CC BY
28
№ 5. - 2017
Секция «Строительство. Экология. Транспорт»
УДК 574
РАЗВИТИЕ СИСТЕМЫ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗА ЦВЕТЕНИЯ ВОДОЁМОВ НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЕНИЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ1
А.В. Иванов, Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет (Нижний Новгород, Россия). С.М. Гусейнова, Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет (Нижний Новгород, Россия), e-mail: guseinova.sayad2011@yandex.ru
Аннотация. В числе наиболее распространенных негативных последствий влияния хозяйственной деятельности человека на водные объекты можно выделить повсеместное «цветение» водоёмов. Для своевременного реагирования на пагубные процессы цветения и возможности его прогнозирования необходимо получение достоверной информации о концентрации цианобактерий и водорослей, а также об их биопродуктивности. Разработанный в ходе исследования комплекс включает в себя метеорологическую станцию DavisInstruments, датчик для измерения профиля температуры CTD-зонд, диск Secchi, пробоотборник, ноутбук с программным обеспечением, микроскоп с цифровой камерой и набор устройств для оцифровки и передачи информации на сервер. Результаты исследований с применением указанного оборудования свидетельствуют о том, что предложенная система позволяет оценить не только фактическую концентрацию цианобактерий и их распределение в толще воды, но и прогнозируемую.
Ключевые слова: мониторинг окружающей среды, стратификация, качество воды, планктон, цианобактерии.
DEVELOPMENT OF WATER BLOSSOM EVALUATION AND FORECAST SYSTEM BASED ON HYDROPHYSICAL PARAMETERS MEASUREMENTS
Abstract. Ubiquitous algae bloom is one of the unfolded negative consequences of the influence of human economic activity on water bodies. Obtaining reliable information on the concentration and bioproductivity of cyanobacteria and algae is necessary for prompt response to current and predicted harmful processes of blooming. The equipment developed for the integrated research includes a meteorological station Davis Instruments, a sensor for measuring the temperature profile of a CTD probe, a Secchi disk, a sampler, a laptop with software, a microscope with a digital camera, and a set of devices for digitizing and transmitting information to the server. The results of studies indicate that the equipment allows estimating the actual and predicted concentration of cyanobacteria and their distribution in the water layers.
Keywords: environmental monitoring, water quality, stratification, plankton, cyanobacteria.
Цветение водоемов является одной из наиболее острых экологических проблем последних десятилетий [1]. В теплые месяцы краткосрочное увеличение концентрации цианобактерий в водоемах является естественным природным явлением, однако под влиянием
1 Работа выполнялась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту №15-45-02580 «Разработка биогидрометеорологической модели озерной части равнинных водохранилищ на основе сопряженных численных моделей (на примере Горьковского водохранилища)».
антропогенных факторов распространение цианобактерий в водоемах принимает все более масштабный характер и приводит к нарушению естественного баланса в водных экосистемах. К вызывающим цветение антропогенным факторам относится увеличение объемов поступления в водоем биогенных веществ, в частности нитратов и фосфатов, нарушение естественного движения и перемешивания воды.Рост биомассы и увеличение доли токсико-генных цианобактерий приводит к массовым заморам рыб, гибели млекопитающих, нарушению процесса самоочищения водоемов. Под угрозой оказывается безопасность рекреационной деятельности на цветущих водоёмах, а потребление рыбы и питьевой воды из таких источников представляет опасность для человека. Все вышеперечисленное обусловливает актуальность тематики исследования.
Одной из основных антропогенных причин активизации деятельности цианобактерий является сброс в поверхностные водоемы больших объемов фосфатов и нитратов с бытовыми, промышленными и сельскохозяйственными сточными водами [3]. Однако заметную роль в распределении цианобактерий в толще воды и изменении их концентрации играют также гидрофизические параметры, в частности перемешивание вод и температурная стратификация [2].
Для прогнозирования цветения водоемов и обеспечения принятия своевременных управленческих решений необходима эффективная система онлайн-мониторинга [3].
В ходе исследования на протяжении 2-х лет в летние и осенние месяцы на Горьков-ском водохранилище отбирались пробы воды на разной глубине от 0 до 8 метров. Для измерения профиля температуры воды использовался CTD-зонд, для измерения прозрачности - диск Секки. Пробы воды анализировались с помощью цифрового микроскопа, обнаруженные водоросли идентифицировались по определителям. Концентрация хлорофилла подсчитывалась по формуле Оливье Бернара в зависимости от температуры и прозрачности.
Распределение температуры рассчитывается с помощью одномерной термодинамической модели водоема Lake, которая позволяет рассчитать температуру поверхности водоема на основе данных метеорологических величин в приземном слое. Применение программы в дальнейшем позволит производить обработку объемных массивов данных и строить температурные профили с учетом специфики конкретного водоема.
