Об экологической паспортизации городских водоемов

Автор: Розенберг Г.С., Гелашвили Д.Б., Зинченко Т.Д., Перешивайлов Л.А.

Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc

Статья в выпуске: 2 т.3, 2001 года.

Бесплатный доступ

Рассмотрены методы паспортизации городских водоемов (на примере городов Нижний Новгород и Тольятти) с целью оценки их экологического состояния и дальнейшего рационального использования.

Короткий адрес: https://sciup.org/148197659

IDR: 148197659

Текст научной статьи Об экологической паспортизации городских водоемов

"В результате все возрастающей хозяйственной, а в ряде случаев бесхозяйственной, деятельности людей усиливаются антропогенные воздействия на водоемы и водотоки. Они приводят к различного рода изменениям, а в ряде случаев даже необратимым, в экосистемах. Поскольку невозможно представить, что в обозримом будущем созидательная активность человечества резко сократиться или прекратиться вовсе, возникает необходимость поиска способов оптимальной эксплуатации водных экосистем, которые обеспечивали бы их неистощительное развитие" [1, с.5]. Эта цитата из последней книги одного из ведущих отечественных гидробиологов академика А.Ф. Алимова хорошо иллюстрирует необходимость разработки методов комплексной оценки экологического состояния водоемов (особенно, находящихся под сильным антропогенным прессом, городских водоемов крупных индустриальных центров). В соответствии с "Правилами охраны поверхностных вод" (1991 г.) городские водоемы, используемые в качестве рекреационных объектов, относятся к категории коммунально-бытового водопользования. Соответственно, требования к качеству воды, устанавливаемые для коммунально-бытового водопользования, распространяются на все участки водных объектов, находящихся в черте населенных мест независимо от вида их использования.

Отдельные городские водоемы давно уже стали предметом тщательного изучения. В Волжском бассейне показательны в этом плане озера Кабан в г. Казани, история ис следования которых насчитывает 200 лет [2]. Некоторые компоненты экосистем городских озер и прудов также неоднократно исследовались [3-6]. Однако, лишь во второй половине 90-х годов уже прошлого века в Нижегородском университете и Институте экологии Волжского бассейна РАН были разработаны соответствующие подходы и информационные системы для комплексной оценки экологического состояния городских водоемов, которые оформлялись в виде соответствующих паспортов. Экологический паспорт городского водоема (ЭПГВ) - это научнотехнический документ, включающий данные о состоянии водоема и его рекреационных ресурсах, необходимые для осуществления оперативного контроля за экологическим благополучием данного водного объекта. ЭПГВ представляет собой комплекс данных, выраженных через систему показателей, отражающих экологическое благополучие водоема в соответствии с регламентированными нормами охраны вод и требованиями к рекреационным зонам. Паспорт разрабатывается водопользователем (или по его поручению компетентной организацией), порядок согласования и утверждения ЭПГВ определяется органами местного самоуправления.

В ЭПГВ должны быть отражены следующие основные сведения:

• природно-географическая характеристика водоохранной зоны и прилегающей территории водосборного бассейна водоема:
- природные условия,
- рекреационная оценка лесопокрытой площади;
• гидрографо-гидрологическая характери

стика водного объекта;

• гидрохимическая характеристика водного объекта;
• гидробиологическая характеристика водного объекта:
- фитопланктон,
- зоопланктон,
- зообентос,
- бактериопланктон;

• комплексная оценка экологического состояния водного объекта;
• рекомендации по восстановлению и сохранению экологического благополучия водного объекта;
• план-график мероприятий по восстановлению и сохранению экологического благополучия водного объекта.

Сравнительный анализ ЭПГВ

Продемонстрируем работоспособность предлагаемого метода составления ЭПГВ и в качестве "модельных" объектов рассмот рим оз. Мещерское (г. Нижний Новгород, данные 1995 г.) и оз. Пляжное (г. Тольятти, 1999-2000 гг.).

Озеро Мещерское расположено в северо-восточной части Канавинского района Нижнего Новгорода, в 0,6-0,8 км южнее р. Волги и в 1,2 км западнее устья р. Оки. По происхождению озеро является когда-то существовавшей протокой, а затем - старицей Волги. В настоящее время оно утратило связь с основной рекой на уровне поверхностных вод как в силу естественных причин (развитие русловых процессов), так и в результате антропогенных воздействий (усиление урбанизации территории). Антропогенному преобразованию подверглось и само озеро: северный берег оконтурен железобетонной дамбой, в средней части озера построен железобетонный мост, в восточной - сооружен дренажный колодец.

