CC BY-ND
13
26
ЗНиСО АВГУСТ №8 (257)
УДК 574.5 : 574.34.045 + 551.521
ПРОГНОЗ ВЕСЕННЕГО ЦВЕТЕНИЯ ФИТОПЛАНКТОНА В ПОВЕРХНОСТНОМ ИСТОЧНИКЕ ПИТЬЕВОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВЛИЯНИЯ ГЕЛИОФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ (НА ПРИМЕРЕ УЧИНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА)
М.Н. Корсак1, С.А. Мошаров2, С.В. Селюнина1, М.И. Кроленко3
1ФГУЗ «Федеральный центр гигиены и эпидемиологии» Роспотребнадзора, г. Москва 2Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, г. Москва 3Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, г. Москва
Анализ одиннадцатилетнего массива данных синхронных измерений численности весеннего фитопланктона и значений интенсивности падающей солнечной радиации выявил положительную корреляционную связь между суммарной солнечной радиацией, приходящей на поверхность Учинского водохранилища за период первых 50 календарных суток и максимальной в период «цветения» численности весеннего фитопланктона. Полученные уравнения регрессии, позволяют с достаточной степенью надежности прогнозировать время начала и дату пика весеннего «цветения» водорослей в зависимости от особенностей радиационного режима водоема в зимне-весенний период года. Результаты исследований представляют несомненный интерес для анализа влияния светового фактора в водоеме на сезонную динамику фитопланктона, а также для точного прогноза начала весеннего «цветения» фитопланктона в водохранилищах питьевого назначения при планировании проведения водоочистных мероприятий.
Ключевые слова: фитопланктон,водохранилище,солнечная радиация,весеннее цветение, качество воды, поверхностный водоисточник.
M.N. Korsak, S.A. Mosharov, S.V.Selunina, M.I. Krolenko □ PROGNOSIS FOR SPRING PHYTOPLANKTON BLOOM DUE TO THE SOLAR RADIATION LEVEL IN A SURFACE SOURCE FOR DRINKING WATER SUPPLY (THE CASE OF THE UCHINSKOE WATER COUCHMENT) □ FBHI FCH&E OF THE INSRECTORATE FOR CUSTOMERS PROTECTION, Moscow; P.P. Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences, Moscow; Bauman Moscow State Technical University, Moscow.
Analysis of the 11-year array data for simultaneous measurements of the spring phytoplankton numbers and the solar radiation levels has been revealed the direct correlation between sum of solar radiation on the Uchinskoe water couchment surface during first 50 days of year and the maximal spring phytoplankton numbers. Derived regression equations permits to predict with sufficient degree of reliability the start time and the maximal spring bloom, depending on the solar radiation level in the winter-spring period. The results of investigation are of interest for analysis of impact of the light factor on the seasonal phytoplankton abundance in a surface source for drinking water supply and planning of water-treatment actions. Key words: phytoplankton, water couchment, solar radiation, spring bloom, water quality, surface source for drinking water supply.
Москворецкая и Волжская системы источников водоснабжения г. Москвы представляют собой сложные комплексы водоемов и водотоков естественного и искусственного происхождения, регулируемые для обеспечения гарантированных расходов воды у водозаборов водопроводных станций. Качество воды в местах водозаборов формируется в результате суммарного влияния антропогенных и естественных факторов. В периоды массового развития фитопланктона в водоемах происходит резкое увеличение численно-
сти одноклеточных водорослей — основных продуцентов органического вещества в водоемах, что приводит к ухудшению качества воды в местах водозаборов за счет увеличения концентрации взвешенного и растворенного органического вещества и требует определенных технологических приемов по ее улучшению при водоподготовке. Эффективность действий по улучшению качества воды на водозаборных станциях напрямую зависит от точности прогноза периодов «цветения» фитопланктона.
