Интегральная оценка экологического состояния водных объектов по гидрохимическим и гидробиологическим показателям
Автор: Гелашвили Д.Б., Зинченко Т.Д., Выхриcтюк Л.А., Карандашова А.А.
Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc
Рубрика: Биология и экология
Статья в выпуске: 2 т.4, 2002 года.
Бесплатный доступ
В работе получили развитие методические принципы конструирования обобщенных критериев оценки экологического состояния водных объектов, предложенные ранее.
Короткий адрес: https://sciup.org/148197699
IDR: 148197699
Текст научной статьи Интегральная оценка экологического состояния водных объектов по гидрохимическим и гидробиологическим показателям
-
1 Нижегородский государственный университет
-
2 Институт экологии Волжского бассейна РАН, г. Тольятти
В работе получили развитие методические принципы конструирования обобщенных критериев оценки экологического состояния водных объектов, предложенные ранее [1].
Разработка научно-обоснованных критериев оценки экокризисности пресноводных экосистем, находящихся под антропогенным воздействием различной природы становится все более актуальной и чрезвычайно сложной задачей. Необходима методология построения обобщенных критериев как для контроля "критичности" антропогенной нагрузки так и для оценки степени трансформации экосистемы.
Для практической оценки экологического состояния водных объектов рационален, на наш взгляд, путь комплексирования тем или иным способом параметров функционирования экосистемы в один или несколько индексов, играющих роль интегрального критерия.
Принципы конструирования интегрального индекса экологического состояния (ИИЭС) водотоков, разработаны нами ранее [1] при исследованиях экосистемы одной из самых загрязненных рек Волжского бассейна р.Чапаевка (Самарская область). Для расчета индекса использованы наиболее информативные и широко используемые в практике гидрохимические (органическое вещество, минеральные формы азоты, фосфаты, летучие фенолы) и гидробиологические (численность
и биомасса макрозообентоса, число видов, видовое разнообразие, биотический и оли-гохетный индексы) показатели.
С целью уточнения и детализации предложенного индекса (ИИЭС), который представляет собой комбинацию двух составляющих, характеризующих качество воды в водотоке по гидрохимическим показателям (ИХС) и по биологическим параметрам (на примере сообществ зообентоса) (ИБС), внесены некоторые дополнения:
-
• Предлагается для установления непрерывности шкалы оценки качества состояния экосистемы, каждый из принятых нами [1] четырех измеряемых или рассчитываемых показателей, именуемых диапазоном или балльным классом (B i - от 1 до 4), дополнительно разделить на три разряда (табл.1).
-
