CC BY
43
методика ИССЛЕДОВАНИЙ
УДК 502.51;504.5;632.95.028
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОГНОЗА КОНЦЕНТРАЦИЙ ПЕСТИЦИДОВ В ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДАХ
В.С. Горбатов, к.б.н., А.А. Кононова, к.б.н.
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, e-mail: gvs@rc.ru
Описана европейская схема пошаговой детализации прогноза концентраций пестицидов в поверхностных водоемах, включающая модели прогноза различных уровней сложности и стандартные сценарии почвенно-климатических, топографических и агрономических условий Западной Европы. Проведена апробация данной схемы в сочетании со сценариями входных данных трех регионов Российской Федерации на примере инсектицида диметоа-та и дан прогноз его концентраций в поверхностных водоемах на всех этапах (шагах) схемы. Показаны возможности схемы как инструмента оценки риска применения пестицидов для водных организмов.
Ключевые слова: водоемы, донные отложения, прогноз, концентрация пестицидов, почва, климатические условия, оценка риска, математические модели, входные данные.
USE OF MATHEMATICAL MODELS OF PESTICIDES CONCENTRATION PROGNOSIS IN SURFACE WATERS
V.S. Gorbatov, A.A. Kononova
Description of European scheme of step-by-step detail ofpesticide concentration prognosis in surface reservoirs including prognosis models of different complication levels and standard soil-climatic, topographical and agronomy conditions of Western Europe. Adoption of this scheme in combination with conditions of three regions of Russian Federation with application of dimetoat insecticide has been realized and prognosis of concentration at all steps of scheme is given. Scheme possibilities as equipment for risk appraisal are presented.
Keywords: reservoirs, ground sediments, prognosis, pesticides concentration soil, climatic conditions, risk appraisal, mathematical models, input data.
Оценка поведения действующего вещества регистрируемого пестицидного препарата в сопредельных с почвой средах - неотъемлемая часть исследований, предшествующих регистрации и использованию в сельском хозяйстве. Поверхностные воды - одна из таких сред, куда может распределяться пестицид, загрязняя их и оказывая негативное воздействие на водные организмы. Для оценки риска пестицида для водных организмов, кроме данных о токсичности пестицида для гидробио-нтов, необходимо знать его концентрации в воде поверхностных водоемов. Натурные эксперименты по определению концентраций пестицида в поверхностных водоемах слишком дороги и не учитывают всего разно-
образия водоемов, почвенно-климатических условий и рельефа местности. Поэтому для прогноза концентраций пестицидов в поверхностных водах широко применяют математические модели. Они служат одними из основных инструментов оценки риска пестицидов для окружающей среды в Европейском Союзе (ЕС) и странах Организации Экономического Сотрудничества и Развития (ОЭСР). Это целый комплекс моделей, включенных в так называемую схему пошаговой детализации прогноза [1]. Суть этой схемы, состоящей из 4-х последовательных шагов, в использовании на каждом последующем шаге модели большей сложности и (или) более реальных входных данных для этих моделей (рис.).
Рис. Схема пошаговой детализации прогноза концентраций пестицида в поверхностных водоемах
Цель данной работы - показать возможности европейской схемы оценки концентраций пестицидов в поверхностных водоемах в сочетании с российскими стандартными сценариями входных данных моделей, которые используют в этой схеме. Это позволит гармонизировать российские процедуры прогноза концентраций пестицидов в поверхностных водоемах с международно принятыми подходами и предложить их для использования при оценке риска применения новых регистрируемых пестицидов для водных организмов.
Шаг 1 (вариант «худшего случая») предполагает одномоментное поступление пестицида в водоем за счет его сноса при обработке и с поверхностным стоком/дренажом. Величину сноса, поверхностный сток и дренаж рассчитывают по специальным таблицам [2], основанным на многолетних экспериментальных данных. Разложение пестицида в водоеме учитывают с помощью уравнения кинетики 1 -го порядка. Для расчета концентраций пестицида в водоеме необходимо знать дозу примененного действующего вещества пестицида (рекомендуемая норма расхода х количество обработок) и показатель скорости его разложения в системе вода/донный осадок (ОТ50вода/донный осадок). Поч-венно-климатические и топографические особенности территории не задают. Выходными данными расчета являются максимальная концентрация пестицида в системе вода/донный осадок и динамика его концентрации в системе «вода-осадок» водоема в течение 100 суток.
Шаг 2 учитывает возможное рекомендуемое многократное применение пестицида за вегетационный сезон. Также принимают в расчет возможность перехвата пестицида растениями. На этом этапе требуется более детальная входная информация о разложении пестицида (ВТ50почва, ОТ50вода, ОТ50донный осадок). Вынос его с поверхностным стоком (дренажом) рассчитывают спустя 4 дня после последнего применения и он является функцией остаточных количеств пестицида в почве на данный момент, а также локализации и времени применения препарата и сорбционной способности действующего вещества. Количественные параметры миграции пестицида с поля в водоем в этом шаге так же, как и в Шаге 1, определяют таблично.