АВГУСТ №8 (2D)
27
тыс.кл/л
16000
12000
8000
4000
- Пестово -Листвянка
50
100
150 200
Календарные сутки
250
300
350
Рис. 1. Динамика общей численности фитопланктона(тыс.кл/л) Учинского водохранилища,
усредненной для периода 1993—2003 гг.
0
0
Весеннее «цветение» фитопланктона, происходящее вскоре после вскрытия льда в водоеме, в большей мере определяется комплексом метеорологических и гидрохимических факторов (свет и температура, содержание биогенных элементов), чем биотическими взаимоотношениями различных зоопланктонных организмов, малочисленных в это время года [1, 2—5].
Целью данной работы была разработка прогностической модели пикового весеннего «цветения» фитопланктона (на примере Учинского водохранилища) в зависимости от интенсивности солнечной радиации в предшествующий период на основе статистического анализа одиннадцатилетнего массива ретроспективных сезонных данных.
Материалы и методы. Учинское водохранилище — источник питьевого водоснабжения г. Москвы отстойного типа, практически лишенный водосборной площади. Анализ сезонной динамики общей численности микроводорослей в Учинском водохранилище проводили по данным, полученным в Лаборатории Акуловского гидроузла МГУП «Мосводоканал» для двух станций: Пестово (верховье водохранилища) и Листвянка (нижняя часть водохранилища). Пробы воды из поверхностного горизонта водной толщи отбирали еженедельно в течение 1993— 2003 гг. В работе использованы также актино-метрические данные непрерывных наблюдений за период с 1993 по 2003 гг. Метеорологической Обсерватории Географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Значения суммарной интегральной солнечной радиации (ИР) и фотосинте-тически активной радиации (ФАР) в диапазонах 300—5 000 нм и 400—700 нм соответственно измеряли с помощью прибора Ь1-190БА американской фирмы ЬТ-СОЯ [8]. ИР определялась как сумма
прямой и рассеянной интегральной радиации, как это принято на сетевых актинометрических станциях Росгидромета [4].
При статистической обработке данных использовали пакет программ Statistica версии 6.0 компании StatSoft. С целью выявления прогностически наиболее значимых наборов анализируемых параметров применяли методы корреляционного анализа. В последующем проводили многофакторный регрессионный анализ. За критический порог уровня значимости было принято значение 0,05 (5 %). Окончательные регрессионные выражения строили с учетом минимальной автокорреляции независимых факторов. При статистическом корреляционном анализе использовали статистику Пирсона, то есть изучали только линейную зависимость параметров весеннего цветения фитопланктона и солнечной радиации.
Результаты и обсуждение. В разных районах Учинского водохранилища (в верховьях на ст. Пестово и в нижней его части на ст. Листвянка) сезонная динамика численности фитопланктона и смена доминирующих групп водорослей имеет сходный характер [1, 2]. Продолжительность весеннего «цветения» фитопланктона в Учинском водохранилище варьировала от недели до 10 дней и была приурочена к первой декаде мая (рис. 1). В это время происходило массовое развитие диатомовых водорослей (роды Stephanodiscus, Asterionella, Melosira), составлявших до 90 % общей численности фитопланктона.
Для дальнейшего анализа из общего массива данных одиннадцатилетнего периода были определены такие параметры сезонной динамики численности фитопланктона как дата максимальной численности весеннего фитопланктона (xmax календарные сутки с начала года) и величина этого
28
ЗНиСО АВГУСТ №8 (257)
Таблица 1. Некоторые параметры весеннего «цветения» фитопланктона Учинского водохранилища в 1993-2003 гг.
Год ст. Пестово (Р) ст. Листвянка (Ь)
хтах(Р) Атах(Р) хтах(Ь) Атах(Ь)
1993 123 9 100 129 9 240
1994 122 33 520 131 10 880
1995 123 7 280 113 4 940
1996 132 21 480 125 33 080
1997 124 24 320 131 13 740
1998 131 16 760 131 26 680
1999 131 8 640 124 31 600
2000 114 90 600 123 24 020
2001 122 10 720 122 8 470
2002 111 7 000 98 24 211
2003 124 79 920 131 47 180
максимума (Amax, тыс. кл/л) для каждого года с 1993 по 2003 гг. (табл. 1).
