Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологическое зонирование территорий по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Экологическое зонирование территорий по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа"

На правах рукописи

КОРОЛЕВ Алексей Андреевич

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ЗОНИРОВАНИЕ ТЕРРИТОРИЙ ПО СТЕПЕНИ НАГРУЗКИ СТОЧНЫМИ ВОДАМИ НА ОСНОВЕ БАССЕЙНОВОГО ПРИНЦИПА (на примере Верхней Волги)

03.00.16 - экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

2 4 МАЙ 2007

Нижний Новгород 2007

003059996

Работа выполнена на кафедре экологии Нижегородского государственного университета им Н И Лобачевского

Научный руководитель

доктор биологических наук, профессор Гелашвили Давид Бежанович

Официальные оппоненты-

доктор биологических наук, профессор Постнов Иван Евстафьевич доктор технических наук, профессор Губанов Леонид Никандрович

Ведущая организация.

Институт экологии Волжского бассейна РАН (г Тольятти)

Защита диссертации состоится «30 » Л-lol SI_2007 г в со ч на

заседании диссертационного совета Д212 16612 при Нижегородском государственном университете им. Н И Лобачевского по адресу 603950, г Нижний Новгород, пр Гагарина, д 23, корп 1, биологический факультет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного университета им Н И Лобачевского

e-mail ecology@bio unn ru факс. (8312)65-85-92

Автореферат разослан « 2 Ъ » an р&л Q_2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат биологических наук

Кравченко Г А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Антропогенные нагрузки на бассейн водосбора являются непосредственной причиной ухудшения экологического состояния водных экосистем, это отражается в изменениях показателей среды и биоты, связанных с модификацией трофики водного объекта Для формирования целостных представлений об антропогенном воздействии на гидросферу и, в частности, анализа пространственного распределения нагрузки сточными водами необходимо применение интегрального междисциплинарного подхода основанного на бассейновом принципе экологического зонирования территории На практике отчетливо просматривается тесная связь между нагрузками на территорию водосбора и теми показателями, которые определяют состояние водной экосистемы По меткому замечанию современного крупнейшего гидробиолога и эколога Р Маргалефа (1992, с 72) « химический состав речной воды является индикатором здоровья сухопутных экосистем на водосборном бассейне, также как состав мочи служит показателем здоровья человека» Таким образом, для комплексной оценки состояния водной экосистемы и направления протекающих процессов необходимо рассматривать в единой системе территорию водосборного бассейна и водный объект Все вышесказанное в полной мере относится к Волжскому бассейну (Розенберг, Краснощекое, 1996, Найденко, 2003)

Целью работы явилось экологическое зонирование территорий Нижегородской, Костромской и Владимирской областей, а также республики Чувашия (далее субъектов федерации), на основе комплексной оценки уровня антропогенной нагрузки сточными водами с учетом бассейнового принципа

Задачи исследования

1 Актуализировать сведения о сбросах загрязненных сточных вод в поверхностные водные объекты субъектов федерации по данным формы 2 ТП (водхоз) за 2005г

2 Систематизировать гидрографические характеристики водных объектов субъектов федерации, являющихся приемниками загрязненных сточных вод от населенных пунктов

3 Обосновать и верифицировать количественные оценки отсутствующих в справочной литературе гидрографических параметров водных объектов субъектов федерации на основе современных представлений о фрактальной геометрии речных бассейнов

4 Обосновать алгоритмы расчета коэффициентов нагрузки загрязненными сточными водами на речной бассейн с учетом демпфирующей роли его экологической емкости и провести соответствующие расчеты

5 Изучить эко токсикологическое воздействие сточных вод на выделенные подбассейны на примере ряда водотоков Нижегородской области

6 Дать интегральную оценку эколого-социальной обстановки в субъектах федерации с помощью обобщенной функции желательности

7 Провести экологическое зонирование субъектов федерации по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа

Научная новизна работы. Разработана процедура идентификации водопользователей, обуславливающих лимитирующую нагрузку на водоток сточными водами, а также методы интегральной оценки эколого-социальной обстановки в субъектах федерации с помощью обобщенной функции желательности С помощью фрактальной модели впервые получены гидрографо-гидрологические характеристики водотоков, учтенных в форме 2 ТП (водхоз) для Нижегородской области Предложены и обоснованы алгоритмы оценки нагрузки загрязненными сточными водами на водоток и речной бассейн с учетом демпфирующей роли его экологической емкости Оценена экотоксикологическая опасность сточных вод выделенных подбассейнов Проведено экологическое зонирование территории субъектов федерации

На защиту выносятся следующие положения

1 Уточненный перечень притоков рек Волги и Оки и их подбассейнов, являющихся приемниками сточных вод на территории Нижегородской, Владимирской, Костромской областей и Республики Чувашия

2 Уточненные гидрографо-гидрологические характеристики водотоков Нижегородской, Владимирской и Костромской областей, а также Республики Чувашия, с указанием длины водотока, площади водосбора и среднегодового стока, полученные на основе фрактальной модели

3 Алгоритмы оценки нагрузки загрязненными сточными водами на водоток и речной бассейн с учетом демпфирующей роли его экологической емкости

4 Экологическая оценка нагрузки сточными водами на бассейны рек Нижегородской, Владимирской, Костромской областей и Республики Чувашия с помощью обобщенной функции желательности

Практическая значимость работы. Построены гидрографические схемы водотоков субъектов федерации, являющихся приемниками сточных вод Разработанные подходы использованы для проведения экологического зонирования территории Нижегородской области по степени нагрузки сточными водами (заказчик - Комитет охраны природы и управления природопользованием Нижегородской области) Методика использовалась для анализа эффективности обращения с отходами на ОАО «ГАЗ» (заказчик ОАО ГАЗ) Полученные алгоритмы применялись при проведения государственного мониторинга водных объектов на территории Владимирской и Костромской областей, а также Республики Чувашия (заказчики - Верхне-Волжское бассейновое водное управление, территориальный центр государственного мониторинга геологической среды и водных объектов Владимирской области, территориальный центр государственного мониторинга геологической среды и водных объектов Костромской области «Костромагеомониторинг», Центр лабораторного анализа и технических измерений по Чувашской Республике «ФГУ «ЦЛАТИ» по ПФО»)

Апробация работы и публикации Результаты работы были доложены на VIII Всероссийском популяционном семинаре «Популяции в пространстве и времени» (Нижний Новгород, 2005), IX съезде Гидробиологического общества РАН (Тольятти, 2006) По результатам исследования опубликовано 6 работ

