Вариант экологической оценки состояния Р. Самара Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

УДК 51.482.214:581.526.574

А. Ф. Кулик, Л. В. Доценко, В. Н. Кочет, Ю. П. Бобылев

Днепропетровский национальный университет

ВАРИАНТ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ Р. САМАРА

Розробено один із варіантів екологічної оцінки екосистем рік промислового Придніпров’я на прикладі р. Самара, яка більше 30 років зазнає впливу високомінералізованих шахтних вод.

Введение

Основным методом оценки качества водной среды является оценка факторов, активно воздействующих на определенный ее компонент или элемент. Для установления единой оценки, выражающей качество водной среды, использовался хорошо зарекомендовавший себя в практике оценок воздействия подход: сравнение оценок отдельных факторов окружающей среды на данной территории с экологическими, санитарно-гигиеническими, рыбохозяйственными и другими нормами с последующим их ранжированием при помощи одного из методов аналитического решения [4; 6; 13].

Способ выражения качества водной среды при помощи интегрального показателя базируется на принципах структурного анализа, основным требованием которого является следующее положение: структура каждого явления должна исследоваться или оцениваться комплексно [6].

Целью данного исследования является апробация метода комплексной оценки проблемных экологических ситуаций с привлечением данных о состоянии компонентов биоты р. Самары, а также выявление значимости последствий изменения водной среды под воздействием сброса шахтных вод.

Объектом исследования были водные экосистемы р. Самара, сложившиеся в 1980-2003 гг. под воздействием сброса шахтных сточных вод Западного Донбасса в объеме 31 579 тыс. м3/год.

Место проведения исследований - участки реки до поступления шахтных сточных вод (с. Хорошее), в районе их поступления из прудов-накопителей (балка Коминная, балка Тараново) и в двух километрах ниже по течению от участка поступления шахтных вод (с. Вязовок).

Материал и методы исследований

Комплексный подход к оценке современного и прогнозируемого состояния экосистем р. Самара включал сопоставление количественных и качественных гидробиологических, санитарно-гигиенических, ихтиологических, экологических показателей на 12 выделенных В. Н. Кочетом створах от водотока от р. Гнилуша до р. Волчья. Оценивалась реакция (в том числе степень деградации) природного комплекса р. Самара при сравнении данных 1968 и 2003 гг. Отбор, анализ проб в выделенных створах и способы выражения состояния экосистемы р. Самара с помощью интегральных показателей проводились по стандартным методам [2; 4; 11].

Комплексность оценки факторов достигалась при последовательном сравнении состояния экосистем в трех временных интервалах (1968, 1990, 2002 гг.) на трех учатсках р. Самара с учетом рекомендаций [7; 9].

© Кулик А. Ф., Доценко Л. В., Кочет В. Н., Бобылев Ю. П., 2003 24

Принципы отбора и оценки факторов

Совокупность факторов для оценки функционирования экосистемы р. Самара, из которых можно исходить при определении интегрального показателя качества водной среды, определены в соответствии со следующими едиными принципами.

1. Отбор факторов, которые в соответствии с теоретическими положениями и практическим опытом определяют большую или меньшую пригодность водной среды для выполнения средообразующих, средозащитных, производственных функций, проведен с учетом возможности их использования. Т. е. при оценке конкретных сообществ (биогеоценозов) необходимо, в зависимости от конкретных условий, исключать отдельные факторы из совокупности. Оценка состояния водной экосистемы основывалась, таким образом, на наиболее употребимых показателях воздействия на среду [11]. Приведенную ниже совокупность факторов ни в коем случае нельзя считать окончательной. В наши задачи не входило определение совокупности факторов, которые влияют на качество среды лишь в исключительных случаях.

2. Не учитывались факторы, влияние которых на окружающую среду изучено недостаточно.

3. Не принимались в расчет факторы, которые не могут быть изменены в результате строительства или другого управляемого вмешательства или проведения каких-либо хозяйственных мероприятий.