Представленные в табл. 1 данные свидетельствуют о том, что за рассматриваемые 11 лет в среднем даты наступления весеннего пика «цветения» фитопланктона в Учинском водохранилище приходились на 123 сутки от начала года как для ст. Пестово, так и для ст. Листвянка. Результаты ежесуточных измерений приходящей к земной поверхности интегральной (ИР) и фотосинте-тически активной солнечной радиации (ФАР), осредненных за период 1993—2003 гг., представлены на рис. 2.
Проведенный корреляционный анализ всего массива результатов посуточных измерений ФАР и численности фитопланктона не показал
35
30
25
^ 20 о
X
"а
£ 15
10
статистически значимой связи между этими параметрами. Данное обстоятельство объясняется тем, что реакция микроводорослей на изменение факторов окружающей среды проявляется не мгновенно, а с некоторой временной задержкой (от нескольких часов до нескольких суток и недель) [5—7, 9].
Кроме того, возможны и тригерные эффекты, когда «цветение» фитопланктона запускается только при определенной накопленной дозе или комбинации участвующих в процессе факторов. В качестве рабочей была принята гипотеза о том, что начало весеннего «цветения» фитопланктона определяется суммарной величиной потока солнечной радиации, накопленной за предшествующий «цветению» период. При этом мы исходили из предположения, что суммарное количество пришедшей на поверхность водохранилища солнечной радиации связано обратной зависимостью с периодом вскрытия льда на водоеме и временем наступления весеннего «цветения» фитопланктона.
С целью проверки данной гипотезы был проведен статистический анализ массива данных, включающих параметры весеннего «цветения» фитопланктона и динамику потоков солнечной радиации (ФАР) для первых ста суток каждого года с 1993 по 2003 гг., т.е. для временного диапазона с начала года до периода, предшествующего началу весеннего «цветения». В процессе предварительных вычислений для каждого из рассматриваемых лет проводили интегрирование суточной ФАР за периоды разной продолжительности — от 2 до 100 первых суток года с шагом в 1 сутки. В результате был сформирован ряд суммарных значений потоков солнечной радиации
300 350
Календарные сутки
Рис. 2. Изменения суточных значений ФАР (светлый кружок) и ИР (темный кружок) в1993—2003 гг.
5
АВГУСТ №8 (257)
29
где
(1)
Sj — суммарная величина солнечной радиации (МДж/м2 сут.) за первые j суток года, Ei — значение интегральной солнечной радиации (МДж/м2 сут.) в г-е сутки, j — календарные сутки в диапазоне (j = 2, 3...100).
В результате статистического анализа был получен массив значений коэффициентов корреляции между суммарными величинами потоков солнечной радиации ) за выбранный период суммирования от 2 до 100 календарных суток и параметрами весеннего «цветения». Выполненные расчеты на высоком уровне значимости позволили установить положительную корреляционную связь (г > 0,5) между накопленной за 40 и более суток с начала года солнечной радиации и максимумом численности весеннего пика «цветения» фитопланктона (Атах). Обнаруженная зависимость имеет достаточно понятное объяснение: большее количество поступающей в начальный период года на поверхность водоема солнечной энергии обеспечивает более интенсивное увеличение численности весеннего фитопланктона.
В то же время корреляционная связь между суммарной ФАР и календарной датой пика «цветения» оказалась слабой и недостоверной при выбранном уровне значимости. Учитывая, что в период, предшествующий весеннему «цветению», возможно существование более узкого временного интервала, в котором суммарный поток световой энергии в наибольшей степени определяет параметры весеннего «цветения» фитопланктона, ретроспективные исследования были продолжены. С этой целью оценивалось влияние суммарной ФАР, накопленной за интервалы различной продолжительности (3, 5, 7, 15 и 30 суток с шагом 1 сутки в диапазоне первых 100 календарных суток).