• Разряды характеризуются весовым коэффициентом (а1), таким, что значения а В правого разряда предшествующего диапазона должно быть меньше соответствующего значения левого разряды последующего диапазона:
а .В ,<аВ .
1-1 1-1 1 1
Центральный разряд каждого диапазона (балльного класса) имеет ai=1, тогда средне-
Таблица 1 . Градации балльной оценки и весовые коэффициенты биотических и абиотических факторов
|
Баллы, В . |
1 |
2 |
3 |
4 |
||||||||
|
Весовые коэффициенты^ |
0,7 |
1,0 |
1,3 |
0,7 |
1,0 |
1,3 |
0,9 |
1,0 |
1,1 |
0,9 |
1,0 |
1,1 |
|
а . В 1 |
0,7 |
1,0 |
1,3 |
1,4 |
2,0 |
2,6 |
2,7 |
3,0 |
3,3 |
3,6 |
4,0 |
4,4 |
Таблица 2. Градации балльной оценки биологических показателей для вычисления экологического состояния водного объекта
|
Баллы B i |
1 |
2 |
3 |
4 |
||||||||
|
Весовые коэффициенты, а i |
0,7 |
1,0 |
1,3 |
0,7 |
1,0 |
1,3 |
0,9 |
1,0 |
1,1 |
0,9 |
1,0 |
1,1 |
|
Численность, экз./м2 , N |
0165 |
166330 |
331500 |
501665 |
666830 |
8311000 |
1001 4000 |
40017000 |
7001 10000 |
1000115000 |
15001 20000 |
>20000 |
|
Биомасса, г./м2 , B |
0,00 1,50 |
1,513,00 |
3,015,00 |
5,01 6,50 |
6,518,00 |
8,0110,0 |
10,01 11,50 |
11,51 13,50 |
13,5115,00 |
15,0118,00 |
18,0121,00 |
>21,00 |
|
Количество видов, n |
0-2 |
3-4 |
5 |
6-7 |
8-9 |
10 |
11-12 |
13-14 |
15 |
16 |
17-18 |
>19 |
|
Индекс видового разнообразия Шеннона, бит/экз., H |
00,40 |
0,410,70 |
0,711,00 |
1,01 1,40 |
1,41 1,70 |
1,712,00 |
2,01 2,40 |
2,41 2,70 |
2,713,00 |
3,01 3,40 |
3,41 3,70 |
>3,70 |
|
Биотический индекс Вудивисса, V |
0 |
1 |
2 |
3 |
- |
4 |
5 |
- |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Индекс Пареле, D |
0,931,00 |
0,860,92 |
0,810,85 |
0,730,80 |
0,650,72 |
0,570,64 |
0,560,49 |
0,480,40 |
0,390,31 |
0,300,21 |
0,200,11 |
<0,1 |
Таблица 3. Градации балльной оценки химических показателей для вычисления химического состояния водного объекта
личиной его балльной оценки (табл.1). формула определения интегрального индек-
Таблица 4. Интегральная оценка экологического состояния водоема по гидрохимическим показателям на примере р. Чапаевка (а по [1], б-с учетом a i )
|
Показатели |
Участок реки |
|||||||||||
|
Ст. 1 |
Ст. 2 |
Ст. 3 |
Ст. 4 |
Ст. 5 |
Ст.6 |
|||||||
|
а |
б |
а |
б |
А |
б |
а |
б |
а |
б |
а |
Б |
|
|
ХПК |
2 |
2 |
2 |
2,6 |
2 |
2,6 |
1 |
0,7 |
1 |
1,0 |
2 |
1,4 |
|
Азот аммонийный, N-NH 4 |
3 |
3,3 |
4 |
3,6 |
2 |
2,6 |
2 |
1,4 |
2 |
2,6 |
2 |
2,6 |
|
Азот нитратный, N-NO 3 |
4 |
3,6 |
4 |
3,6 |
3 |
3,3 |
3 |
2,6 |
3 |
3,3 |
3 |
3 |
|
Азот нитритный, N-NO 2 |
4 |
4,0 |
3 |
3,3 |
2 |
2 |
1 |
1,0 |
1 |
1,3 |
2 |
1,4 |
|
Фосфаты, P-PO 4 |
4 |
4,0 |
2 |
3,3 |
4 |
3,6 |
2 |
1,4 |
2 |
2,6 |
2 |
2 |
|
Фенолы |
2 |
2,6 |
4 |
4,0 |
4 |
4,0 |
2 |
2,6 |
2 |
2,6 |
2 |
2,6 |
|
ΣH i Σ (Hiai) |
19 |
19,5 |
19 |
20,4 |
17 |
18,1 |
11 |
9,7 |
11 |
13,4 |
13 |
13 |
|
N h (Σ a i ) |
