Методологический подход к оценке экологического состояния речных систем по гидрохимическим и гидробиологическим показателям

Одной из задач фундаментальных исследований водных экосистем является количественная оценка допустимых пределов антропогенной нагрузки, при которых сохраняется устойчивость экосистемы. В результате антропогенного воздействия большинство водных объектов к настоящему времени в той или иной степени трансформированы, что обусловлено в значительной степени их евтрофированием и увеличением поступления токсических веществ со сточными водами [1]. Всестороннее изучение свойств экосистем и механизмов формирования их откликов на различные антропогенные воздействия позволяет в конечном итоге подойти к нормированию антропогенной нагрузки и выявлению критической точки необратимых изменений в биологических системах [2, 3]. В связи с этим, разработка научно- обоснованных критериев состояния пресноводных экосистем под воздействием различных факторов антропогенного происхождения становится все более актуальной и чрезвычайно сложной задачей. До сих пор не существует (да и не может существовать) универсального метода оценки экологического состояния речных систем. Одним из способов решения столь сложной задачи может служить комплексная количественная оценка уровней факторов воздействия, вызывающих неблагополучное состояние экосистемы.

Методологические принципы конструирования обобщенных критериев оценки экологического состояния водных объектов

Изменения в функционировании пресноводных экосистем отображаются посредством множества наблюдаемых параметров, описывающих как среду обитания (гидрологические и геоморфологические факторы, концентрации химических элементов в различных точках бассейна, органолептические и санитарные свойства воды), так и биотические элементы (численность и видовой состав водных организмов, наличие структурных и функциональных изменений). Для практической оценки экологического состояния рек наиболее рационален путь комплексирования тем или иным способом параметров функционирования экосистемы в один или несколько индексов, играющих роль интегрального критерия, основанных на достаточно небольшом числе наиболее информативных показателей, каждый из которых отражает ту или иную специфичность в характере

Таблица 1. Некоторые характеристики р. Чапаевка

Характеристики Размерность Значения Длина реки L, км 290 Площадь водосбора F, км 2 4040 Расход воды Q, м3/с 2,49 Годовой    объем    сточных    вод, поступающих в реку - недостаточно - очищенных - условно - чистых VH.o., млн.м3 х л 3 Vy.4., млн.м 16,597 15,352 жизнедеятельности экосистемы.

С формальных позиций выбранный критерий должен отвечать следующим основным требованиям:

• -    адекватность, т.е. его значение должно в полной мере соответствовать процессам в реальной экосистеме;

• -    массовость, т.е. он должен быть работоспособен на широком множестве примеров;

• -    результативность, т.е. он должен вычисляться с использованием неспецифических (т.е. традиционных для широкого мониторинга) исходных данных и доступных методов обработки;

• -    детерминированность, т.е. его описание не подлежит неоднозначному толкованию.

К настоящему времени разными авторами [4-14] предложено большое число способов комплексирования составляющих показателей в обобщенный индекс, которые не свободны от тех или иных недостатков при их практическом региональном применении и требуют осмысленного применения. Критический детальный анализ разнообразных методов изложен А.И. Бакановым [11] и не входят в задачу настоящей публикации.

Для практического решения вопросов, связанных с оценкой экокризисности водных объектов, необходима методология построения обобщенных критериев как для контроля критического уровня антропогенных воздействий, так и для оценки степени "деформации" экосистемы. Предлагаемый способ комплексной оценки речной системы на основе интегрального индекса экологического состояния экосистемы

(ИИЭС), дает возможность оценить суммарный эффект воздействия загрязнения на сообщества гидробионтов или на экосисте-

Таблица 2. Градации концентраций химических веществ для вычисления балльной оценки гидрохимического состояния водного объекта (ИХС)

Показатели	Размерность	Баллы
		1	2	3	4
		Пределы изменения концентраций
Химическое потребление кислорода ( ХПК )	мг О/л	> 60	31 - 60	20 - 30	< 20
Азот аммонийный N - NH 4	мг /л	> 2,5	0,51 - 2,5	0,20 - 0,5	< 0,20
Азот нитратный N - NO 3	мг /л	> 2,5	0,71 - 2,5	0,30 - 0,70	< 0,30
Азот нитритный N - NO 2	мг /л	> 0,1	0,021 - 0,1	0,005 - 0,02	< 0,005
Фосфаты P – PO 4	мг /л	> 0,3	0,101 - 0,3	0,03 - 0,1	< 0,03
Фенолы	Мкг /л	> 10	1 - 10	Следы	0