В результате проведенного анализа было установлено, что наиболее значимыми были
пентадные суммы ФАР (суммы значений ФАР за 5 суток) и дата весеннего пика «цветения» в наибольшей степени положительно коррелирует (г > 0,6; р < 0,05) с суммой ФАР за период с 35 по 40 календарные сутки на ст. Пестово и за период с 44 по 49 календарные сутки на ст. Листвянка. Обнаруженная положительная корреляционная связь между рассматриваемыми параметрами (датой весеннего пика «цветения» фитопланктона и пентадной суммой ФАР) означает, что более высокий уровень значений ФАР за данный период сдвигает момент наступления весеннего «цветения» на более поздний срок.
Таким образом, было установлено, что даты максимума весеннего «цветения» фитопланктона в Учинском водохранилище статистически достоверно (г > 0,7; р > 0,05) связаны с пентадными суммами величин ФАР в период середины февраля каждого из рассматриваемых лет.
Зависимость усредненного момента регистрации максимума весеннего «цветения» фитопланктона от пентадных сумм ФАР для Учинского водохранилища определяется регрессионными выражениями (3 и 4) с коэффициентом регрессии, равным 0,9, при уровне значимости менее 5%:
Хтах (Р) = 112+1,5 ЕЕ35—40 (для Пестово) хтах (Ь) = 97+2,6 £Е44—49 (для Листвянки)
(2) (3)
где Хтах (Р) и Хтах (Ь) - даты пика весеннего «цветения» на ст. Пестово и Листвянка, соответственно; Е35—40 и Е44 —49 пентадные суммы ФАР за периоды 35—40 и 44—49 календарных сутки, соответственно.
Из полученных уравнений следует, что чем большие величины потоков солнечной энергии в диапазоне ФАР получит поверхность водоема в середине февраля, тем позднее будут наблюдаться пики весеннего «цветения» фитопланктона. По нашему мнению, высокая интенсивность падающей солнечной радиации (ФАР) в середине
4 6 8 10 12 14 16
пентадные ФАР, кДж/м 2
Рис. 3. Зависимость даты пика весеннего «цветения» (календарные сутки) для Учинского водохранилища от пентадной суммы ФАР для периодов 35—40 календарные сутки для ст. Пестово (черный ромб) и 44—49 календарные сутки для ст. Листвянка (белый треугольник) (по данным 1993—2003 гг.).
30
ЗНиСО АВГУСТ №8 (257)
февраля, когда поверхность водоема еще закрыта льдом, может создавать предпосылки для фото-ингибирования фитопланктона, непосредственно находящегося подо льдом, что приводит к более позднему развитию весеннего «цветения».
Поскольку пик весеннего «цветения» фитопланктона с хорошей точностью имеет форму распределения Гаусса со средним хтах и практически постоянной дисперсией, равной 11 дням, момент начала весеннего роста популяции фитопланктона (хге) в Учинском водохранилище можно определить следующим образом:
хгг/ = хтах — 6 (4).
Полученные в ходе нашего исследования уравнения зависимости дат пиков «цветения» фитопланктона и пятидневных потоков солнечной радиации в середине февраля могут быть использованы для прогноза начала весеннего «цветения» фитопланктона Учинского водохранилища. Результаты исследований представляют несомненный интерес для анализа влияния светового фактора в водоеме на сезонную динамику фитопланктона, а также для точного прогноза начала весеннего «цветения» фитопланктона в водохранилищах питьевого назначения при планировании проведения водоочистных мероприятий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Корсак М.Н. и др. Динамика фитопланктона Учинского водохранилища и биогенных элементов в 1998—1999 гг. / М.Н. Корсак, С.А. Мошаров, Г.А. Даллакян, А.Ю. Бе-
лов, А.В. Митин //Вестник Московского университета. Сер. Биология. 2003. № 2. С. 34—39.