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений Основной текст изложен наГ-Устраницах, включая ?г таблиц, /6 рисунков и список литературы, состоящий из/о ¿источников, в том числе 2с, иностранных

Личный вклад автора Автор разрабатывал алгоритмы для оценки уровня антропогенной нагрузки сточными водами территории на основе бассейнового принципа Осуществлял анализ материалов, характеризующих водоотведение в Нижегородской, Владимирской, Костромской областях и Республики Чувашия Проводил обработку и обобщение полученных результатов Принимал участие в отборе проб из водоемов, являющихся приемниками сточных вод для биотестирования

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Обзор литературы

В данной главе рассматриваются сточные воды как экологический фактор антропогенной трансформации окружающей среды, приводится классификация сточных вод, природа их загрязнения, характеристика основных загрязнителей, классификации примесей Приведены эколого-экономические характеристики субъектов федерации, основные характеристики речного бассейна, сведения по строению речной сети, основные морфометрические характеристики водосборов, принципы районирования территорий и акваторий, материалы о самоподобии рек и их фрактальной структуре, сведения об оценке экотоксикологической опасности сточных вод

Глава 2. Материалы и методы исследования 2.1 Источники данных

Объектами исследования послужили речные бассейны субъектов федерации - Нижегородской, Владимирской, Костромской областей и Республики Чувашия Источником данных для оценки уровня антропогенной нагрузки сточными водами послужили данные государственного учета использования вод по форме 2 ТП (водхоз) Для сравнительного анализа экологической обстановки в субъектах федерации использовались социо-экономические данные Госкомстата России

Форма 2 ТП (водхоз) включает в себя сведения о заборе, приеме, передаче воды, сбросе сточных вод и загрязнении поверхностных водных объектов, лимит забора воды, суммарное по всем направлениям количество использованной воды, потери воды в процессе ее транспортировки 2.2 Гидрографическая схема Для наглядного представления структуры речного бассейна были построены гидрографические схемы, основанные на морфометрических данных водотоков Определение длины рек и ручьев, площадей их водосборов осуществлялось по данным работы «Ресурсы поверхностных вод, 1973» При отсутствии необходимых данных длина водотока и площадь водосбора определялась по картам и атласам территорий субъектов федерации масштаба 1 100000 различных годов издания по общепринятой методике, а гидрологические характеристики (расход воды, годовой сток) оценивались методом аналогий, атак же по предложенной нами фрактальной зависимости между длиной водотока и среднегодовым стоком Таким

образом, были определены гидрологические характеристики для ряда рек и ручьев из водотоков, являющихся приемниками сточных вод по форме 2 ТП (водхоз)

2.3 Алгоритмы расчета коэффициентов нагрузки на водоток и бассейн загрязненными сточными водами

Для расчета нагрузки загрязненными сточными водами на водные объекты с учетом бассейнового принципа были разработаны и использованы следующие коэффициенты

Нагрузка водного объекта (водотока), загрязненными сточными водами - это величина, характеризующая отношение объема сточных вод, сбрасываемых в водоток к среднегодовому стоку реки в этом створе (Селезнева, 2005)

h = qjw, (1)

где кв - коэффициент нагрузки, q„ - суммарный объем загрязненных сточных вод, сбрасываемых в водоток, тыс м /год, W - среднегодовой сток реки, тыс м3/год

Суммарный объем загрязненных сточных вод, сбрасываемых, например, населенным пунктом, рассчитывался по формуле

=Z"=1(2)

где q¡ - объем сточных вод, сбрасываемых в водоток г-м точечным источником, 1-1,п

Для расчета коэффициента нагрузки загрязненными сточными водами на речной подбассейн нами предложено следующее уравнение

1>А,

-——-, (3)

где кч - коэффициент нагрузки загрязненными сточными водами на j-й водоток, входящий в состав подбассейна, j=l,m, т- число водотоков в подбассейне, a¡ - весовой коэффициент j-vo водотока

Поскольку вклад загрязненных сточных вод в загрязнение водотока снижается при разбавлении, т е при увеличении водного стока W, который, в свою очередь, линейно зависит от площади речного подбассейна, в качестве весового коэффициента взята величина обратная площади подбассейна

= (4)

где F'1 - площадь подбассейна у-го водотока Таким образом, уравнение (3) учитывает экологическую емкость бассейна водного объекта 2 4 Биологического тестирование природных вод с использованием дафний Методика основана на определении смертности (острая и хроническая токсичность) и изменений в плодовитости дафний (Daphnia magna Straus, Cladocera, Crustacea) при воздействии токсических веществ, присутствующих в исследуемой водной среде, по сравнению с контролем (ФР 1 39 2001 00283)

2.5 Методы сжатия экологической информации

Для практической реализации экологического нормирования использовалась процедура свертывания информации, направленная на преодоление проблемы размерности С этой целью применялась функция желательности (Адлер и др, 1976, Федоров и др, 1982; Воробейчик и др, 1994), рассматриваемая в теории нечетких множеств (Л Заде, 1965) как функция принадлежности Для оценки суммарного отклика рассчитывали обобщенную функцию желательности При этом граничные значения функции, например, 0 и 1, соответствуют традициям «плохо - хорошо» Необходимость введения функций желательности определяется различной размерностью переменных, входящих в интегральный показатель, что не позволяет усреднять их непосредственно

d? dT <С , (5)

где d, - частная функция желательности, п - число показателей, а - весовой коэффициент, учитывающий вклад частной функции желательности При расчете функций желательности по массе сброса загрязненных веществ в качестве коэффициента а принималась величина обратная значению класса опасности для веществ 1 класса опасности а=1/1=1, для веществ 2 класса опасности а=1/2, для веществ 3 класса опасности а=1/3, для веществ 4 класса опасности а=1/4

Для расчетов частных функций желательности применялись следующие формулы если увеличение натурального показателя (х,) является «желательным»

d, = хт\ (6)

Xi -'■max

и, в случае, когда увеличение натурального показателя (д:,) является «нежелательным»

(7)

Глава 3 Экологическое зонирование территории субъектов федерации по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа

Зонирование территорий проводилось по следующей схеме Выделялись водные объекты, являющиеся приемниками сточных вод, создавались гидрографические схемы речной сети, выделялись подбассейны и вычислялись коэффициенты нагрузки сточными водами В связи с ограниченным объемом автореферата полный комплект таблиц по оценке степени нагрузки сточными водами приводится только для Нижегородской области