Таблица 3. Градации биологических показателей для вычисления балльной оценки экологического состояния водного объекта

Показатели Размерность Баллы 1 2 3 4 Пределы изменения показателей Численность макрозообентоса N экз./м2 0 - 500 501-1000 1001-10000 >10000 Биомасса Â г/м2 1 - 5,0 5,1 - 10,0 10,1- 15,0 > 15,0 Количество видов n экз. 0 - 5 6 - 10 11 - 15 > 15 Индекс видового разнообразия Шеннона II бит/экз. 0 - 1,0 1,1 - 2,0 2,1 - 3,0 > 3,0 Биотический индекс V - 0 - 2 2 - 4 4 - 6 >6 Индекс Пареле Ä - 0,81 -1,00 0,56 - 0,80 0,30 - 0,55 < 0,30 му в целом. ИИЭС представляет собой комбинацию двух составляющих, характеризующих следующие основные факторы:

• а)    качество воды в водотоке (индекс экологического состояния по химическим параметрам ИХС), оцениваемое как

ихс = ( Е Hi) / Nh,         (1), где:

H i - используемые гидрохимические показатели, выраженные в относительных единицах (баллах);

N h - количество отобранных химических показателей,

• б)    состояние сообществ зообентоса (индекс экологического состояния по биологическим параметрам ИБС) как

ИБС = ( Е Bi) / Nb,        (2), где:

B i - используемые биологические показатели, выраженные в относительных единицах (баллах);

N b - количество отобранных биологических показателей.

Основной подход к построению индексов заключается в следующем:

• -    используются данные гидрохимического мониторинга и количественные био

логические показатели организмов зообентоса, полученные в результате натурных наблюдений,

• -    выделяется множество измеряемых или рассчитываемых показателей и каждый из них делится на диапазоны (с использованием статистических методов или экспертных оценок),

• -    каждому диапазону показателя ставится в соответствие оценка в баллах,

• -    для каждого тестируемого объекта (например, участка реки) индекс определяется как усредненная сумма всех показателей в баллах.

Интегральный(обобщенный) индекс экологического состояния водотока определяется как

ÈÈÝÑ = ( Σ B_i+ Σ H_i) / (N_b, + N_h )

Предложенный метод комплексной оценки экологического состояния водных объектов был использован при исследовании малых и средних реках лесной и лесостепной зон Среднего Поволжья, которые различаются гидрологическими характеристиками [15] уровнем и характером антропогенной нагрузки (рр. Чапаевка, Сок, Бай-туган).

Таблица 4. Интегральная оценка экологического состояния водоемов по гидрохимическим показателям на примере р.Чапаевка (в столбцах таблицы: а - натуральное значение показателя, б -оценка в баллах)

Показатели	Участки реки*
	I (ст. 1)		I (ст. 2)		II (ст. 3)		III (ст. 4)		III (ст. 5)		IV (ст. 6)
	а	б	а	б	а	б	а	б	а	б	а	б
Химическое потребление кислорода ( ХПК )	43,7	2	36,6	2	39,5	2	143,7	1	83,9	1	51	2
Азот аммонийный N-NH 4	0,23	3	0,13	4	0,77	2	2,42	2	0,85	2	0,79	2
Азот нитратный N-NO 3	0,27	4	0,25	4	0,33	3	0,70	2	0,31	3	0,46	3
Азот нитритный N-NO 2	0,002	4	0,008	3	0,056	2	0,266	1	0,152	1	0,070	2
Фосфаты P-PO 4	0,023	4	0,054	2	0,021	4	0,250	2	0,129	2	0,150	2
Фенолы	1	2	0	4	0	4	3	2	3	2	1	2
Сумма баллов	19		19		17		10		11		13
Среднее значение показателя в баллах ( ИХС )	3,2		3,2		2,8		1,7		1,8		2,2

* Станции: ст. 1 - верховье реки, ст 2 - 70 км от истока, ст. 3 - 40 км выше г.Чапаевска, ст. 4 - 1 км ниже г.Чапаевска, ст. 5 - 30 км от устья, ст. 6 - устье р.Чапаевка.

На основании многолетних комплексных исследований, проводимых сотрудниками Института экологии Волжского бассейна, ранее установлено, что некоторые равнинные реки ( или участки рек) бассейна Средней Волги по степени антропогенной нагрузки и нарушения природных экосистем относятся к районам чрезвычайной экологической ситуации [1]. В связи с этим, в качестве примера оценки экологического состояния выбрана р.Чапаевка (табл. 1). как одна из самых загрязненных и трансформированных рек в условиях многокомпонентного антропогенного воздействия. Выбор реки обусловлен также высокой степенью ее изученности - от количественной оцен ки различных видов антропогенной нагрузки и комплексных гидрологических, гидрохимических и гидробиологических исследований до интегральной оценки "здоровья" экосистемы реки [1].