Озеро Пляжное расположено в южной оконечности цепи Васильевских озер, в се

Таблица 1. Гидрографические и гидрологические характеристики городских водоемов

Параметры	Оз. Мещерское	Оз. Пляжное
Площадь водосборного бассейна, км ²	3,0	1,2
Средняя высота бассейна н.у.м., м БС	70-75	50-60
Глубина озера, м: максимальная	4,1	7,0
средняя	2,2	3,0
Ширина озера, м: максимальная	240	385
средняя	179	261
Длина озера, м	1100	620
Длина береговой линии, м	2700	1987
Площадь зеркала озера, км ²	0,197	0,160
Объем воды, тыс. м 3	440,2	487,5
Сведения об основных элементах водного баланса: • поверхностный приток (в среднем за год), л/сек	450	27
• сток из озера	отсутствует	отсутствует
• сумма осадков за год, мм	582	480
• испарение в безледный период, мм/мес	35-80	80
• водообмен с грунтовым бассейном, л/сек	до 15	2,3
• среднемесячное значение коэффициента водообмена	0,20-0,25	0,33
Максимально наблюдаемая температура в летний период, ^оС	24,0	24,2
Прозрачность воды (по диску Секки), м	1,8	1,3-3,0

Таблица 2. Гидрохимические характеристики городских водоемов

Параметры	Горизонт*	Концентрация веществ в среднем по водоему за период наблюдений (в ПДК)
		Оз. Мещерское		Оз. Пляжное
		средняя	тах	средняя	max
Содержание загрязняющих веществ в воде
Марганец	1	10	16	0,5	1,1
Марганец	2	13	30	0,8	1,7
Медь	1	2	3	0,01	0,02
Медь	2	4	5	0,01	0,04
Цинк	1	2,5	3,6	0,02	0,07
Цинк	2	3,5	8,0	0,03	0,15
Железо	1	2,1	5,3	0,29	0,6
Железо	2	3,4	10	0,46	0,9
Нефтепродукты	1	3	8	0,44	1,5
Нефтепродукты	2	3	10	0,38	0,8
БПК **	1	3,4	5,5	0,72	1,7
	2	2,8	5,4	0,68	1,8
ХПК	1			0,75	1,3
ХПК	2	не измерялась		0,63	1,2
Азот аммонийный	1	0,5	1,2	0,19	0,4
Азот аммонийный	2	0,4	0,7	0,26	0,9
Формальдегид	1 2	0,6 0,6	2,4 2,4	не измерялась
Содержание загрязняющих веществ в донных отложениях (в мг/кг с.в.)
Марганец		551	1450	320	527
Железо		10573	20150	15863	27300
Цинк		20	34	72	148
Хром (общ.)		не обнаружен		58	115
Медь		7,8	10	30	61
Никель		26	35	28	49
Свинец		0,4	0,5	22	45
Кадмий		4,3	5,0	1,0	1,1
ДДТ (мкг/г с.в.)		0,005	0,013	не обнаружен
ДДЭ (мкг/г с.в.)		0,002	0,003	не обнаружен
г-ГХЦГ (мкг/г с.в.)		0,001	0,001	не обнаружен
Бенз(а)пирен, (мкг/кг с.в.)		98	192	не определялся

Примечание. * - 1 (поверхностный горизонт), 2 (придонный); ** - для оз. Пляжное БПК полное; выделены значения, превышающие ПДК.

Таблица 3. Гидробиологические параметры городских водоемов

Параметры (средние за вегетационный период)	Оз. Мещерское	Оз. Пляжное
1	2	3
Фитопланктон
Число видов в т.ч. зеленые диатомовые эвгленовые синезеленые желтозеленые золотистые динофитовые криптофитовые	106 55 17 14 4 3 6 5 2	123 66 11 9 16 4 4 5 8
Численность, млн. кл./л средняя максимальная	2,22 4,22	2,70 12,20
Биомасса, г/м ³ средняя максимальная	3,92 10,18	0,52 5,10
Доминирующие виды	Ceratium hirundinel-la, Melosira granula-ta, Stephanodiscus hantzschii	Ceratium hirundinel-la, Fragillaria cro-tonensis, Microcystis pulverea
Хлорофилл "а", мг/м ³ среднее максимальное	27,3 50,3	7,2 24,7
Степень «цветения» воды	умеренная	отсутствие - слабая
Индекс биоразнообразия Шеннона по численности видов по биомассе видов	не определялся не определялся	1,93 2,68
Индекссапробности по численности видов средний максимальный по биомассе видов средний максимальный	2,17 2,41 1,84 2,65	1,58 1,67 1,65 1,72
Класс качества воды	III	II
Зоопланктон
Число видов в т.ч. коловратки ветвистоусые ракообразные веслоногие ракообразные	26 13 8 5	21 10 6 5
Численность, тыс. экз./м ³ средняя максимальная	66,8 100,7	205,9 417,6
Биомасса, г/м ³ средняя максимальная	0,15 0,21	1,07 2,09