3 1 Экологическое зонирование Нижегородской области по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа

Нижегородская область имеет территорию площадью 76,9 тыс км2, расположенную по обоим берегам р Волги Плотность населения 48,5 чел/км , 77,9% приходится на городское население По уровню развития промышленности область входит в пятерку ведущих областей России

3 1.1 Гидрографо-гидрологическая характеристика Нижегородской области По территории области протекает свыше 9000 больших и малых рек и ручьев общей протяженностью около 33000 км, входящих в бассейн крупнейшей реки Европейской территории России - р Волги В Левобережье реки более полноводные, чем в Правобережье, средняя густота речной сети левобережья составляет 0,47 км/км2 в правобережье средняя 0,5 км/км2 Из 9000 водотоков Нижегородской области учтенными приемниками сточных вод являются 188 рек и ручьев

Для ряда водотоков гидрографо-гидрологические характеристики в научно-технической литературе отсутствовали или были неполными, поэтому сведения о них были получены с помощью алгоритмов, приведенных в разделе 2 3 Исходя из полученных материалов, была создана гидрографическая схема водотоков Нижегородской области и проведено выделение подбассейнов Всего выделено 42 подбассейна, в качестве примера представлены подбассены рек, впадающих в Оку рис 1 312 Фрактальный анализ речной сети на примере Нижегородской области В классической гидрологии хорошо известна зависимость между площадью водосбора F и длиной реки L, выражаемая в виде степенного уравнения (Нежиховский, 1971, 1998, Виноградов, 1988)

F = kLn ' (8)

Само же соотношение неодинаково для разных ландшафтов, зависит от размеров площади водосборов и длины рек, методики и точности определения их значений В работе (Нежиховский, 1971) приведена зависимость более чем по 500 водосборам в равнинных районах Европейской территории СССР Линия тренда этой зависимости удовлетворительно аппроксимируется уравнением

F = 0,57L'8 (9)

с погрешностью 21%

Поскольку погрешность данной формулы довольно велика, а степенной закон является математическим выражением принципа самоподобия, на котором и основана теория фракталов (Мандельброт, 2002) нами была проведена работа по вычислению фрактального соотношения между длиной и площадью (рис 2)

Зависимость площади водосбора от длины водотока аппроксимируется уравнением

Inf = 1,57 In ¿-0,04, (10)

или после потенцирования

F=0,95L!57 (11)

Для зависимости среднегодового стока (W) от длины водотока справедливо выражение

In W = 1,781 In Z, - 3,77, (12)

или после потенцирования

W=0,02L'78 (13)

Наконец, анализ зависимости среднегодового стока от площади водосбора дает результат, который может быть описан уравнением

!пИ/ = 1,151п ^-3,79» (14)

или после потенцирования

\Н=0,02Риз. (15)

I 1 *

I % £ .

а С«Ама

£ ' Югонец^

Иочер ИилСассгйи Цветовая

ргМ> 1 ЛММЯ

ТЫН А

3 МОКША

"> Ь. КУ1 РА

II ЖК1ПНИЦЛ

14 к1 ни мл

[$ Ы1Н*ЬМЛ

СКЙМА

]7 выыъмл

1* КУ ЮМА

и РЖАВКЛ

П ППМИЧКА

V* змьйкл

}й КАСКА

и ПОЛШРИЦА

41 Ю ГОНЕЦ

Волга

I Ь КУ1РО

Тлрца ®

Вдчиа*

I

» * Е £

А^ЛИЗМОДЯ

* ВИЧ1 .11.-. г

I. .VI '

Г-1." ■

Рис.1. Линейная гидрографическая схема речной сети Нижегородской области на примере подбаееейнов р. Оки

- номера подбаееейнов указаны в соответствии с полным перечнем подбаееейнов р.Волги на территории Нижегородской области

Наклон прямой (уравнение 15) близок к единице (1,15) и физический смысл этого понятен: среднегодовой расход просто пропорционален площади водосбора, что соответствует гипотезе однородности средней плотности осадков. Сравнение оценок площадей водосборов водотоков Нижегородской области), включенных в форму 2 ТП (водхоз), полученных по формулам (9) и (II) показало их высокую коррелированность (рис. 3): г = -[Р = ^0,9954 = 0,99.

Таким образом, применение положений фрактальной геометрии позволило иол учить независимые оценки гидрограф о-гидрологических параметров водотоков Нижегородской области, совпадающие с таковыми, полученными на основе эмпирических обобщений гидрологии. Полученные на примере Нижегородской области закономерности между длиной водотока, водосборной площадью и среднегодовым стоком использовались нами в работе при восполнении недостающих данных водотоков. В табл. 1 приведены степенные зависимости, применяемые для расчета гидрографо-гидрологических показателей.

Рис.2. Красные квадраты - зависимость натурального логарифма площади водосбора {Р, км2) малы,■< рек Нижегородской области (ось ординат) от натурального логарифма длины водотока (Ь, км) (ось абсцисс). Синие кпадраты - зависимость натурального логарифма среднегодового стока (\У, млн, м3) (ось ординат) от натурального логарифма длины водотока (Ц км).

Таблица 1

Степенные зависимости, применяемые для расчета гидрографо-гидрологическихпоказ ател е й

Л"» |[/п ОшНИН II 11.1 формулы Уравнение Мето'ишк данных

1 0,5 71'х Г=(0.18-0,43)1.' Г=0.95!,'" [5] (5] [5] [53 ..............с данные

2 И>=кГ \\=0,021-',!> Собственные данные

3 Ц'=кГ 11'=0.02?" Собственные данные

Рис 3 Зависимость площади водосбора для 25 водотоков Нижегородской области рассчитанных по формуле (2) - ось ординат, от аналогичных значений, рассчитанных по формуле (11) - ось абсцисс

313 Расчет коэффициентов нагрузки на водоток и подбассейн Полученные гидрографо-гидрологические характеристики позволили перейти к расчету коэффициентов нагрузки сточными водами на водотоки и подбассейны Для оценки экологического состояния подбассейнов субъектов федерации нами была введена диагностическая таблица (табл 2), градации характеристики нагрузки в которой взяты из работы по В А Скорнякову (1999), а поддиапазоны шкалы значений коэффициента нагрузки сточными водами были выбраны с использованием функции желательности Харрингтона (Адлер, 1976)