Река Чапаевка - левобережный приток Саратовского водохранилища, испытывающий мощный антропогенный пресс - техногенный и сельскохозяйственный. Характерной особенностью р.Чапаевка является ярко выраженная неоднородность как по комплексу гидрологических, гидрохимических и гидробиологических показателей, так и по величине антропогенной нагрузки, что определяет необходимость ее районирования на ряд отдельных участков. Река в вер-

Таблица 5. Интегральная оценка экологического состояния водоемов по биологическим показателям на примере р.Чапаевка (в столбцах: а - натуральное значение показателя, б - оценка в баллах)

Показатели Участки реки I (ст. 1) I (ст. 2) II (ст. 3) Ш(ст.4) Ш(ст. 5) IV(cт. 6) а б а б а б а б а б а б Численность, тыс.экз/м 2 16,0 4 6,5 2 0,53 2 0 1 0,16 1 0,92 2 Биомасса, г/м2 24,3 4 19,2 4 5,1 2 0 1 0,14 1 6,3 2 Количество видов 11 3 20 4 6 2 0 1 1 1 6 2 Индекс видового разнообразия Шеннона, бит/экз. 1,77 2 2,61 3 1,59 2 0 1 0,1 1 2,14 3 Биотический индекс 5 3 4-5 3 2 1 0 1 0-1 1 3 2 Индекс Пареле 0,55 3 0,44 3 0,33 3 0 1 0,95 1 0,8 2 Сумма Баллов 19 19 12 6 6 13 Среднее значение показателя в баллах (ИБС) 3,2 3,2 2,0 1,0 1,0 2,2 хнем течении (I - участок, ст.1,2) слабо освоена сельскохозяйственной деятельностью человека; среднее течение (II участок, ст. 3) находится под воздействием поверхностных стоков с сельскохозяйственных полей и животноводческих ферм; ниже г. Чапаевски (Ш участок, ст. 4,5) в реку поступают недостаточно очищенные и неочищенные промышленные сбросы сточных вод комплекса химических и нефтехимических предприятий; а в нижнем течении (IV участок, ст. 6) определяющим фактором состояния воды является гидрологический режим -разбавление загрязненных вод реки, в результате подпора, менее минерализованными водами Саратовского водохранилища.

Комплексная оценка экологического состояния водного объекта

Для определения интегрального критерия экологического состояния реки нами были отобраны две группы наиболее информативных и достаточно стандартных показателей:

• •    гидрохимические показатели, отражающие характер поступления загрязняющих веществ: содержание органических веществ по ХПК, минеральных форм азота, фосфатов и летучих фенолов;

• •    гидробиологические параметры, наиболее часто используемые для разработки интегральных показателей качества воды [8-11, 16-19]: численность и биомасса макрозообентоса, число видов, видовое разнообразие сообществ бентоса, оцениваемое с помощью индекса Шеннона, биотический индекс Вудивисса (с модификациями для рек Среднего Поволжья), олигохетный индекс Пареле.

Для вычисления ИИЭС все единичные данные гидрохимического и биологического мониторинга были переведены в одни и те же безразмерные единицы - баллы (табл.2, 3). При определении индекса экологического состояния по гидрохимическим показателям в основу ранжирования балльной

Рис. 1. Зависимость между составляющими ИЭС но химическим и биологическим показателям системы взяты разработки О.П. Оксиюк c соавторами [7]. Результаты расчетов ИХС и ИБС для р. Чапаевка согласно формулам (1) и (2) представлены в таблицах 4, 5.

Исходя из рассчитанных индексов ИХС и ИБС (табл.3, 4) в отдельности появляется возможность выполнить классификацию водных объектов по степени их экологического состояния, как показано на рис.1. Однако, тогда в зону относительного экологического благополучия попадают как водные объекты с "чистой" водой, но с угнетенной биологической системой, так и наоборот. Поэтому, используя обозначения формул (1) и (2) и определяя интегральный индекс экологического состояния (ИИЭС, формула 3 ), появляется возможность выделить зоны

Рис. 2. Распределение индексов экологического состояния (ИИЭС) и антропогенной нагрузки по течению р. Чапаевка экологического состояния р. Чапаевка в соответствие с нормативными документами [20] и определить их числовые диапазоны,