Для того чтобы более адекватно отразить все возможные пути поступления пестицида в поверхностные воды, учесть влияние сельскохозяйственной культуры, тип водоема, топографии, почвы и климатических особенностей территории в Шаге 3 используют комплекс более сложных моделей. В ЕС рекомендована компьютерная программная оболочка SWASH [1], объединяющая три модели миграции пестицида в поверхностные водоемы: за счет сноса при обработке (расчетный модуль Drift Calculator), выноса пестицида в водоем с дренажным (модель MACRO) и поверхностным (модель PRZM) стоками. Четвертая модель TOXSWA, входящая в оболочку SWASH, описывает поведение пестицида собственно в водоеме.
В сочетании с входными данными (стандартными сценариями метео-, почвенно-климатических и топографических данных Западной Европы, свойств пестицида и регламента его применения) программа SWASH позволяет вычислять концентрации пестицида в водоемах трех типов 10 почвенно-климатических зон Западной Европы: полустатичного водоема - запруды,
динамичного водотока - реки и полностью статичного водоема - дренажной канавы [1].
Входные данные, требуемые для прогноза по SWASH: Почва (содержание органического вещества, плотность почвы, рН, гранулометрический состав, поч-венно-гидрологические константы (1111В. ВЗ), гидрофизические параметры (параметры аппроксимации ОГХ уравнением Ван-Генухтена); Пестицид (коэффициент сорбции Kom, период полуразложения DT50, давление пара, растворимость в воде, доза по действующему веществу, количество обработок, способ внесения); Метеоданные (среднесуточная температура воздуха, осадки, солнечная радиация, скорость ветра, эва-потранспирация).
Выходная информация может быть представлена в виде отчета (количественные данные о поступлении пестицида в водоем за счет сноса, с дренажным и поверхностным стоками, максимальные прогнозируемые концентрации (МПК) в воде и донном осадке, средневзвешенные прогнозируемые концентрации (СПК) в воде и донном осадке через 1, 4 и 28 дней) или графически (поток воды и пестицида с дренажным или поверхностным стоком), расход воды из водоема и уровень воды в водоеме, концентрация пестицида в воде и донном осадке в зависимости от времени, концентрация пестицида в воде и донном осадке в зависимости от расстояния до берега или глубины, соответственно).
Шаг 4 предполагает расчет, аналогичный Шагу 3, но с уточненными для данной почвенно-климатической зоны входными данными, либо с вводимыми ограничениями применения пестицида (например, буферной водоохранной зоной).
В стандартные сценарии для всех моделей включены несколько заданных типов водоемов.
В шагах 1 -2 используют один простой вид водоема. Он имеет отношение ширины к его длине 1:10 при уклоне 5%, глубина - 30 см, мощность донного осадка - 5 см. В шагах 3 -4 предусмотрены более реалистичные типы водоемов.
Первый - это открытый динамичный водоток, представляющий собой часть реки длиной 100 м и шириной 1 ми имеющий прямоугольное поперечное сечение. Его глубина 0,3-1,5 м и уровень постоянен даже в течение периодов очень низкой разгрузки за счет расположенной вниз по течению плотины. Рассматриваемый водоток питается дренажной разгрузкой и поверхностным стоком с территории площадью 100 га, находящейся вверх по течению. Предполагается, что в дополнение к прилегающему к водотоку полю (1 га), пестицид будет вноситься в тот же самый день на территорию выше по течению, составляющую 20% от области питания потока (100 га). Таким образом, водоток получает пестицид с 1 га прилегающей области и с 20 га выше по течению. Поверхностный сток с взвешенными частицами почвы учитывают с полосы шириной 20 м, примыкающей к водотоку.
Второй - закрытый полустатичный (запруда). Размер запруды 30 х 30 м, средняя глубина составляет приблизительно 1 м (0,3-1,5 м). Водоем питается постоянным потоком, в дополнение к которому с дренажным и поверхностным стоком (в зависимости от сценария) поступает дополнительный объем воды с площади 45 га. Поток воды с твердым стоком, содержа-
1. Свойства пахотных горизонтов почв
Тип почвы Гранулометрический состав, % С * ^орг. 5 % рН Pb , г/см3
Песок (0,05-2 мм) Пыль (0,002-0,05 мм) Глина (<0,002 мм)
Дерново-подзолистая почва, пылеватый суглинок 13 75 12 1,5 6,0 1,2
Чернозем типичный, пылеватый суглинок 1 73 26 4,4 6,5 1,1
Каштановая почва, пылеватый глинистый суглинок 2 68 30 2,0 7,0 1,2
* Сорг. - содержание органического углерода, ** Pb - плотность почвы.