1	2	3
Доминирующие виды	Keratella cochleris, Mesocyclops oithonoi-des, Asplanchna prio-donta	Daphnia cucullata, Diaphanosoma bra-chiurum, Eudiapto-mus gracilis
Соотношение основных групп, % по численности видов коловратки ветвистоусые веслоногие по биомассе видов коловратки ветвистоусые веслоногие	77 3 20 60 13 27	68 18 14 6 45 49
Индекс биоразнообразия Шеннона по численности видов по биомассе видов	1,91 1,88	1,95 2,13
Индекссапробности по численности видов средний максимальный по биомассе видов средний максимальный	1,67 1,79 1,63 1,72	1,51 1,70 1,40 1,55
Класс качества воды	III	II-III
Зообентос
Число видов в т.ч. личинки хирономид моллюски	64 17 13	67 28 8
Численность, тыс. экз./м ² средняя максимальная	1,12 2,32	4,36 23,04
Биомасса, г/м ² средняя максимальная	3,3 6,7	15,9 57,9
Доминирующие виды	Личинки хирономид (сем. Chironomidae), брюхоногие моллюски (сем. Pisidiidae, Lymnaeidae)	Личинки хирономид ( Cladotanytarus mancus, Polypedilum nubeculosum ), поденки ( Caenis horaria ), олигохеты, стрекозы
Индекс биоразнообразия Шеннона минимальный максимальный	0,92 2,01	1,20 3,68
Биотический индекс Вудивисса сублиториаль бенталь	2-6 4-8	7-8 4

1	2	3
Индекс сапробности по численности видов литораль сублитораль бенталь	2,0-1,2 3,5-1,3*	1,9-1,6 1,7-1,2 3,2-2,9
Олигохетный индекс, % литораль сублитораль бенталь	не определялся не определялся не определялся	16,3 5,5 32,0
Класс качества воды литораль сублитораль бенталь	II-III III-IV*	II II IV
Бактериопланктон
Численность, тыс. кл./мл средняя максимальная	314 339	646 820
Биомасса, мг/л средняя максимальная	0,292 0,564	0,260 0,370
Индикаторные виды бактерий	Pseudomonas, Bacillus, Arthrobacter, Gallionella	Micrococus, Xanto-monus, Flavobacter, Bacillus
ЛКП-5000, кл./л	600-24000	7000-24000

Примечание. * - сублитораль и бенталь.

Таблица 4. Оценка экологического состояния озер по данным гидрохимического и гидробиологического анализов

Показатель	Параметр	Эколо-гиче-ская зона*	Мещерское		Пляжное
Показатель	Параметр	Эколо-гиче-ская зона*	значение	экол. состоя ние**	значение	экол. состоя ние**
Химическое загрязнение	индекс загрязнения воды (ИЗВ)	П	3,62	2	4,60	2
	индекс загрязнения воды (ИЗВ)	Б	4,3		10,0
	класс качества воды	П	IV		V
	класс качества воды	Б	V		VI
Коэффициент донной аккумуляции (КДА)	марганец (10 3 )		4,2	2	5,0	2
	железо (10 4 )		4,7	2	6,4	2
	медь (10 3 )		3,3	2	14,0	2
	цинк (10 4 )		0,08	1	2,2	2
	кадмий (10 3 )				3,9	2
Фитопланктон	индекссапробности	П	2,17	1	1,58	1
	зона сапробности	П	в-мезо	1	0-в- мезо	1
	класс качества воды	П	III	1	II	1
	средняя биомасса, г/м ³		3,92	1	0,51	1
Зоопланктон	индекссапробности	П	1,67	1	1,40	1
	зона сапробности	П	в-мезо	1	в-мезо	1
	класс качества воды	П	III	1	III	1
Зообентос	индекссапробности	Б	2,9	2	3,3-2,9	1
	зона сапробности	Б	б-в- мезо	2	б-мезо	1
	биотический индекс Вудивисса	Б	3	2	4	1
	индекс Пареле, %				30	1
	класс качества воды	Б	V	2	IV	1
	индекссапробности	Л	1,5	1	1,9-1,6	1
	зона сапробности	Л	в-мезо	1	в-мезо	1
	биотический индекс Вудивисса	Л	6	1	7-8	1
	класс качества воды	Л	III	1	II	1
Ихтиофауна	сохранение естественного состояния					1
Биотестирование ***	на Daphnia magna	летальное действие отсутствует		1	не определялось

Примечание. * - П (пелагиаль), Б (бенталь), Л (литораль); ** - 1 (относительно удовлетворительное состояние), 2 (зона чрезвычайной экологической ситуации); *** биотестирование водных вытяжек из донных отложений (в неразбавленных вытяжках).