4. В совокупности отсутствуют факторы, которые изменяются в связи с особенностью мезорельефа и ландшафта русловой и прирусловой части исследуемого водоема.

5. В совокупности отсутствуют факторы, значения которых не имеют нормативного апробированного или установленного критерия оценки.

В основу оценки положено сравнение полученных значений со стандартами, многолетними средними оптимальными величинами, теоретически оптимальными величинами, которых необходимо достичь.

Для исключения субъективной стороны оценки использованы количественные показатели, хотя в практике оценок воздействия широко применяются качественные и переходные показатели [8].

Оптимальные значения, с которыми сравниваются значения факторов в конкретной точке, определялись непосредственно из наборов стандартов, нормативов, общепринятых экологических показателей или обязательных в экологии критериев (рис. 1).

Выбранные 25 факторов оценивались баллами. В основу оценки положено соотношение оптимального фактического значения данного фактора в оцениваемом комплексе структурно-функциональной организации экосистемы [10; 12].

Согласно принятой классификации каждый фактор оценивался соответствующим количеством баллов. В практике оценок воздействия и комплексных схемах оправдала себя и применялась 4-х ступенчатая классификация со следующей бальной оценкой:

- вполне соответствует (полностью приемлемый, ненарушенный) - 4 балла;

- пригодный (приемлемый, частично нарушенный) - 3 балла;

- частично пригодный (нарушенный) - 2 балла;

- не пригоден (не соответствует, деградирует) - 1 балл.

Выше отмечалось, что основной принцип состоит в том, что бы придерживаться единой шкалы и единых границ категорий, поскольку значения показателя фактора соотносятся с оптимальными значениями.