Таблица 2

Диагностическая таблица оценки экологического состояния речного подбассейна

Категория подбассейна по степени нагрузки сточными водами Коэффициент нагрузки (Кб) сточными водами на речной подбассейн

Значение Характеристика нагрузки

I 0,00 -0,20 Очень слабая

II 0,20 - 0,37 Слабая

III 0,37 - 0,63 Умеренная

IV 0,63 - 0,80 Значительная

V 0,80-1,00 Большая

VI > 1 Очень большая

Характеристика нагрузки подбассейнов р Волги на территории Нижегородской области сточными водами приведена в табл 3, ее анализ показывает, что для 13-ти водотоков 9-ти подбассейнов общий объем сбрасываемых сточных вод превышает среднегодовой сток Другими словами, эти водотоки, в первом приближении, можно рассматривать как «сточные канавы» Экологическая характеристика нагрузки сточными водами на подбассейны приводится в табл 4 Так же в этой таблице идентифицированы предприятия, обуславливающие лимитирующую нагрузку на водотоки подбассейнов р Волги на территории Нижегородской

Экологическая характеристика нагрузки общим объемом сточных вод и загрязненными сточными водами на водотоки

подбассейнов р.Волга на территории Нижегородской области

Номер подбас -сейна Подбассейн реки Коэффициент нагрузки на подбассейны (Кб) сбрасываемыми сточными водами Характеристика нагрузки на водоток Номер реки Лимитирующий водоток Среднегодовой сток, тыс м3 Суммарный сброс сточных вод, qв (тыс м3) Коэффициент нагрузки на водоток (кв) сбрасываемыми сточными водами

Нагрузка общим объемом сточных вод

2 ВЕТЛУГИ 0,62 Умеренная 134 р Самариха 800,0 2893 3,62

6 КУДЬМЫ 1,76 Очень большая 114 р Печеть 1700,0 3546 2,09

178 р Чижково 900,0 4000 4,44

181 р Шава 31400 4096 13

17 ВЕЛЕТЬМЫ 3,82 Очень большая 36 Р Велстьма 3200,0 13785 431

133 р Рязанка 900,0 3424 3,80

20 ЛЕВИНКИ 0,49 Умеренная 28 р Варя 1600,0 482 0,60

23 РЖАВКИ 7,45 Очень большая 24 р Борзовка 140,0 2033 14,52

126 р Ржавка 6000 227 038

29 ЗМЕЙКИ 1,36 Очень большая 50 р Змейка 400,0 542 136

30 КАСКИ 125,29 Очень большая 59 р Каска 800 10023 125,29

40 ЧЕРНОЙ 6,03 Очень большая 172 р Черная 1400,0 8448 6,03

41 ЮГОНЕЦ 1,06 Очень большая 189 р Югонец 2520,0 2671 1,06

Нагрузка загрязненными сточными водами

2 ВЕТЛУГИ 0,59 Умеренная 134 р Самариха 800 0 2808 3,51

17 ВЕЛЕТЬМЫ 3,27 Очень большая 36 Р Велетьма 3200,0 1723 034

133 р Рязанка 900,0 3031 337

20 ЛЕВИНКИ 0,49 Умеренная 28 р Варя 1600,0 482 0,60

23 РЖАВКИ 7,45 Очень большая 24 р Борзовка 140,0 2033 1432

126 р Ржавка 600,0 227 038

29 ЗМЕИКИ 1,35 Очень большая 50 р Змейка 4000 541 135

30 КАСКИ 125,29 Очень большая 59 р Каска 80,0 10023 125,29

40 ЧЕРНОЙ 6,03 Очень большая 172 р Черная 1400,0 8448 6,03

41 ЮГОНЕЦ 1,06 Очень большая 189 р Югонец 2520,0 2671 1,06

Идентификация предприятий, обуславливающих лимитирующую нагрузку общим объемом сточных вод на водотоки

подбассейнов р. Волги на территории Нижегородской области

Номер подбас-сейна Подбассейн реки Коэффициент нагрузки общим объемом сточных вод Категория подбассейна по степени нагрузки сточными водами Характеристика нагрузки Лимитирую щий водоток Лимитирующий источник сброса сточных вод

Предприятие (организация) Код по ГУИВ

2 ВЕТЛУГИ 0,62 III Умеренная р Самариха МПО ЖКХ г Шахунья 11220458

6 КУДЬМЫ 1,76 VI Очень большая р Печеть АООТ БОРЦОВО (рыбхоз) 11220600

р Чижково ПК ЧИЖКОВО /рыбхоз/ 11221202

р Шава ООО Рыбхоз БОРОК 11220601

17 ВЕЛЕТЬМЫ 3,82 VI Очень большая р Велегьма ОАО НЗСМ /3-Д СТРОЙМАТЕРИАЛОВ/, МУП ЖКХ г Навашино, в/ч 36798 11220207, 11220511, 11221101

р Рязанка ООО ЭТЭП /очистные coop сточи вод / 11220975

20 ЛЕВИНКИ 0,49 III Умеренная р Варя ОАО НАЗСОКОЛ 11220069

23 РЖАВКИ 7,45 VI Очень большая р Борзовка МУП ИНЖЕНЕРНАЯ ЗАЩИТА ГОРОДА, МУП НИЖЕГОРОДСКИЙ МЕТРОПОЛИТЕН 11220098, 11220304

р Ржавка ОАО ЭТНА, ОАО ЗеФС /фрезерных станков/ 11220013, 11220049

29 ЗМЕЙКИ 1,36 VI Очень большая р Змейка ОАО П/Ф ВЫКСУНСКАЯ, МУП СТОКИ Досчатинское и Шиморское отделения, 11220415, 11221193

30 КАСКИ 125,29 VI Очень большая р Каска ОАО ПАВЛОВСКИЙ АВТОБУС, МУП МППЖКХ 11220004, 11220452

40 ЧЕРНОЙ 6,03 VI Очень большая р Черная МП НИЖЕГОРОДСКИЙ ВОДОКАНАЛ 11220456

41 ЮГОНЕЦ 1,06 . VI Очень большая р Югонец ОАО ИЛЬИНОГОРСКОЕ (свиноводческий комплекс, и мясокомбинат) 11220819

области общим объемом сточных вод Аналогичные данные, касающиеся нагрузки загрязненными сточными водами приведены в диссертации