Таблица 5. Краткие рекомендации по использованию городских водоемов в рамках ЭПГВ

Озеро Мещерское (г. Нижний Новгород)

Озеро Пляжное (г. Тольятти)

1. Соблюдение 1.

специального режима на территории водоохранной зоны в соответствии с действующими

правилами и нормами. 2.

2. Благоустройство водоохранной зоны.
3. Ликвидация 3.

неочищенных стоков.

4. Поддержание проточности озера в меженный период 4.
5. Очистка дна от загрязненных иловых отложений.
6. Исходя из значений 5.

средней прозрачности

воды S = 1,8 м и средней 6. глубины h = 2,2 м, целесообразно проведение

дноочистительных работ 7. до выполнения соотношения

3S < H < 5S.

7. Сохранение участков 8.

водной растительности (макрофитов), необходимых для 9.

самоочищения водоема.

Расположение озера в черте города, наличие подъездных дорог, отсутствие «цветения» водоема сине-зелеными водорослями, песчаный берег и ландшафтные особенности в настоящее время дают возможность считать оз. Пляжное привлекательным для рекреационного использования.

Водолазное обследование дна озера позволяет рекомендовать обустройство пляжной зоны на восточной стороне.

Организация и устройство рекреационной зоны возможно на расстоянии не менее 30 м от крайнего провода ЛЭП. Необходимо исключить использование южной стороны озера для отдыха и купания. Эксплуатация озера в рекреационных целях рекомендуется при условии прекращения сброса сточных вод (или их отвода) в восточной части водоема.

Предусмотреть отведение ливневых стоков с автомобильных дорог.

Необходимо проведение работ по очистке и благоустройству территории, в лесовосстановлении участков лесных культур в водоохранной зоне озера, очистка мелководной прибрежной зоны. Предусмотреть частичное выкашивание водной растительности в осенний период с ее последующей утилизацией, во избежании начала процессов эвтрофикации.

Проведение архитектурно-ландшафтных изыскательских работ с дальнейшей реализацией проекта.

Предусмотреть организацию мониторинговых исследований за экологическим состоянием озера.

Таблица 6. Варьирование озёр

Рисунок Х1 Х2 1 Линейные размеры озера (40,0) Объем (35,9) 2 Загрязнение воды медью(КДА; 36,4) ? (29,5) 3 Ось "коловратки - веслоногие" (трофическая структура; 67,1) ? (15,3) 4 Система Щёлоковских озер - система озер Кабан (возраст озерных систем; 28,9) ? (19,9) веро-восточной части Комсомольского района г. Тольятти. Озеро создано искусственно в результате заполнения котлована грунтовыми водами, оно имеет неправильную конфигурацию, вытянуто с севера на юг. Вблизи северного, восточного и западного берегов

озера проходят высоковольтные ЛЭП. Рекреационная нагрузка на оз. Мещерское (посещаемость территории отдыхающими, чел./га) более чем в два раза выше по сравнению с оз. Пляжным (847 против 400), но не превышает уровень рекреационной на грузки по

ГОСТ 17.1.5.02.-80 (1250 чел./га). Сравнительные гидрографические, гидрологические и гидрохимические характеристики озер [7, 8] представлены в табл.1 и 2 (все параметры определялись по стандартным, ГОСТирован-ным методикам).

В табл.3 приведены результаты оценки гидробиологического состояния сравниваемых озер. Отбор образцов воды и грунта осуществлялся по единым общепринятым гидробиологическим методикам на трех постоянных вертикальных профилях продольного створа в течение вегетационного периода.

По совокупности абиотических факторов, формированию структурных показателей биотических компонентов городского водоема, по показателям качества воды осуществляется комплексная оценка его экологического состояния [9]. В качестве примера такой оценки приведем табл. 4 для сравниваемых озер.