6 |
6,3 |
6 |
6,3 |
6 |
6,7 |
6 |
5,7 |
6 |
7,3 |
6 |
5 |
|
ИХС |
3,2 |
3,1 |
3,2 |
3,2 |
2,8 |
2,7 |
1,8 |
1,7 |
1,8 |
1,8 |
2,2 |
2,6 |
Hi-- гидрохимический показатель, Nh ě количество химических показателей
Таблица 5. Интегральная оценка экологического состояния водоемов по биологическим показателям на примере р. Чапаевка (а по [1], б-с учетом ai)
|
Показатели |
Участок реки |
|||||||||||
|
Ст.1 |
Ст. 2 |
Ст.3 |
Ст.4 |
Ст.5 |
Ст. 6 |
|||||||
|
а |
б |
а |
б |
А |
б |
а |
б |
а |
б |
а |
Б |
|
|
Численность, экз./м2, N |
4 |
4,0 |
3 |
3,0 |
2 |
1,4 |
1 |
0,7 |
1 |
0,7 |
2 |
2,6 |
|
Биомасса, г./м2, B |
4 |
4,4 |
4 |
4,0 |
2 |
1,4 |
1 |
0,7 |
1 |
0,7 |
2 |
1,4 |
|
Количество видов, n |
3 |
2,7 |
4 |
4,4 |
2 |
1,4 |
1 |
0,7 |
1 |
0,7 |
2 |
1,4 |
|
Индекс видового разнообразия Шеннона, бит/экз., H |
2 |
2,6 |
3 |
3,0 |
2 |
2,0 |
1 |
0,7 |
1 |
0,7 |
3 |
2,7 |
|
Биотический индекс Вуди-висса, V |
3 |
2,7 |
3 |
2,6 |
1 |
1,3 |
1 |
0,7 |
1 |
0,7 |
2 |
1,4 |
|
Индекс Пареле, D |
3 |
2,7 |
3 |
3,0 |
3 |
3,3 |
1 |
1 |
1 |
1 |
2 |
1,4 |
|
* ΣB i Σ (B i a i ) |
19 |
19,1 |
20 |
20 |
12 |
10,8 |
6 |
4,5 |
6 |
4,5 |
13 |
10,9 |
|
* N b , (Σ a i ) |
6 |
6,1 |
6 |
6,4 |
6 |
5,5 |
6 |
4,5 |
6 |
4,5 |
6 |
5 |
|
ИБС |
3,2 |
3,1 |
3,3 |
3,1 |
2,0 |
1,9 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
2,2 |
2,2 |
Bi* - биологический показатель, Nb* ě количество биологических показателей
Таблица 6. Обобщенная оценка экологического состояния р. Чапаевка (а по [1], б-с учетом ai)
|
Показатель |
Участок реки |
|||||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|||||||
|
а |
б |
а |
б |
а |
б |
а |
б |
а |
б |
а |
б |
|
|
ΣH i +ΣB i H i a i +B i a i |
38 |
41,2 |
39 |
40,4 |
29 |
28,9 |
17 |
14,2 |
17 |
17,9 |
26 |
23,9 |
|
N b +N h (Σ a i ) |
12 |
12,4 |
12 |
12,7 |
12 |
12,2 |
12 |
10,2 |
12 |
11,8 |
12 |
10 |
|
ИИЭС |
3,2 |
3,3 |
3,2 |
3,2 |
2,4 |
2,4 |
1,4 |
1,4 |
1,4 |
1,5 |
2,2 |
2,4 |
Таблица 7. Некоторые показатели рек Верхней Волги (г. Нижний Новгород)
|
Реки |
L, км |
S, км2 |
h макс , м |
Q, м3/сек |
V, м/сек |
H макс , м |
Класс качества |
|
Черная |
19,0 |
61,2 |
0,7 |
0, 27 |
0,2 |
10 |
VI |
|
Рахма |
18,0 |
132,0 |
- |
1,0-21,0 |
0,5 |
6 |
V |
|
Кова |
11,0 |
41,0 |
1,0 |
3,0-5,0 |
- |
6,5 |
V |
|
Левинка |
- |
- |
2,0 |
- |
0,1-0,15 |
2,5 |
VI |
Таблица 8. Интегральная оценка экологического состояния рек г.Нижний Новгород по гидрохимическим показателям (а - метод расчета по [1], б - c учетом a i )
|
Показатели |
р. Черная |
р. Левинка |
Шуваловский канал |
р. Ржавка |
р. Борзовка |
р. Рахма |
р. Старка |
|||||||
|
а |
б |
а |
б |
а |
б |
а |
б |
а |
б |
а |
б |
а |
б |
|
|
Химическое потребление кислорода, ХПК |
1 |
0,7 |
2 |
2,0 |
2 |
2,6 |
4 |
3,6 |
4 |
4,0 |
1 |
1,3 |
1 |
0,7 |
|