314 Экотоксикологическая характеристика воздействия сточных вод на природные водные объекты Нижегородской области

Для выявления экотоксикологического воздействия сточных вод на выделенные подбассейны на примере ряда водотоков Нижегородской области было проведено биотестирование природной воды с помощью тест-организма Daphnia magna Straus Коэффициенты нагрузки сточными водами на подбассейн (раздел 3 13) сравнивались с токсикологическими характеристиками природных вод Результаты экспериментов, приведенные в табл 5, показывают, что при уменьшении коэффициента нагрузки сточными водами хроническая токсичность и угнетение плодовитости убывают Так, вода р Кудьма, подбассейн которой характеризуется «очень большой» нагрузкой сточными водами, в серии токсикологических экспериментов оказала максимальное угнетающее действие на плодовитость Daphnia magna, более чем на 60% по сравнению с контролем Напротив, вода из р Кишма, характеризующейся «очень слабой» нагрузкой сточными водами оказала стимулирующее действие на плодовитость дафнии Таким образом, полученные нами характеристики нагрузки сточными водами на подбассейн удовлетворительно согласовываются с данными биотестирования

Таблица 5

Экотоксикологическая характеристика воздействия сточных вод на природные водные объекты Нижегородской области (поданным биотестирования на Daphnia

magna Straus)

Подбассейн реки Коэффициент нагрузки обшим объемом сточных вод на подбассейн, К Характеристика нагрузки Водоток Токсикологическая характеристика природных вод

Острая токсичность, Хроническая токсичность, % Плодовитость, %»

Кудьмы 1,76 Очень большая р Кудьма 13,33 33 42 -60 60

р Озерка 6 67 37,50 -33 62

Ветлуги 0,62 Умеренная р Ветлу га 2,22 25,12 -1,36

р Б Какша 16,67 13,04 -0 41

Сундовика 0,27 Очень слабая р Сундовик 0,00 23,91 -1,14

Суры 0,10 Очень слабая р Пьяна 22 50 25 00 8 24

Клязьмы 0,06 Очень слабая р Клязьма 000 000 53,78

Кишмы 0,01 Очень слабая р Кишма 3,33 000 51,16

"-отрицательные значения свидетельствуют об угнетении плодовитости

3 2 Экологическое зонирование Костромской области по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа

Костромская область имеет территорию площадью 60,1 тыс км2 Плотность населения 13,4 чел/км2, на городское приходится 66,3% В структуре промышленного комплекса преобладает энергетика - 34,1%, машиностроение - 14,2%, деревообрабатывающая - 16,9%, легкая - 7,7%, пищевая - 12%

3 21 Гидрографо-гидрологическая характеристика Костромской области Территория хорошо обеспечена водными ресурсами средний многолетний сток составляет 15,2 куб км при общем объеме стока 53,2 куб км По территории области протекает свыше 3189 больших и малых рек и ручьев Приемниками сточных вод являются 95 водотоков Как и для Нижегородской области гидрографо-гидрологические характеристики в научно-технической литературе были представлены не для всех водотоков Недостающие данные получены по алгоритмам, приведенными в разделе 2 3 Исходя из полученных материалов, была создана гидрографическая схема и проведено выделение 13 подбассейнов, представленых на рис 4

3 2 2 Расчет коэффициентов нагрузки на водоток и подбассейн Основываясь на гидрографо-гидрологических характеристиках водотоков Костромской области были рассчитаны коэффициенты нагрузки сточными водами на выделенные подбассейны В табл 6 приведены параметры антропогенной нагрузки общим объемом сточных вод на подбассейны р Волги на территории области Нагрузка загрязненными сточными водами приводится в тексте диссертации Анализ данных по нагрузке сточных вод на водоток выявил, что только для подбассейна р Ключевки объем сбрасываемых сточных вод превышает среднегодовой сток (к6=1,77) В диссертации приводятся сведения о предприятиях, обуславливающих лимитирующую нагрузку на водотоки подбассейнов р Волги на территории Костромской области общим объемом сточных вод и загрязненными сточными водами

3.3 Экологическое зонирование Владимирской области по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа

Владимирская область имеет территорию площадью 29 тыс км2, полностью расположена в бассейне Волги на юге Волжско-Окского междуречья Доля городского населения 80,1%, плотность населения 56,7 чел/км В структуре промышленного производства преобладает машиностроение

3 31 Гидрографо-гидрологическая характеристика Владимирской области

По территории области протекает свыше 915 больших и малых рек и ручьев Самый крупный водоток области р Клязьма пересекает всю область и впадает в р Оку протекающую на юго-восточной границе области Приемниками сточных вод являются 124 водотока Отсутствовавшие гидролого-гидрографические характеристики были получены по алгоритмам, описанным в разделе 2 3 Гидролого-гидрографические данные водотоков позволили создать гидрографическую схему и выделить 11 подбассейнов, р Оки на территории Владимирской области, они представлены на рис 5

62.0рмраш |

76Сельма

9 ? .Оэ.Мухломско!

¡1 I

0)1 5 — <

!< я 92.Челсмз|Р

Г

2

х 3

9>.Шача

вО. Сол да

ТТйоча 82.Сонгз

78.Сеньдегз

87.1ебза

49.Меда

| | 65 Орша £: 2Андоба

В'/.Су щепка

27.Инекша

77.Сендега |

О.

¿¿г

69.Порга

59. К ус

96.Шача

— аГ.......

20. Вьюн ища 1?.6олкоаиц<1 11.8ожера 66. Прудов* а

99.Шу* 6>.Печелдэ

64.Пэнфилопка -

с £ 2-х

I I

3

Конница

91 Хорошспка [

24.Ж.Шайма

71.Пыамус

72.Пыщуг

1-Анл.Федос,

Вез названия бв.Полдкевая

59.Нужиэ 5] .Колес

26.ИШШИХЭ '

14.Вдробьиха

94.Шарьинка

97Шолюшка

25.fr мен а

Нерюпа

5б.Корбэ

р. ВОЛГА

I подбассейн р. Кострома ■ подбассейн р Кешка подбассейн р. Солоница Н подбассей р. Покша подбассейн р. Кубань | подбассейн р. Н.Косфомз подбассейн р. Стежерэ подбассейн р, Ключевка | подбассейн р. Ветлуга

I

подбассейн р. Мера подбассей р. Желвата подбассейн р. Немда подбассейн р, Ужна

Рис.4. Линейная гидрографическая схема речной сети Костромской области с выделением подбассейнов притоков р. Волги,

/.Ьулп 78 Г1оч.