Таблица 6. Исходные данные для расчета антропогенной нагрузки на бассейн р.Чапаевка

Показатели	Размерность	Участки
		I	II	III	IV
Площадь бассейна	2 г,км	845	2649	187	359
Площадь бассейна, занятая под с/х культуры	2 гс, км	508	1675	127	228
Распаханность бассейна	П, %	60	63	67	64
Количество удобрений	т / год	800	7040	724	1045
Количество сельского населения	П н , чел.	8900	29370	2225	4005
Количество крупного рогатого скота	^ К.Р.С. , тыс. голов	20	57	3,5	7,5
Количество свиней	^ С. , тыс. голов	12,5	35,8	7,0	5,7
Количество мелкого рогатого скота	^ М.Р.С. , тыс. голов	23,1	70,4	6,2	14,8

Таблица 7. Распределение антропогенной нагрузки по районам бассейна р.Чапаевка

Вид нагрузки Участки I II III IV величина балл величина балл величина балл величина балл Техногенная : -условная масса - - - - - - загрязняющих веществ г/м3 - - - - 71,4 7 - - - условный объем 251,0 7 сточных вод, л/м3 Рассредоточенные Источники. Показатель загрязнения: - от сельского населения, 10,5 2 11,1 2 11,9 2 11,2 2 чел/км2 - от животноводства, 35,3 4 32,3 4 44,0 4 34,0 4 гол/км2 - 0 - 1 - 1 - 1 - от рыбного хозяйства - 1 - 1 - 1 - 1 - от рекреации см. см. см. см. - от распаханности и табл.6 2 табл.6 3 табл.6 4 табл.6 3 количества удобрений ВСЕГО 9 11 26 11 которые представлены на табл.7 и рис. 2:

• -    Зона экологического бедствия (значения величин ИИЭС менее 2 ) охватывает район примерно 30 км от точечного источника загрязнения (ст. 4 и 5) и характеризуется высокой степенью концентрации поллютантов (тяжелые металлы, хлорор-ганические пестициды) и отсутствием или единичной встречаемостью донных организмов.

• -    Зона экологического кризиса (значения величин ИИЭС от 2 до 3) имеет локальные источники загрязнения, занимает район реки выше г.Чапаевска (ст.3, 6) и прилегающий к нему приустьевой участок на расстоянии около 30 км, в которой ре

гистрируются максимальные отклонения значений химических и биологических показателей от сравниваемых в других зонах.

• -    Зона относительного экологического благополучия (значения величин ИИЭС свыше 3) занимает район верхнего и среднего течения реки (ст. 1, 2), не подверженный промышленным стокам и характеризуется высоким видовым разнообразием, увеличением численности и биомассы макрозообентоса, отсутствием морфологических аномалий у донных организмов.

Представляет интерес сравнение полученных расчетов ИИЭС, базирующихся на данных мониторинговых наблюдений, с результатами оценки величины антропогенной

Таблица 8. Обобщенная оценка участков р. Чапаевка c учетом интенсивности антропогенной нагрузки

Участок реки Антропогенная нагрузка Зона экологического состояния по ИИЭС Сумма баллов Коэффициент К Баллы с учетом К Интенсивность антропогенной нагрузки Баллы Характеристики зоны I 9 9 слабая 3,2 Относительного экологического благополучия II 11 0,2 13 умеренная 2,4 Экологического кризиса III 26 0,6 34 чрезвычайно большая 1,4 Экологического бедствия IV 11 0,2 18 значительная 2,2 Экологического бедствия нагрузки на разные участки р.Чапаевка, используя статистические материалы 2ТП -водхоз (объем сточных вод, количество загрязняющих веществ в них) и данными "Средволгогипроводхоза" (количество вносимых на поля удобрений, средняя урожайность сельскохозяйственных культур, посевные площади, поголовье скота).

Интегральная оценка распределения и интенсивности антропогенной нагрузки на различные участки р.Чапаевка

За основу определения интенсивности антропогенного пресса на р. Чапаевка взята "Методика оценки антропогенной нагрузки на малые реки Московской области" и исходные материалы, представленные в табл.б.

"Методика ...1997" позволяет определить совокупную нагрузку на бассейн реки как сумму баллов, оценивающих интенсивность возможного поступления загрязняющих веществ со сточными водами от точечных сбросов техногенного происхождения, а также от разнообразных рассредоточенных источников.

Заключительные результаты расчетов абсолютных величин различных видов антропогенной нагрузки и выраженных в балльной системе на участки бассейна р.Чапаевка представлены в табл.7.