100 %

Гидрологические показатели, 40 %

Гидрохимические показатели, 60 %

Микробиологические показатели, 10 %

Показатели по фито планктону,

10 %

Показатели по зоопланктону, 20 %

Показатели по зообентосу, 20 %

Показатели по ихтиофауне,

Климатические факторы, 20 %

Антропогенные факторы,

80 %

Расход воды, 40 %

Скорость течения, 40 %

Непостоянство русла, 20 %

рН, 10 %

Температура, 10 %

Концентрация растворенных газов, 10 %

Перманганатная окисляемость, 5 %

Окисл.-восстановительный потенциал, 5 %

Концентрация ионов, 20 %

Хим. потребление кислорода, 10 %

Биологическое потребление кислорода, 20 %

Концентрация биогенных елементов, 10 %

Интенсивность деструкции органических веществ, 30 %

Общее количество бактерий, 30 %

Биомасса, 20 %

Количество сапрофитных бактерий, 10 %

Отношение сапрофитных бактерий к общему количеству, 10 %

Общая численность клеток, 10 %

Общее число видов, 5 %

Общая биомасса, 10 %

Численность основных групп, 5 %

Биомасса основных групп, 20 %

Число видов в группе, 5 %

Массовые виды, 5 %

Индикаторы сапрофитности, 5 %

Константы полунасыщения, 5 %

Отмирание, 5 %

Интенсивность фотосинтеза, 15 %

Скорость поглощения фосфора, 10 %

Общая численность клеток, 20 %

Общее число видов, 10 %

Общая биомасса, 20 %

Биомасса основных групп, число видов в группе, 20 %

Массовые виды и виды индикаторы сапротрофности, 20 %

Р/В коэфициенты, 10 %

Общая численность, 20 %

Общая биомасса, 20 %

Общее число видов, 10 %

Количество групп по стандартной разработке, 10 %

Число видов в группе, 10 %

Биомасса основных групп, 10 %

Число основных групп, 10 %

Массовые виды и виды индикаторы сапротрофности, 10 %

Число видов, 10 %

Отношение промысловых видов к общему числу, 5 %

Численность, 30 %

Биомасса, 30 %

Чичсленность и биомасса основных

Рыбопродуктивность, 5 %

групп,

Редкие виды и виды-эдификаторы, 10 %

Влияние водоемов на микроклимат, 20 %

Средозащитные, 40 %

Лесозащитные, 40 %

Эстетические достоинства, 10 %

Рекреационные возможности, 10 %

Санитарно-гигиенические показатели, 20 %

Эксплуатационно-производственные факторы, 40 %

Историко-культурные факторы, 5 %

Водохозяйственные факторы, 10 %

Водно-болотная фауна, 5 %

Рис. 1. Ранжирование основных абиотических и биотических факторов водной экосистемы

40 %

10 %

Оптимальное значение определяется, прежде всего, из экологических стандартов и показателей, действительных на ближайший отрезок времени. Цель оценки состояния экосистемы имеет долгосрочный характер, поэтому можно предположить и изменение значений, считающихся в настоящее время оптимальными (например, действующие нормативы ПДК по воде). Основываясь на этом, нами приняты следующие границы по нормированному показателю:

- свыше 105 % оптимального значения - полностью (вполне) пригодный;

- 90-104 % - пригодный;

- 70-89 % - частично пригодный;

- ниже 70 % - не пригодный.

Соответственно расчетные перспективные негативные изменения в интегральном показателе качества экосистемы на уровне:

- 0-5 % - допустимые;

- 6-15 % - частично допустимые;

- 16-30 % - угрожающие;

- свыше 30 % - недопустимые.

Производя бальную оценку факторов, устанавливали их значение с учетом меры необходимости и влияния на оцениваемую среду.

При оценке качества водной среды на изучаемой территории особенно пригодным для иерархизации факторов является метод частичного парного сравнения [2]. Сумма полных оценок всех выбранных факторов называется интегральным показателем качества среды. В качестве границы, которая сохраняет достаточно возможностей для оценки нарушений, используются 20-30 факторов, влияющих на состояние экосистемы. Из общего комплекса 60 показателей (см. рис. 1), для оценки состояния выбрано 25. Иерархиезация факторов проводилась методом экспертных оценок, упорядочение значений факторов - при помощи треугольника Фуллера, действительного для всех анализируемых точек (рис. 1).

Одновременно определен интегральный показатель качества среды V в трех районах, представленный суммой произведений веса и бальной оценки отдельных факторов.

Классификация среды:

Первая категория: 900 < V < 1200 - вполне пригодная

Вторая категория: 600 < V < 900 - пригодная

Третья категория: 300 < V < 600 - частично пригодная

Четвертая категория: V = 300 - непригодная

Разработка модели антропогенного воздействия шахтных вод на р. Самара проводилась в соответствии с концепцией экологического нормирования, которая гарантирует устойчивое функционирование экосистемы [2; 3; 5].

Результаты и их обсуждение

Изучение воздействия шахтных вод на экосистему реки Самара проводилось в точках, позволяющих оценить состояние реки до впадения, в месте впадения и на расстоянии 30 км после впадения шахтных вод. Сравнивались данные, полученные в 1992 и 2002 гг.

По интегральному показателю качества водной среды как в 1992 г. так и в 2002 г. районы до воздействия, в месте воздействия и после их воздействия оценивается как пригодные, подпадая во вторую категорию (табл. 1).

Разница между состоянием р. Самары в районе поступления шахтных вод и до поступления составляет за исследованные периоды 0,2 % по интегральному показа-

телю и 0,1 % - по нормированному показателю качества водной среды. В районе после действия шахтных вод изменения составили по интегральному показателю 10,1 %, по нормированному - 7,1 %.

Таблица 1

Состояние качества водной среды р. Самара (1992-2002 гг.)

