню загрязнения среды (рис. 6, 7; табл. 7).

Таблица 7 Атрибутивная таблица результатов классификации на основе ИЗВ и ИЗГ

Рис. 5. График зависимости ИЗВ и ИЗГ

Номер района Характеристика ИЗВ ИЗГ

Макс. 1,70 1,18

1 Сред. 1,29 0,99

Мин. 0,7 0,58

Макс. 2,50 1,75

2 Сред. 2,07 1,45

Мин. 1,60 1,02

Макс. 2,6 1,75

3 Сред. 1,97 1,15

Мин. 1,60 0,7

Макс. 4,20 2,00

4 Сред.. 3,07 1,37

Мин. 2,60 0,95

Макс. 2,90 2,88

5 Сред 2,03 2,05

Мин. 1,30 2,00

Макс. 1,60 2,03

6 Сред. 1,22 1,35

Мин. 0,70 1,15

Рис. 6. Диаграмма изменений ИЗВ и ИЗГ в пределах классов качества среды

Наиболее неудовлетворительное качество среды характерно для районов с номером 4. Это акватории зон смешения авандельты Дона, Таганрогского залива -собственно моря, Керченского предпроливья. Показатели ИЗВ здесь изменяются от 4,2 до 2,6, т.е. воды имеют VI (очень загрязненные) и V класс (грязные). Уровень загрязнения грунтов по ИЗГ (2,0 - 0,95) соответствует уровню умеренно загрязненные - чистые. Для районов с номером 5, к которым относятся наиболее глубоководная акватория Таганрогского залива и центральная котловина моря (западная часть), показатели ИЗВ изменяются от 2,9 - 1,3, т.е. воды имеют V - IV классы качества (грязные - загрязненные).

В пределах этих акваторий, занятых глинистыми илами, грунты имеют самые высокие показатели загрязнения для всего моря (ИЗГ - 2,8 - 2,0), что соответствует уровню умеренно загрязненные, но близки к показателю сильно загрязненные (ИЗГ - 3,0). Наиболее благоприятные экологические условия выявлены в районах с номерами 1 и 2. Это акватории Обиточного и Бердянского заливов, взморья Кубани, береговая зона Восточного Приазовья. Качество среды в этих акваториях по показателям ИЗВ воды считаются чистые и умеренно загрязненные, ИЗГ донные осадки - чистые и слабо загрязненные.

Рис. 7. Районирование Азовского моря на основе ИЗВ и ИЗГ с применением ГИС-технологий и ММК

Районы с номер 3 и 4 имеют средние показатели классов качества (см. табл. 6, рис.7).

Проведенные исследования на основе разработанной методики интегральной оценки качества среды с применением ММК и ГИС-технологий позволили выявить районы с неблагоприятной экологической ситуацией. Результаты исследований могут быть использованы при мониторинге морских экосистем, выявлении импактных районов, для разработки программ устойчивого развития береговой зоны моря, карты и электронная база данных служат основой при составлении оценочных и инвентаризационных карт. Полученные результаты могут быть использованы природоохранными органами, рыбохозяйственными, курортными и другими организациями для целей планирования, разработки схем рационального использования, охраны природных ресурсов Азовского моря.

Исследования проведены в рамках гранта РФФИ проект № 06-05-96700 (р_юг_а).

Литература

1. Беспалова Л.А. // Экология. Экономика. Информатика: Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования. Ростов н/Д, 2006. С. 22-23.

2. Качество морских вод по гидрохимическим показателям. Ежегодник 2003 / Под ред. А.Н. Коршеко, И.Г. Матвейчук, Т.И. Плотниковой, В.П. Лучкова. СПб., 2005.

3. Дмитриев В.В., Уфимцева М.Д., Огурцов А.Н. // Интегральная оценка экологического состояния и качества среды городских территорий. СПб., 1999. С. 208-242.

4. Александрова Л.В. и др. // Вестн. С.-Петербург. ун-та. 2000. Сер. 7. Вып. 4. № 31. С. 34-47.

Ростовский государственный университет

5. Дмитриев В.В., Фрумин Г.Т. Экологическое нормирование и устойчивость природных систем. СПб., 2004.

6. СП 11-102-97 Инженерно-экологические изыскания для строительства. Госстрой России. М., 1997.

7. Нормы и критерии оценки загрязненности донных отложений в водных объектах Санкт-Петербурга / Рег. норматив, разраб. В рамках российско-голландского сотрудничества по программе PSO 95/RF/3/1/ СПб., 1996.

8. Беспалова Л.А., Кордуманова О.А., Беспалов А.А. // Проблемы биологической океанографии XXI века: Материалы междунар. конф. Севастополь, 2006. С. 111 .

_5 декабря 2006 г.