щим сорбированный пестицид, поступает только с площади 600 м2, которая соответствуют части прилегающей территории вдоль одной из сторон водоема шириной 20 м. Отток из запруды идет через водослив с шириной порога 0,5 м.
Третий - закрытый и статичный (дренажная канава) - рассматривается только в контексте применения пестицидов на территориях с дренажными системами. Поскольку для ситуации в Российской Федерации на данный момент не характерно наличие большого количества полей с закрытым дренажем, этот тип водоема в данной статье не рассмотрен.
В 1997 г. в ЕС была создана рабочая группа FOCUS (FOrum for the Coordination of pesticide fate models and their USe) по выбору моделей и разработке набора стандартных сценариев поведения пестицидов в окружающей среде [2]. Были разработаны 10 сценариев вертикальной миграции пестицидов в грунтовые воды для территории Западной и Центральной Европы и соответствующие входные файлы для нескольких математических моделей (MACRO_DB, PEARL, PELMO, PRZM) [2].
Вторым этапом деятельности группы FOCUS стала разработка стандартных сценариев для моделей миграции пестицидов в поверхностные водоемы [1]. Основные пути поступления пестицидов в поверхностные воды: 1. ветровой снос пестицида в водоем непосредственно при его применении; 2. миграция пестицида с поверхностным стоком; 3. перемещение пестицида в водоем за счет дренажа; 4. атмосферное испарение.
В последнее время начата работа над аналогичными шестью российскими стандартными сценариями для моделей MACRO и PEARL миграции пестицидов в грунтовые воды [3]. Они представляют собой информацию о свойствах типичных почв, выращиваемых культурах и ежедневных метеоданных Московской, Курской, Саратовской, Новосибирской областей, Краснодарского и Приморского краев. Некоторые из
свойств почв первых трех областей приведены в таблице 1. Ежедневные метеоданные (температура и влажность воздуха, солнечная радиация, скорость ветра, осадки и др.) регионов получены из многолетних среднемесячных данных с помощью специальной программы-метеогенератора модели MACRO_DB [4]. Все сценарии представлены в виде файлов, которые могут быть прочитаны моделями.
Для прогноза концентраций пестицида в поверхностных водоемах по моделям оболочки SWASH требуются также сведения об агроландшафте, включая параметры модифицированного универсального уравнения потерь почвы MUSLE. Используемые нами параметры агроландшафта, на основе которых рассчитывали поступление пестицида в водоем с поверхностным стоком, приведены в таблице 2. Текущая версия модели PRZM содержит три уравнения оценки эрозии почвы: модифицированное универсальное уравнение потерь почвы MUSLE и две недавних модификации этого уравнения: MUST и MUSS [5]. Уравнение MUSS, предназначенное для небольших водоразделов и отобранное для использования в моделировании группой FOCUS, состоит из семи факторов, характеризующих поверхность склона, а также его длину, уклон и площадь [5]:
Xe = 0,79 x (Q x qp)0'65 x A0'009 x K x LS x C x P, где Xe - потери почвы (т х м2 х день-1); Q - поверхностный сток за день (мм); qp - поток (поверхностный) в момент максимальной интенсивности ливня (мм/ч); A -размер поля (га); K - фактор, зависящий от гранулометрического состава и содержания органического вещества поверхностного слоя почвы (безразмерный); LS - фактор, характеризующий длину и уклон склона (безразмерный); C - фактор, характеризующий культуры и сельскохозяйственные обработки почвы (безразмерный); P - фактор, характеризующий метод вспашки (безразмерный).
Прогноз концентраций пестицида в поверхностных водоемах на примере диметоата. Диметоат входит в
2. Параметры агроландша( >та уравнения MUSS, используемые в модели PRZM
Параметр Значение Критерий
ШЬБ К-фактор 0,41 Дерново-подзолистая почва
0,37 Чернозем типичный
0,35 Каштановая почва
ШЬБ Ь8-фактор 0,66 Длина склона 45 м, уклон 5%
ШЬБ Р-фактор 0,75 Вспашка поперек склона
Площадь поля, га 45 Рекомендуется FOCUS
Уклон, % 5 Рекомендуется FOCUS
Ширина полосы сноса, м 20 Рекомендуется FOCUS
Коэффициент шероховатости Маннинга 0,10 Рекомендуется FOCUS
состав многих инсектицидных препаратов, зарегистрированных и широко применяемых в России. Он обладает высокой токсичностью для водных организмов, и для оценки его риска для гидробионтов требуется знание его концентраций в поверхностных водах. Используя описанные выше европейскую схему пошаговой детализации и российские стандартные сценарии входных данных, спрогнозированы концентрации этого инсектицида в типичных поверхностных водоемах.