Точки наблюдений До воздействия шахтных вод В месте воздействия шахтных вод После воздействия шахтных вод

Годы 1992 2002 1992 2002 1992 2002

Интегральный показатель 846,5 845,5 692,0 693,5 861,0 774,0

Нормированный показатель 70,5 70,4 57,7 57,8 71,6 64,5

Система выдерживает сложившуюся нагрузку, вероятно, за счет способности р. Самара к самоочищению, благодаря особому гидробиологическому режиму в месте сброса и устойчивости на участке после сброса шахтных вод.

Отсутствие заметного изменения в точках до и после впадения шахтных вод за 10 лет подтверждает не только прогноз в части релаксации, но обращает внимание на особую стабильность р. Самара (табл. 2).

Таблица 2

Изменения параметров экосистемы р. Самара в период с 1990 по 2002 г.

Параметры системы До впадения шахтных вод В месте впадения шахтных вод После впадения шахтных вод

Резистентность 0,95 1,06 1,35

Чувствительность 1,05 0,94 0,74

Буферность 463,60 235,00 174,40

Как видно из приведенных в таблице значений картина резистентности в исследованных точках демонстрирует устойчивый рост, система стремительно теряет чувствительность, при чем на всем отрезке водотока. Аналогично за последние 10 лет снижается и буферность. Таким образом, существующий резерв устойчивости экосистемы р. Самара практически исчерпан, и дальнейшее повышение техногенной нагрузки может привести к достаточно быстрой деградации системы.

Биологические механизмы самоочищения загрязненного водного объекта ослабляются по мере увеличения загрязнения. Имея в месте загрязнения низкую устойчивость или потенциал самоочищения, «хрупкое равновесие» при изменении режима, форм уровня нагрузки, темп деградации будет весьма большим.

Отклонения в 9,2-10,1 % является пороговым значением выхода из стационарного состояния и постепенной деструкции широкого класса систем с организменным, популяционным и экосистемным типом организации.

В точке после воздействия шахтных вод система переходит к постепенной деградации, низкие значения интегрального показателя за прошедшие 10 лет не должны вводить в заблуждение. Узкое переходное пороговое значение для состояния экосистемы 0,2-1,1 %, отмеченное в 1990 г. и повторившееся в 2002 г., наводит на следующие выводы.

Системой достигнут некий предел известных биологических механизмов самоочищения. Именно природно-временной фактор, по И. В. Грибу [6], включая расход воды, пропускную способность, скорость течения, интенсивность аэрации и др., становится с 2002 г. ведущим фактором сукцессии гидроценозов. Любое изменение

природно-временного фактора переведет сукцессии р. Самара в тип «необратимо катастрофичных антропогенного происхождения».

Сохранение существующего состояния со сбросами и мягкое управление через весь природный комплекс бассейна среднего течения р. Самара может иметь надежду на оптимистический прогноз.

Изменение состояния водной экосистемы в результате действия шахтных вод, при сравнении комплексных показателей свидетельствует:

- по интегральному показателю качества - ухудшение на 18,2 %;

- по нормированному показателю качества - ухудшение на 18,1 %.

Разница между исходным и сложившимся состоянием после воздействия -

0,2 %. Согласно принятой классификации переход состояния экосистемы р. Самара во II категорию соответствует начальной стадии деградации экосистемы, здесь нагрузка превышает базовый фон в 1,4—2,0 раза.

Переход р. Самара в районе поступления шахтных вод в категорию III соответствует стадии структурных перестроек в экосистеме. Воздействие превышает базовый фон в 2,3-4,0 раза. Несомненно, что это совпадение не случайно, а отражает объективно существующие механизмы устойчивости экосистемы.

Полученная картина достаточно красноречиво характеризует процесс техногенной трансформации водной экосистемы. Данные полных значений факторов подтверждают положение, что в рассматриваемом нами случае химическое загрязнение выступает ведущим фактором, определяющим структуру и функционирование всех основных компонентов экосистемы.