^ Ь ?.Мвлиира1ин11Дм|

' 1.''' !' < I Л|>. I НИ" I

| вОСабля

• ■■■•■■«•■■■к

^1М1И»ИИИ НИН/

11 В.ючар

■»•••■•■■■а

^-Момиур

I I ?.Чис.1ур

61 Нпсмур

ЭТ-Дандур'

.Р1.4.1

Ье.шмшшмй

I ОЬ-Унурча

З/.КлргНИЬ

Н.Мокрая

подбассейн охСвятое

подбассейн р. Сабля

■ подбассейн р. Гусь

с подбассейн р. Унжа

■ подбассейн руч. Безымянный

подбассейн р. Черниченка

подбассейн р. Илевна

■ подбассейн р. Ушна

С подбассейн р. Мотра

подбассейн р.Виша

подбассейн р. Клязьма

£ '> / Морозимо

О

5

>8. Костянка

45Колп

18Ва»ель

окл

Рис.5. Линейная гидрографическая схема речной сети Владимирской области с выделением подбассейпов притоков р. Оки, кроме подбассейна р. Клязьма

3.3.2 Расчет коэффициентов нагрузки на водоток и подбассейн Основываясь на гидрографо-гидрологических характеристиках водотоков Владимирской области были рассчитаны коэффициенты нагрузки сточными водами (табл. 6). Анализ данных показывает, что для 7 водотоков объем сбрасываемых сточных вод превышает среднегодовой сток.

Оценка нагрузки общим объемом сточных вод на водотоки Владимирской области позволила отнести только подбассейны р.Клязьмы и р. Гусь к категории умеренно загрязненных, остальные подбассейны характеризуются «очень слабой» антропогенной нагрузкой. 8 тексте диссертации проводится подробная идентификация лимитирующих водотоков и предприятий.

Таблица 6

Параметры антропогенной нагрузки общим объемом сточных вод на подбассейны р Волги на территории Костромской области и Владимирской области

Номер подбас-сейпа Подбассейн реки Коэффициенты нагрузки на подбассейны (Ке) общим объемом сточных вод Категория подбассейна по степени нагрузки сточными водами Характеристика нагрузки

Костромская область

1 Ветлуги 0,02 I Очень слабая

10 Ключевки 1,77 IV Очень большая

13 Стежеры 001 I Очень слабая

Владимирская область

1 Клязьмы 0,57 III Умеренная

2 Ушны 0,06 I Очень слабая

3 Гусь 0,52 III Умеренная

11 Сабли 0,02 I Очень слабая

3.4 Экологическое зонирование Республики Чувашия по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа Чувашская республика занимает площадь 18,3 тыс км2, территория полностью расположена в Волжском бассейне На городское население приходится 60,6%, плотность населения 74,4 чел/км2 В промышленности преобладает машиностроение, электроэнергетика и химическое производство

3 41 Гидрографо-гидрологическая характеристика Республики Чувашия В республике насчитывается 2356 рек, речек и ручьев Приемниками сточных вод являются 63 водотока Отсутствовавшие гидролого-гидрографические характеристики были получены по алгоритмам описанным в разделе 2 3 Гидролого-гидрографические данные водотоков позволили создать гидрографическую схему и выделить 8 подбассейнов, р Волги, представленые на рис 6

3 42 Расчет коэффициентов нагрузки на водоток и подбассейн Основываясь на гидрографо-гидрологических характеристиках водотоков были рассчитаны коэффициенты нагрузки сточными водами, по рассчитанным коэффициентам нагрузки сточными водами на подбассейн (кб) было установлено, что все подбассейны характеризуются очень слабой нагрузкой сбрасываемыми сточными водами

Глава 4. Сравнительный анализ экологической обстановки в субъектах федерации по степени нагрузки сточными водами

Сравнительный анализ нагрузки сточными водами на подбассейны субъектов федерации приведен в табл 7 Из таблицы видно, что в Нижегородской области наибольшее количество подбассейнов характеризуется очень большой экологической нагрузкой, меньшая нагрузка во Владимирской и Костромской областях, в Республике Чувашия все подбассейны характеризуются как испытывающие очень слабую нагрузку

17,р. Волга

.Пыла

} 'Учаш^

?2.Кщ)и

1 ?.Г)ездни

2.Без названия

49Ложенарка

"2Ь7Куш\М

Рыкшз

|

Й £ 5" С < 5 и

— | ~ О <

.V

£0

о я

О- 1

со £

? ¿5 3

£ г 5

Б.Цивидь 6}.Эскандель

В.Б.Аниш

/. А[>я

О

}0.М.1|ивиль

< г

в 1

42.СрАниш

I Подбассейн р. Суры | Подбассейн р. Б.Юнга

| Подбассейн р. Сундырь

| Подбассейн р. Чебоксарка

« 25.Кубня

£ I

£ [ояба

5 « 'И Таа5инц 61.1||аймурзино /8 Пруд

5 1 б.Була

£ в & I I

га*

л 13 ^

21.Карда | Подбассейн р. Белая Воложка Подбассейн р. Циншь Подбассейн р. Аниш | Подбассейн р. Свит а

Рис.6. Линейная гидрографическая схема речной сети Чувашской Республики с выделением подбассейнов притоков р. Волги.

При этом следует отметить, что наибольшую нагрузку, обуславливают водотоки с очень малым среднегодовым стоком, большая часть которых протекает по территории населенных пунктов (табл 8) Сравнение по подбассейнам (табл 7) является не достаточно корректным, так как в нем учитывается только количество выделенных подбассейнов без учета массы сбрасываемых загрязняющих веществ в речную систему субъекта федерации Для учета массовых показателей сброса нами была использована обобщенная функция желательности Сравнение субъектов федерации проводилось по 30 показателям ингредиентного загрязнения содержащихся в форме 2ТП (водхоз) Расчет частных функций желательности проводился по формуле (7), обобщенной - по формуле (5), результаты приведены в табл 9.