2. Корсак М.Н. и др. Особенности сезонной динамики, структуры и продуктивности фитопланктона Учинского водохранилища в 1998—2001 гг. / М.Н. Корсак, С.А. Мошаров, Г.А. Даллакян, А.Ю. Белов //Вестн. Моск. ун-та. Сер. Биология. 2005. № 1. С. 33—38.
3. Попова А.Ю. Стратегические приоритеты Российской Федерации в области экологии с позиции сохранения здоровья нации //Здоровье населения и среда обитания. 2014. № 2 (251). С. 4—7.
4. Руководящий документ. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 5. Актинометрические наблюдения. Ч. 1. Актинометрические наблюдения на станциях. Москва: Росгидромет. 1997. 222 с.
5. Bleiker W. and F. Schanz, 1989. Influence of environmental factors on the phytoplankton spring bloom in LakeZûrich. Aquat.Sci. 51:47 - 58.
6. Bleiker W. and Schanz. F. Light climate as the key factor controlling the spring dynamics ofphytoplankton in LakeZurich //Aquatic Sciences. 1997. V. 59. P. 135—157.
7. Horn H, L. Paul L. 1984. Interactions between light situation, depth of mixing and phytoplankton growth during the spring period of full circulation // Int. Rev. ges. Hydrobiol.69. 507-519.
8. Shilovtseva O.A. 2001. The experience of the visual solar radiation measurements in the Moscow State University Meteorological Observatory // IRS 2000: Current Problems in Atmospheric Radiation, W. L. Smith and Yu. M. Timofeyev (Eds.). Hampton, Virginia: DeepakPublishing. 1117—1120.
9. Talling J.F. 1971. The underwater light climate as a controlling factor in the production ecology of freshwater phytoplankton //Mitt. Int. Verein. Limnol. 9. 214—243.
Контактная информация:
Корсак Михаил Николаевич, тел.: 8 (495) 954-74-66, e-mail: science@fcgsen.ru
Contact information: Korsak Мikhail, phone: 8 (495) 954-74-66, e-mail: science@fcgsen.ru
g
S
-♦+♦-
УДК 613.95:504.5 ^
МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К САНИТАРНО-ХИМИЧЕСКОЙ ОЦЕНКЕ КРАСОК ДЛЯ ДЕТСКОГО ТВОРЧЕСТВА
Н.К. Барсукова, О.А. Чумичева, З.Х. Хатит, Г.В. Воробьева Научно-исследовательский институт гигиены и охраны здоровья детей и подростков ФГБУ «Научный центр здоровья детей» РАН, г. Москва
Существующие условия пробоподготовки не отражают реальной химической нагрузки на ребенка при санитарно-химическом исследовании красок для детского творчества. Разработаны и обоснованы условия пробоподготовки для контроля химической безопасности красок для детского творчества на основе результатов санитарно-химических исследований 50 образцов красок.
Ключевые слова: предметы для детского творчества, краски, санитарно-химическая оценка, условия пробоподготовки.
N.K. Barsukova, O.A. Chumicheva, Z.H. Hatit, G.V. Vorob'eva □ METHODICAL APPROACHES TO SANITARY-CHEMICAL ESTIMATION OF PAINTS FOR CHILDREN'S CREATIVITY □ Research Institute of hygiene and protection of health of children and adolescents FGBU«Scientific Center of Children's Health» RAS, Moscow.
The existing conditions of the sample preparation do not reflect the real chemical load on a child during the sanitary-chemical study of paints for children's creativity. We developed and justified the terms of the sample preparation for the control of chemical security of paints for children's creativity on the basis of the results of sanitary-chemical researches of 50 paint samples. Key words: items for children's creativity, paints, sanitary-chemical estimation, conditions of sample preparation.
Современный российский рынок товаров игрушки и предметы для детского творчества для детей развивается бурными темпами. Игры, (ПДТ) составляют второй по емкости сегмент