Полученные значения суммы баллов нормируются согласно Методике.,.1997 и приводятся к системе градаций, позволяющих отнести изучаемый объект к одной из б категорий по степени антропогенной нагрузки от "чрезвычайно слабой" до "чрезвычайно большой" (рис.2).

В указнной методике не учтен такой важный фактор как возможный перенос массы загрязняющих веществ по течению реки из выше в нижерасположенные участки. Этот фактор зависит, в первую очередь, от гидрологических особенностей участков

Зависимость между составляющей ИЭС по химическим показателям (ось У) и антропогенной нагрузкой (ось X)

Рис. 3. Корреляционная связь "антропогенная нагрузка - ИХС"

(глубина, скорость течения, возможность разбавления водой притоков и т.д.). Не последнюю роль могут сыграть также процессы самоочищения (биодеструкция, седиментация и др.), происходящие непосредственно в водном объекте. В связи с этим, нами, для уточнения нагрузки на отдельные участки водотока, введен коэффициент переноса поллютантов (К) , который имеет физический смысл доли загрязняющих веществ, поступивших на вышележащий участок и перенесенных на участок, расположенный ниже по течению. Его величина варьирует в пределах от 0 (переноса антропогенной нагрузки не происходит) до 1 (вся нагрузка верхнего участка перешла на нижний). Поскольку расчет фактора переноса поллютантов аналитическим путем связан с очевидными методологическими трудностями, значения коэффициента К для различных участков р.Чапаевка были выбраны нами на основе оценок экспертов (табл.8).

Обобщенные показатели интенсивности антропогенной нагрузки на р.Чапаевка и оценки экологического состояния выделенных участков реки представлены в таблице 8 и на рис.2.

Корреляционная зависимость между ИХС, ИБС и величинами антропогенной нагрузки имеет отчетливый и статистически значимый обратно пропорциональный характер (что естественно, поскольку антропогенная нагрузка оценивает негативный для экосистемы фактор воздействия, а критерии экологического состояния - позитивный отклик ее "жизнеспособности"). Тесная корреляционная связь между антропоген-

Зависимость между составляющей ИЭС по биологическим показателям (ось У) и антропогенной нагрузкой (ось X)

Антропогенная нагрузка

Рис. 4. Корреляционная связь "антропогенная нагрузка - ИБС"

Рис. 5. Зависимость между антропогенной нагрузкой и интегральным индексом экологического состояния ной нагрузкой и оценками ИХС по химическим параметрам (г = 0,941) отражает причинно - следственные связи между воздействием и регистрируемым откликом (рис.3). Корреляционная взаимосвязь между величинами антропогенной нагрузки и индексом экологического состояния ИБС гидробионтов имеет также устойчивый , хотя и более слабый характер (г = 0,911), что объясняется некоторой нестационарностью экологического состояния участков реки 2 и 4, которые находятся в приграничной полосе экокризисных флуктуаций (рис.4).

Интегральная оценка экологического состояния (ИИЭС) водотока позволила выделить участки реки в соответствие с их экологическим состоянием, что адекватно зонам интенсивной антропогенной нагрузки (табл.8). Полученная кривая (рис.5) по форме и по своему смыслу является типичной S - образной функцией "воздействие - эффект" с характерной точкой перегиба, которая характеризует критический уровень антропогенной нагрузки, приходящийся на устьевой участок р. Чапаевка.

Заключение

Предлагаемый подход к интегральной оценке экологического состояния поверхностных вод при наличии базы данных по комплексу гидрохимических и гидробиологических параметров показал вполне адекватные результаты для средних и малых равнинных рек Среднего Поволжья. Оценка состояния экосистемы рек, объединяющая в себе абиотические и биотические показатели в виде числового выражения, носит на данном этапе исследований сугубо региональный характер и позволяет ранжировать критические уровни антропогенных нагрузок. Привлечение более широкой базы данных различных переменных, характеризующих состояние экосистемы, приведет к утяжелению расчетов, но к повышению достоверности получаемых числовых величин и нормативных критериев.

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы России " Возрождение Волги " по договору N 40/99-Д " Разработка системы мероприятий по охране, использованию и улучшению экологического состояния малых рек бассейна реки Волги " .

1 Методика оценки антропогенной нагрузки на малые реки Московской области разработана коллективом сотрудников кафедры гидрологии суши Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова под руководством проф.А.И. Алексеевского и любезно предоставлена нам для расчетов уровня критических антропогенных нагрузок на малые реки бассейна Средней Волги.