Таблица 7

Антропогенная нагрузка сточными волами на подбассейны Верхней Волги

Субъект федерации Количество выделенных подбассейнов

Всего В том числе с антропогенной нагрузкой сточными водами

Очень слабая Слабая Умеренная Значительная Большая Очень большая

Нижегородская область 42 29 (69%) 4 (9%) 2 (5%) - - 7 (17%)

Владимирская область 11 9 (82%) - 2 (18%) - -

Костромская область 13 12 (92%) - - - - 1 (8%)

Республика Чувашия 8 8 (100%) - - - -

Таблица 8

Лимитирующие водотоки субъектов федерации ранжированные по увеличению объема среднегодового стока

Субъект федерации Лимитирующий водоток Среднегодовой СТОК, ТЫС.М3 Суммарный сброс сточных вод, q. (тыс м3) Коэффициент нагрузки на водоток (к.) сбрасываемыми суммарным сбросом сточных вод

Нижегородская область р Каска 80 0 10023 125,29

р Борзовка 140,0 2033 14,52

р Змейка 400,0 542 1,36

р Ржавка 600,0 227 038

р Самариха 800,0 2893 3,62

р Рязанка 900,0 3424 3,80

р Чижково 900,0 4000 4,44

р Черная 1400,0 8448 6,03

р Варя 1600 0 482 0,60

р Печеть 1700,0 3546 2,09

р Югонец 2520 0 2671 1,06

р Шава 31400 4096 130

Р Велетьма 3200,0 13785 431

Костромская область р Ключевка 358,3 635 1,77

Владимирская область р Бородинка 129,1 223 1,73

руч Безымянный 292,1 1126 5,24

руч Безымянный 347,6 418 1,20

р Терентьевка 457,2 821 1,80

р Бавленка 471,0 389 0,83

р Ундолка 904,7 1018 1,13

р Беленькая 1410,6 2224 138

р Гза 4317,9 2404 036

Экологическая обстановка в субъектах федерации в 2005 г, оцененная по массе сброса загрязняющих веществ со сточными водами в поверхностные воды субъектов

федерации

№ п/п Вид показателя Размерность показателя Субъекты федерации

Нижегородская область Владимирская область Республика Чувашия Костромская область

1 Объем сточных вод имеющих загрязняющие взвешенные вещества мл куб м 425,57 155,26 129,16 67,'77

0,311 0,733 0,823 1,000

2 БПК полный тыс тонн 2,8 1,86 3,32 0,45

а, 0,313 0,457 0,266 1,000

3 Нефте продукты тыс тонн 0,2 0,04 нет сбросов 0 01

а, 0,100 0,471 1,000

4 Взвешенные вещества тыс тонн 6,34 1,83 3,63 0 63

а, 0,197 0,616 0,337 1,000

5 Сухой остаток тыс тонн 195,6 86,07 57,2 3,08

а, 0,031 0,071 0,107 1,000

6 Сульфаты тыс тонн 83,29 14,63 9 3,88

0,093 0,496 0,727 1,000

7 Хлориды тыс тонн 38 62 12,7 19,88 6,97

а, 0,350 0,844 0,624 1,000

8 Фосфор общий тонн 697,93 159,76 196,41 7,77

й, 0,022 0,097 0,079 1,000

9 Азот аммонийный тонн 2738,19 438,26 309,71 297,36

й, 0,215 0,929 0,999 1,000

31 Хлороформ тонн 1,46 нет сбросов 0,45 нет сбросов

___________Л, 0,563 1,000

Обобщенная функция желательности (И) рассчитанная с учетом классов опасности 0,546 0,628 0,710 0,982

По значениям обобщенной функции желательности была построена гистограмма (рис 7), из которой наглядно видно, что наибольшая нагрузка загрязняющими веществами, содержащимися в сточных водах, наблюдается в Нижегородской области, далее, по мере убывания идут Владимирская обл , республика Чувашия и Костромская обл Но такой анализ также можно считать неполным, поскольку не учитываются социальные и экономические особенности субъектов федерации Поэтому нами были проведены расчеты обобщенных функций желательности с учетом ряда социо-эколого-экономических показателей, результаты которых представлены в табл 10 и на рис 8 Хорошо видно, что при учете этих показателей картина кардинально меняется Наиболее благополучная ситуация наблюдается в Нижегородской и Владимирской областях, а республика Чувашия и Костромская область становятся аутсайдерами

Следует подчеркнуть, что применение элементов теории нечетких множеств (Л Заде, 1965), предназначенной для преодоления трудностей представления неточных понятий, анализа и моделирования систем в которых участвует человек, хотя и позволяет получить интегральные (обобщенные) оценки состояния сложных систем, тем не менее,

Республика Чувашия

Владимирская область

Нижегородская область

О ООО О 200 0..400 0 600 0 800 1 ООО Значение обобщенной функции желательности (D)

Рис 7 Экологическая обстановка в субъектах федерации в 2005 г, оцененная по нагрузке загрязняющими веществами содержащимися в сточных водах с помощью обобщенной функции желательности

Нижегородская область

Владимирская область

Республика Чувашия

Костромская область

0 ООО О 200 О 400 О 600 О 800

Значение обобщенной функции желательности (□)

Рис 8 Экологическая обстановка в субъектах федерации в 2005 г, оцененная по социо-эколого-экономическим показателям субъектов федерации с помощью функции желательности

не гарантирует от конфликта интересов и разных точек зрения Вышесказанное в полной мере относится к проблеме оценки эффективности мероприятий в природоохранной сфере, где конфликт между ведомственными, личностными, профессиональными, социально значимыми и многими другими точками зрения является объективной реальностью В этом отношении проблема охраны поверхностных вод от / загрязнения сточными водами не является исключением

Тем не менее, проведенная работа показала возможность применения разработанных алгоритмов для интегральной экологической оценки природно-антропогенных объектов верхней Волги на примере Нижегородской, Владимирской, Костромской областей и республики Чувашия

Экологическая обстановка в субъектах федерации в 2005 г, оцененная по социо-эколого-экономическим показателям субъектов __ федерации с помощью функции желательности__

№ п/п Показатель Размерность показателя Костромская область Республика Чувашия Владимирская область Нижегородская область

1 Плотность населения чел/км" 123 68 1 52,6 47,1

Л, 0,350 1,000 0,968 0,936

2 Детская смертность чел на 1000 142 11,4 13,1 13 6

0,976 1,000 0,990 0,985

3 Валовый региональный продукт млн руб 14286,9 18372,1 25577 83456,2

Л 0,333 0,420 0,560 1,000

4 Валовый региональный продукт на душу населения руб 18098,5 13526 8 15828 22741,4