Было отобрано около 50 проб воды, в которых было идентифицировано более 15 видов зеленых, диатомовых водорослей и цианобактерий.
По результатам измерений CTD-зондом были построены графики изменения температуры воды с глубиной для всех дней, когда проводился отбор проб.
В результате исследования в пробах воды из водохранилища, взятых в конце июня, июле и августе, были обнаружены многочисленные экземпляры водорослей и цианобакте-рий. В начале июня и в сентябре в пробах были обнаружены лишь некоторые представители диатомовых, такие как Melosiravariansи Melosiraitalica, не вызывающие цветения воды.В летний период были обнаружены особо токсичные виды цианобактерий рода Anabaenan Microcystis, а также токсичные представители зелёных водорослей (Scenedesmusquadricauda и др.), выделяющие губительные для рыб и млекопитающих ней-ро- и гепатотоксины.
Измеренные гидрофизические параметры позволили рассчитать концентрацию хлорофилла и оценить изменение его значений с глубиной для всех обнаруженных водорослей.
Установлено доминирование определенных водорослей в разных слоях водной толщи, в ходе повторных исследований подтверждены ранее полученные данные о влиянии на распространение водорослей в водной толще устойчивой температурной стратификации.
Экспериментально установлена зависимость прозрачности воды от температуры верхнего перемешанного слоя, которая в свою очередь определяет значение концентрации хлорофилла.
Таким образом, измерения таких гидрофизических параметров, как температура и прозрачность воды, в комплексе с расчетом концентрации хлорофилла позволяют оценить не только фактическую концентрацию цианобактерий и их распределение в толще воды, но и прогнозируемую. Подача полученных данных по измерениям на сервер обеспечит онлайн-мониторинг водоемов и позволит на основе прогнозов грамотно принять управленческие решения по борьбе с цветением в каждом конкретном случае.
Литература:
1. Колмаков В.И. Токсичное «цветение» воды континентальных водоемов: глобальная опасность и методы ликвидации // Электронные курсы СФУ. 2006. URL: http://www.study.sfu-kras.ru/mod/resource/view. php?id=1691.
2. Иванов А.В., Троицкая Ю.И., Папко В.В., Сергеев Д.А., Байдаков Г.А., Вдовин М.И., Казаков В.И., Кандауров А.А., Афанасьева И.М., Донскова О.В., Шувалова Н.М. Стратификация как фактор влияния на качество вод равнинного водохранилища // Приволжский научный журнал. 2015. № 2 (34). С. 149-156.
3. Ivanov A., Guseinova S. Online monitoring of water quality in the lake type reservoir based on in situ measurements, assessment and forecast //16th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2016, www.sgem.org, SGEM2016 Conference Proceedings. 2016. Book 3. Vol. 1. P. 537-544.
4. Sivonen K., Jones G. Cyanobacterial toxins. Toxic cyanobacteria in water - a guide to their public health consequences, monitoring and management. London: E. & F.N. Spon, 1999. P. 41111.
References:
1. Kolmakov V.I. Toksichnoe «cvetenie» vody kontinental'nyh vodoemov: global'naja opasnost' i metody likvidacii // Jelektronnye kursy SFU. 2006. URL: http://www.study.sfu-kras.ru/mod/resource/view. php?id=1691.
2. Ivanov A.V., Troickaja Ju.I., Papko V.V., Sergeev D.A., Bajdakov G.A., Vdovin M.I., Kazakov V.I., Kandaurov A.A., Afanas'eva I.M., Donskova O.V., Shuvalova N.M. Stratifikacija kak faktor vlijanija na kachestvo vod ravninnogo vodohranilishha/ // Privolzhskij nauchnyj zhurnal. 2015. № 2 (34). S. 149-156.
3. Ivanov A., Guseinova S. Online monitoring of water quality in the lake type reservoir based on in situ measurements, assessment and forecast //16th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2016, www.sgem.org, SGEM2016 Conference Proceedings. 2016. Book 3. Vol. 1. P. 537-544.
№ 5. - 2017
4. Sivonen K., Jones G. Cyanobacterial toxins. Toxic cyanobacteria in water - a guide to their public health consequences, monitoring and management. London: E. & F.N. Spon, 1999. P. 41111.
— • —
Сведения об авторах
Саяд Мухтаровна Гусейнова, учебный мастер, Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет (Нижний Новгород, Россия).
Александр Владимирович Иванов, кандидат технических наук, доцент кафедры Инженерно-экологических систем и технологий и кафедры ЮНЕСКО, Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет (Нижний Новгород, Россия).