Наиболее очевидной представляется реакция экосистемы на такой показатель, как минерализация воды. В данных условиях водная экосистема р. Самара сможет функционировать наиболее устойчиво и с максимальной эффективностью, если колебания уровня минерализации на протяжении года не будут выходить за пределы 2,4-2,8 г/л. При этом, чем меньше будет размах колебаний и ближе удерживаемый уровень к значениям 2,4 г/л, тем более устойчиво и продуктивно будет функционировать система. Превышение уровня минерализации свыше 3,0-3,5 г/л можно считать для системы критическим. В этом случае вероятность трудно прогнозируемых изменений и перестроек возрастает многократно. Несомненно, что система будет претерпевать коренные преобразования как по численности видов, так и по их биомассе.

Один из важнейших выводов относительно форм реакции большинства параметров касается наличия ярко выраженной «ступенчатости» в зависимости доза-эффект.

Реакция водной экосистемы р. Самара на нагрузку (загрязнение) существенно не линейна. Имеется два уровня близких средних значений до и после сбросов с очень резким переходом между ними. Экосистема реагирует на резкое воздействие не постепенным изменением параметров, а по закону «все или ничего», включая механизм резистентности, упругости, буферности. Существование порогов в реакции экосистемы, т. е. области нагрузок, при которых не обнаруживается существенных изменений, является проявлением феномена устойчивости экосистемы, наличия у нее эффективных механизмов саморегуляции. Соответственно пороговые значения нагрузок оценивают «запас устойчивости» экосистемы, в пределах которого воздействие на нее допустимо.

Полученное совпадение пределов допустимых изменений по интегральному и нормированному показателю с заданной перспективной классификацией является достаточно предсказуемым фактом.

Участок градиента нагрузки, на котором происходит скачок между уровнями, для широкого класса экосистем крайне узок, его доля обычно составляет 5-10 % [2; 3]. «Включение» в экосистеме механизмов «защиты», повышение интенсивности адаптационных процессов выводит систему на некий средний уровень функционирования, «восстанавливая» жизнеспособность.

Сложившаяся к 1990-2002 гг. ситуация демонстрирует три качественно различных состояния водной экосистемы: два относительно стабильных и одно неустойчивое (критическое). Критическое состояние в районе сбросов является неустойчивым и «настроенным» на воздействие как антропогенных, так и естественных факторов. Последние могут удерживать систему в квазистационарном состоянии, близком к среднему фоновому, либо подталкивать в сторону резкого необратимого изменения.

Изменение режимов и объемов сбросов для участка после их воздействия будет губительным, независимо от расстояния до источника, модифицирующих факторов, степени чувствительности различных видов, популяций, сообществ или компонентов экосистемы. Другими словами, чем дольше будет сохраняться режим воздействия по уровню 1990-2002 гг., тем внезапнее и резче изменится состояние экосистемы р. Самара в дальнейшем при изменении техногенной нагрузки.

Задача заключается в удержании экологического равновесия р. Самара на таком уровне, чтобы граница между значениями интегрального показателя не выходила за установленные пределы. Экологические нормативы на предполагаемые воздействия должны быть определены по области критического перехода 15-28 %.

Выводы

По результатам оценки изменения состояния водной экосистемы р. Самара в период 1990-2002 гг. установлено следующее.

1. Реакция водной экосистемы р. Самара на воздействие существенно не линейна - имеются два близких средних значения состояния до и после сброса с узким переходом между нами.

2. Наличие порога в реакции водной экосистемы определяется уровнем ее устойчивости, наличием эффективных механизмов саморегуляции.

3. Установленные подпороговые значения нагрузок оценивают механизмы гомеостатичности, резистентности, упругости, буферности - т. е. «запас устойчивости» экосистемы, в пределах которого воздействия на нее допустимы. В данном конкретном случае для р. Самара это равномерный сброс шахтных вод на протяжении всего года с поддержанием уровня минерализации в пределах 2,4-2,6 г/л с приближением к нижней границе, а также максимальное снижение размаха колебаний минерализации, что будет способствовать оздоровлению и увеличению степени устойчивости системы. Желательно, чтобы минерализация 2,6 г/л поддерживалась непосредственно в точке сброса шахтных вод с последующим ее снижением вниз по течению.