В качестве свойств диметоата использованы показатели, взятые из базы данных свойств пестицидов PPDB [6]: период полуразложения в почве DT50 = 2-4 дня; DT50 в воде - 45 дней; коэффициент сорбции почвой (донным осадком) Кос = 30 мл/г; молекулярная масса -229, давление насыщенных паров - 2.47 х 10-4 Па, растворимость в воде - 3,98 х 104 мг/л. Норма расхода ди-метоата - 0,6 кг/га, количество обработок - 1, культура - яровая пшеница (аналогично регламентам применения препаратов, содержащих диметоат и зарегистрированных на территории РФ [7]). Метеоданные и свойства почв - из стандартных российских сценариев [3]. Прогнозируемые концентрации сравнивали с ПДК ди-метоата в воде рыбохозяйственных водоемов, равной 1,4 мкг/л [8].
Наиболее грубый расчет (Шаг 1) продемонстрировал, что прогнозируемая концентрация диметоата в воде будет гораздо выше ПДК. Учет наличия сельскохозяйственной культуры - пшеницы, разнесения по времени поступления пестицида в водоем за счет сноса и поверхностного стока, т.е. более реалистичный подход к условиям применения пестицида (Шаг 2), показал уменьшение концентраций диметоата в сравнении с предыдущим расчетом. Однако в течение большей части вегетационного сезона прогнозируемые концентра-
ции диметоата в воде превышали его опасные для водных организмов показатели токсичности. Поэтому потребовался дальнейший расчет, учитывающий влияние сельскохозяйственной культуры, типа водоема, топографии, почвы и климатических особенностей условий регионов, то есть - Шаги 3-4.
Прогноз по более реальным входным данным (Шаг 3, водоем - река) с помощью комплекса физически обоснованных моделей оболочки SWASH и стандартных сценариев 3 областей РФ, учитывающих влияние сельскохозяйственной культуры, особенности водоема, топографии, почв и климатических условий регионов, позволил снизить его неопределенность и повысить точность. Он показал, что в течение всего вегетационного сезона концентрации диметоата не будут превышать опасных уровней, кроме дня применения, когда инсектицид попадает в водоем за счет сноса препарата в момент обработки поля. При расширении буферной зоны ограничения применения инсектицида до 10 м (Шаг 4), его прогнозируемые концентрации были уже ниже опасных уровней. Таким образом, потребовалась вся цепь последовательных шагов детализации прогноза концентраций диметоата в поверхностных водоемах и введение пространственного ограничения его применения, чтобы реально оценить риск применения пестицида и признать его приемлемым для водных организмов.
Внедрение предложенной схемы в практику регистрации новых пестицидов в России будет способствовать гармонизации регулирования оборота пестицидов в нашей стране с принятыми международными стандартами, что отвечает требованиям международных организаций (ВТО и ОЭСР), в которые начала вступать Российская Федерация.
Литература
1. Surface Water Scenarios in the EU Evaluation Process under 91/414/EEC // Report of the FOCUS Working Group on Surface Water Scenarios, EC Document Reference SANCO/4802/2001-rev.2 final, 2003. 245 pp.
2. FOCUS groundwater scenarios in the EU review of active substances // The report of the work of the Groundwater Scenarios Workgroup of FOCUS, Version 1 of November 2000. EC Document Reference Sanco/321/2000 rev.2. 202 pp.
3. Руководство по использованию математических моделей поведения пестицидов в окружающей среде и стандартных сценариев входных данных для регионального прогноза экологической опасности пестицидов и для их регистрации в Российской Федерации // Б. Вяземы, ВНИИФ, 2005. 42 с.
4. Jarvis N.J., Nicholls P.H., Hollis J.M., Mayr T., Evans S.P. MACRO_DB: a decision-support tool to assess the fate and mobility of pesticides in soils // Environmental modeling&Software, 1997, 12. 251-265 pp.
5. Williams R. Sediment Yield Prediction with USLE using run-off energy factor // Present and prospective technology for predicting sediment yields and sources. ARS-S-40, USDA, Washington D.C., 1975. 244-252 pp.
6. THE PPDB (Pesticide Properties Database). http://sitem.herts.ac.uk/aeru/footprint/en/index.htm. Copyrights: Agriculture and Environment Research Unit, Science & Technology Research Institute, University of Hertfordshire, College Lane, UK.
7. Государственный каталог пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории Российской Федерации // Москва, Минсельхоз России, 2009. - 617 с.
8. Перечень рыбохозяйственных нормативов: предельно допустимые концентрации (ПДК) и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение // М.: ВНИРО: Государственный комитет РФ по рыболовству, 1999. - 304 с.