Азот аммонийный, N-NH 4 |
2 |
2,6 |
2 |
2,6 |
2 |
1,4 |
2 |
2,6 |
3 |
3,0 |
2 |
2,0 |
1 |
1,0 |
|
Азот нитратный, N-NO 3 |
4 |
4,4 |
4 |
4,4 |
4 |
4,4 |
4 |
4,4 |
4 |
4,4 |
1 |
0,7 |
1 |
0,7 |
|
Азот нитритный, N-NO 2 |
2 |
1,4 |
2 |
1,4 |
1 |
0,7 |
1 |
1,0 |
1 |
1,3 |
1 |
1,0 |
1 |
0,7 |
|
Фосфаты, P-PO 4 |
1 |
1,3 |
2 |
2,6 |
3 |
3,3 |
3 |
3,3 |
2 |
2,0 |
4 |
4,0 |
4 |
4,0 |
|
Фенолы |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
ΣH i (H i a i ) |
10 |
10,4 |
12 |
13 |
12 |
12,4 |
14 |
14,9 |
14 |
14,7 |
9 |
9 |
8 |
7,1 |
|
N n ,(Σa i ) |
5 |
5,1 |
5 |
5,4 |
5 |
4,9 |
5 |
5,4 |
5 |
5,4 |
5 |
5 |
5 |
4,1 |
|
ИХС |
2,0 |
2,0 |
2,4 |
2,4 |
2,4 |
2,5 |
2,8 |
2,8 |
2,8 |
2,7 |
1,8 |
1,8 |
1,6 |
1,7 |
Таблица 9. Интегральная оценка экологического состояния малых рек г. Нижний Новгород по биологическим показателям (а - метод расчета по [1], б - c учетом ai)
|
Показатели |
р. Черная |
р. Левинка |
Шуваловский канал |
р. Ржавка |
р. Борзовка |
р. Рахма |
Р. Старка |
|||||||
|
а |
б |
а |
б |
а |
б |
а |
б |
а |
б |
а |
б |
а |
б |
|
|
Численность, экз./м2, N |
1 |
0,7 |
1 |
1,0 |
3 |
3,0 |
1 |
0,7 |
3 |
2,7 |
4 |
3,6 |
4 |
3,6 |
|
Биомасса, г./м2, B |
1 |
0,7 |
1 |
1,3 |
4 |
4,4 |
1 |
0,7 |
1 |
1,0 |
4 |
4,4 |
4 |
4,4 |
|
Количество видов, n |
1 |
0,7 |
1 |
1,0 |
4 |
3,6 |
1 |
0,7 |
1 |
0,7 |
1 |
1,3 |
1 |
1,3 |
|
Индекс видового разнообразия Шеннона, бит/экз., H |
1 |
0,7 |
2 |
2,6 |
3 |
3,3 |
1 |
0,7 |
1 |
1,0 |
2 |
1,4 |
2 |
2,0 |
|
Биотический индекс Вудивисса, V |
1 |
0,7 |
1 |
1,3 |
3 |
3,3 |
1 |
0,7 |
1 |
1,3 |
1 |
1,3 |
1 |
1,3 |
|
Индекс Пареле, D |
- |
0,7 |
4 |
4,4 |
3 |
2,7 |
1 |
0,7 |
4 |
4,4 |
1 |
1,0 |
1 |
0,7 |
|
ΣB i ,(a i B i ) |
5 |
4,2 |
10 |
11,6 |
20 |
20,3 |
6 |
4,2 |
11 |
11,1 |
13 |
13 |
13 |
13,3 |
|
N b ,(Σa i ) |
5 |
4,2 |
6 |
7 |
6 |
6,1 |
6 |
4,2 |
6 |
6 |
6 |
6,3 |
6 |
6,3 |
|
ИБС |
1,0 |
1,0 |
1,7 |
1,7 |
3,3 |
3,3 |
1,0 |
1,0 |
1,8 |
1,9 |
2,2 |
2,1 |
2,2 |
2,1 |
Таблица 10. Обобщенная оценка экологического состояния экосистем малых рек г. Нижний Новгород (а - метод расчета по [1], б- c учетом ai)
|
Показатели |
р. Черная |
р. Левинка |
Шуваловский канал |
р. Ржавка |
р. Борзовка |
р. Рахма |
р. Старка |
|||||||
|
а |
б |
а |
б |
а |
б |
а |
б |
а |
б |
а |
б |
а |
б |
|
|
ΣH i +ΣB i (a i H i +a i B i ) |
15 |
14,6 |
22 |
24,6 |
22 |
22,7 |
20 |
19,1 |
25 |
25,8 |
22 |
22 |
21 |
20,4 |
|
(N b +N h ), (Σa i ) |
10 |
9,3 |
11 |
12,4 |
11 |
11 |
11 |
9,6 |
11,4 |
11,4 |
11 |
11,3 |
11 |
10,4 |
|
ИИЭС |
1,5 |
1,6 |
2,0 |
2,0 |
2,0 |
2,1 |
1,8 |
2,0 |
1,8 |
2,3 |
2,0 |
1,9 |
1,9 |
1,9 |
THE INTEGRAL ASSESSMENT OF THE ECOLOGICAL STATES OF A WATER OBJECTS BY HYDROCHEMICAL AND HYDROBIOLOGICAL INDEXES
-
1 Nizhniy Novgorod State University
-