Интегральная оценка экологического состояния рассматриваемых озер может быть

охарактеризована следующим образом. Водная масса озер по большинству гидробиологических показателей характеризуется как "относительно удовлетворительное состояние", по показателям химического загрязнения оба озера относятся к зоне "чрезвычайной экологической ситуации", хотя оз. Пляжное имеет более высокие показатели ИЗВ и класса качества воды (табл.4). Что касается донных отложений, то коэффициент донной аккумуляции (КДА) тяжелыми металлами в озерах высок, что и обуславливает их "чрезвычайную экологическую ситуацию" (с элементами близкими к "экологическому бедствию"). Это позволяет сделать следующие рекомендации (табл.5).

Путем составления ЭПГВ с заданным (и рассмотренным выше) списком параметров за период с 1994 г. было обследовано 19 водоемов (15 в Нижнем Новгороде и 4 в Тольятти). В пространстве этих параметров (по разным группам) были рассчитаны матрицы корреляций между 13 озерами (включая дан-

ные по озерам Кабан [4, 5]) и проведен факторный анализ (методом главных компонентов [10]), результаты которого представлены на рис.1-4.

Интерпретация главных осей максимального варьирования озер, выполненная по

"крайним" по отношению к ним водоемам, позволяет определить их следующим образом (в скобках указан процент варьирования объектов по данной оси табл.б).

Сравнение рис. 2 с рис. 3 свидетельствует о достаточно высокой степени биоинди-

кации загрязнения озер по состоянию зоопланктона (что косвенно подтверждается и результатами, представленными на рис. 4; ко

эффициент корреляции озер по оси Х 1 - 0,74).

Следует еще раз подчеркнуть важность гидробиологического компонента в экологи-

11 6

Рис. 1. Положение городских водоемов в осях максимального варьирования гидрологических параметров

1 - Пляжное [Тольятти, 2000 г.], 2 - Рыбное [1999], 3 - Нижний Кабан [Казань, 1987], 4 -Средний Кабан, 5 - Верхний Кабан, 6 - Мещерское [Нижний Новгород, 1995], 7 - Сормовское [1997], 8 - Силикатное [1995], 9 - Светлоярское [1994], 10 -Лунское [1997], 11 - Верхнее Щёлоковское [1998], 12 - Среднее Щёлоковское [1998], 13 - Нижнее Щёлоковское [1998]

Рис. 3. Положение городских водоемов в осях максимального варьирования гидробиологических параметров (по зоопланктону); обозначения озер аналогичны рис. 1

Рис. 4. Положение городских водоемов в осях максимального варьирования гидрохимических и гидробиологических параметров; обозначения озер аналогичны рис. 1

Рис. 2. Положение городских водоемов в осях максимального варьирования гидрохимических параметров (Cu, Fe, Mg); обозначения озер аналогичны рис. 1

ческой паспортизации водных объектов. Как показали исследования, даже биомассы зоопланктона многих городских озер вполне достаточно для эффективного самоочищения воды за счет жизнедеятельности организмов-фильтратов (табл.7).

Заключение

С экологических позиций промышленные города - это гетеротрофные экосистемы, получающие энергию и ресурсы с окружающих территорий. Не важно, насколько окружающая человека среда трансформируется из состояния природы в функцию культуры и технологии, основные биологические процессы остаются теми же самыми. Специфическими чертами городских экосистем, или урбоэкосистем, является существенно большая зависимость от "среды на входе" и "среды на выходе", чем у автотрофных экосистем, например, пруда или леса. Важным параметром урбоэкосистемы является ее устойчивость, т.е. способность выдерживать изменения, создаваемые внешними воздействиями, в том числе за счет восстановления или самовосстановления (последнее можно считать живучестью системы). Критерием устойчи вости природных систем является степень замкнутости биогеохимических циклов, обусловленных высокоскоррелированным взаимодействием живых организмов, принадлежащих разным трофическим уровням и обес-

Таблица 7. Количественные характеристики биофильтрации водной массы зоопланктоном городских озер

Название озера	Объем водной массы, тыс. м³	Среднесезонная биомасса зоопланктона, г/м³	Общая масса зоопланктона, кг	Суточный объем воды, профильтрованной зоопланктоном, тыс. м³/сут.	Период времени, необходимый для биофильтрации всей водной массы, сут.
Лунское	1029	1,00	1029	123,48	8,3
Светлоярское	629	2,30	1447	173,61	3,6
Мещерское	440	0,15	66	7,92	55,5
Сормовское	390	1,66	647	77,69	5,0
Силикатное	184	2,37	436	52,33	3,5
Среднее
Щёлоковское	76,6	6,51	499	59,84	1,3
Пляжное	488	1,07	522	62,67	7,8
Нижний Кабан	3139	3,54	11112	1333,50	2,4

Рис. 5. Блок-схема управления качеством городского водоема

Статья научная