Уровни воздействия должны соответствовать установленному пороговому уровню нагрузки на водную экосистему. В противном случае релаксации не произойдет, и р. Самара необратимо деградирует, вызывая каскадные катастрофические изменения прилегающих ландшафтов.

Библиографические ссылки

1. Алекин О. А., Семенов А. Д. Скопинцев Б. А. Руководство по химическому анализу вод суши. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 360 с.

2. Бобылев Ю. П. Оценка состояния герпетофауны в системе регионального мониторинга // Мониторинговые исследования экосистем степной зоны, их охрана и рациональное использование. - Д.: ДГУ, 1988. - С. 137-145.

3. Базилевич Н. И., Гребенщиков О. С., Тишков А. А. Географические закономерности структуры и функционирования экосистем. - М.: Наука, 1986. - 296 с.

4. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем / Э. Вайнерт и др. - М.: Мир, 1988. -350 с.

5. Воробейчик Ю. П., Садыков О. Ф., Фарафонтов Н. Г. Экологическое картирование техногенных загрязнений назеемных экосистем (локальный уровень). - Екатеринбург: Наука, 1994. - 280 с.

6. Гриб Й. В. Концептуальні положення екологічної оцінки та оздоровлення порушених річкових систем // Екологія та ноосферологія. - 2001. - Т. 10, № 1-2. - С. 106-119.

7. Здоровье среды: методика оценки / В. Н. Захаров и др. - М.: Изд. Центра экол. полит., 2000. - 65 с.

8. Куркин К. А. Системные исследования динамики лугов. - М.: Наука, 1976. - 284 с.

9. Левич А. Л., Максимов В. Н., Булгаков Н. Г. Теоретическая и экспериментальная экология фитопланктона. Управление структурой и функциями сообществ. - М.: НИП, 1977. -184 с.

10. Михайлов В. Н. Гидрологические процессы в устьях рек. - М.: Мир, 1998. - 299 с.

11. Руководство по методам гидробиологического анализа поверхностных вод и донных отложений / Под ред. В. А. Абалумова. - М.: Гидрометеоиздат, 1983. - 239 с.

12. Тикунов В. С., Цапук Д. А. Устойчивое развитие территорий: картографоинформационное обеспечение. - Смоленск: СГУ, 1999. - 176 с.

13. Эдмонсон Т. Практика экологии. Об озере Вашингтон и не только о нем. - М.: Мир, 1988. - 299 с.

Надійшла до редколегії 29.04.03.

УДК 639.21.3.(262.5.05)

В. А. Малаховский, Л. И. Старушенко

Одесский национальный университет им. И. И. Мечникова

О ВОЗМОЖНОСТИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ВИДОВОГО СОСТАВА ПРОМЫСЛОВОЙ ИХТИОФАУНЫ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО ШЕЛЬФА ЧЕРНОГО МОРЯ И ПРИЧЕРНОМОРСКИХ СОЛЕНЫХ ЛИМАНОВ

Представлені шляхи штучного відновлення промислової іхтіофауни північно-західного Причорномор’я, як однієї з найбільш продуктивних ділянок моря. Трансформація природних екосистем регіону наочно виявилась в несприятливих змінах іхтіоценоза під впливом як природних, так і антропогенних факторів.

Введение

Северо-западная (с.-з.) часть Черного моря, наряду с Керченским предпроливь-ем, является наиболее продуктивной частью моря. Вместе с тем современное северозападное Причерноморье - интенсивно осваиваемый регион. Его водоемы подвержены антропогенному воздействию, что характерно как для самого Черного моря, так и для прибрежных участков, включая лиманы.

© Малаховский В. А., Старушенко Л. И., 2003