2 Institute of Eclolgy of the Volga River Basin of Russian Academy of Sciences, Togliatti
The methodological principles of construction of complex generalized criteria for assessment ecological state of water objects had been early [1], there are a description.
са экологического состояния (ИИЭС) водного объекта
ИИЭС = ( Z H ■ Z B ) / Z ( N h + N b ) будет иметь вид
ИИЭС = ZaK + ZaH Za .
Расчет индексов экологического состояния по гидрохимическим (ИХС) и биологическим (ИБС) показателям производится по:
^^aiBi (Hi)
ИБС ( ИХС ) = -i =1--------
I ai
i = 1
То есть, для более точного ранжирования уровня антропогенной нагрузки предлагается рассчитывать значения ИБС и ИХС не как среднеарифметическую , а как средневзвешенную величину (табл.2, 3).
Результаты расчетов индексов экологи-
ческого состояния р.Чапаевка с учетом детального ранжирования и весовых коэффициентов представлены в таблицах 4-6.
Апробация предложенного метода оценки состояния водных экосистем проведена в 2000г. на малых реках Верхней Волги (табл.7). Исследуемые реки, протекающие в пределах урбанизированной территории г. Нижний Новгород, испытывают значительный антропогенный пресс; ряд рек принимают сточные воды промышленных предприятий, объемом 3503,1тыс. м3/год. Комплексные исследования на реках проведены с использованием общепринятых методик гидрохимических и гидробиологических анализов, которые были использованы на р.Чапаевка [1, 2].
Качество воды рек по гидрохимическим параметрам оценивается V ‒ VI классами, т.е. вода "грязная" и "очень грязная". По данным биологического анализа получены аналогичные результаты [3, 4]. Расчеты интегрально-
го индекса экологического состояния экосистем рек Верхней Волги приведены в табл. 8-10.
Уместно напомнить, что интегральный индекс позволяет выделить зоны экологического состояния рек в соответствие с нормативными документами [5] и оценить их чис-
ловые диапазоны [1]. Исходя их рассчитанных индексов ИХС и ИБС в отдельности для р.Чапаевка была выполнена классификация водотока по степени экологического состояния отдельных его участков. Зоне экологического бедствия, согласно проведенным расчетам,
соответствует значения величин ИИЭС менее 2, зоне экологического кризиса - от 2 до 3, свыше 3- зоне относительного экологического благополучия.
Величины ИИЭС, рассчитанные для малых рек г. Нижний Новгород изменяются в интервале 1,5-2,0, что позволяет отнести все водотоки к зоне экологического кризиса.
Таким образом, метод интегральной оценки экологического состояния для малых равнинных рек Верхнего и Среднего Поволжья показал возможность использования его для водотоков с разным уровнем антропогенной нагрузки. Применение в расчетах ИИЭС весовых коэффициентов приводит к некоторому утяжелению расчетов, но к повышению достоверности получаемых числовых величин.