0,974 0,879 0,938 1,000

5 Объём промышленной продукции млн руб 13305 19531 36010 106984

¡1, 0,245 0,353 0,605 1,000

б Выброс загрязняющих веществ в атмосферу тыс тонн 47 54 37 189

л, 0,972 0,933 1,000 0,377

7 Число предприятий и организаций шт 14329 17358 26000 68854

0,399 0,474 0,661 1,000

8 Объем продукции сельского хозяйства млн руб 7882 10704 9777 19068

0,706 0,854 0,812 1,000

9 Площадь сельскохозяйственных угодий тыс га 914,1 980,4 920,2 2913,7

Л, 0,571 0,605 0,574 1,000

10 Лесовостановление тыс га 11 1,6 4,5 9

Л, 1,000 0,285 0,701 0,980

11 Сброс загрязненных сточных вод тыс куб м 64335 123256 160564 436596

1,000 0,820 0,691 0,288

12 Сброс взвешенных веществ со сточными водами в открытые водоемы субъектов федерации ¿1 0,982 0,710 0,628 0,546

Обобщённая функция желательности (Х>) 0,633 0,642 0,743 0,784

выводы

1 Разработаны и верифицированы алгоритмы оценки нагрузки сточными водами на водотоки и подбассейны с учетом их экологической емкости

2 На основе фрактальной модели получены независимые оценки гидрографических параметров водотоков являющихся, приемниками сточных вод в изученных субъектах федерации

3 Разработаны линейные гидрографические схемы субъектов федерации, выделены подбассейны р Волги, являющиеся приемниками сточных вод и рассчитаны коэффициенты нагрузки на них

4 Предложенные градации характеристик нагрузки сточными водами на подбассейн удовлетворительно согласовываются с данными биотестирования на дафниях

5 По степени убывания антропогенной нагрузки массой загрязняющих веществ сточных вод, оцененной с помощью обобщенной функции желательности, изученные субъекты федерации располагаются следующим образом

Нижегородская обл > Владимирская обл > Чувашия > Костромская обл

6 По возрастанию предпочтительности комплекса социо-эколого-экономических показателей, оцененных с помощью обобщенной функции желательности, изученные субъекты федерации располагаются следующим образом

Костромская обл < Чувашия < Владимирская обл < Нижегородская обл СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях рекомендованных ВАК:

1 Королев А А , Розенберг Г С , Гелашвили Д Б , Панютин А А , Иудин Д И Экологическое зонирование территории Волжского бассейна по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа (на примере Верхней Волги) // Известия Самарского научного центра РАН 2007 Т 9 № 1 С 265-269

В других изданиях

2 Королев А А Статистический анализ гидрохимических данных во временной динамике // Мат конф Естествознание и гуманизм - Томск, 2004 Т 1, №2 - С 114-115

3 Королев А А Изучение структурных показателей гидробионтов плесов Куйбышевского водохранилища многомерным статистическим анализом // Популяции в пространстве и времени Сборник материалов VIII Всероссийского популяционного семинара (Н Новгород, 11-15 апреля 2005г ) Н Новгород ННГУ 2005 - С 166 - 167

4 Гелашвили Д Б , Захаров В М, Королев А А Интегральная оценка эколого - экономической информации // Бюллетень центра экологической политики России «На пути к устойчивому развитию» - М , 2004 - №29 - С 13-16

5 Гелашвили Д Б , Королев А А , Басуров В А Зонирование территории по степени нагрузки сточными водами с помощью обобщенной функции желательности (на примере Нижегородской области) // Поволжский экологический журнал 2006 №2 - С 129-138

6 Королев А А Районирование территории Нижегородской области по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа // матер докл IX съезда Гидробиологического общества РАН (г Тольятти, Россия 18-22 сентября 2006 г), т1 Тольятти ИЭВБРАН, 2006 С 232

Подписано в печать 24 04 2007 Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная Печать офсетная Уел печ л 1 Зак 461 Тир 100

Типография Нижегородского госуниверситета Лиц ПД № 18-0099 от 04 05 2001 603000, Н Новгород, ул Б Покровская, 37

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Королев, Алексей Андреевич

Введение.

Глава 1. Обзор литературы. Сточные воды как экологический фактор антропогенной трансформации окружающей среды.

1.1. Классификация сточных вод.

1.2. Характеристика основных показателей сточных вод.

1.3. Эколого-экономическая характеристика Нижегородской, Костромской, Владимирской областей и Республики Чувашия.

1.4. Речной бассейн. Строение гидрографической сети бассейна.

1.4.1. Морфометрическая характеристика речного бассейна.

1.4.2. Фрактальная структура речных бассейнов.

1.5. Теоретические основы экологического зонирования территорий и акваторий.

1.6. Терминология и обоснование метода биологического тестирования.

Глава 2. Материалы и методы исследования.

2.1. Источники данных.

2.2. Гидрографическая схема.

2.3. Алгоритмы расчёта коэффициентов нагрузки на водоток и бассейн загрязненными сточными водами.

2.4. Биологическое тестирование природных вод с использованием дафний.

2.5. Методы сжатия экологической информации.

Глава 3. Экологическое зонирование субъектов федерации по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа.

3.1 Экологическое зонирование Нижегородской области по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа.

3.1.1. Анализ и актуализация данных формы 2 ТП (водхоз).

3.1.2. Гидрографо-гидрологическая характеристика Нижегородской области.

3.1.3. Фрактальный анализ речной сети на примере Нижегородской области.

3.1.4. Расчет коэффициентов нагрузки на водотоки и подбассейны.

3.1.5. Экотоксикологическая характеристика воздействия сточных вод на природные водные объекты.

3.2. Экологическое зонирование Костромской области по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа.

3.2.1. Гидрографо-гидрологическая характеристика Костромской области.

3.2.2. Расчет коэффициентов нагрузки на водотоки и подбассейны.

3.3. Экологическое зонирование Владимирской области по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа.

3.3.1. Гидрографо-гидрологическая характеристика Владимирской области.

3.3.2. Расчет коэффициентов нагрузки на водотоки и подбассейны.Ю

3.4. Экологическое зонирование Республики Чувашия по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа.

3.4.1. Гидрографо-гидрологическая характеристика Республики Чувашия.

3.4.2. Расчет коэффициентов нагрузки на водотоки и подбассейны.

Глава 4. Сравнительный анализ экологической обстановки в субъектах федерации по степени нагрузки сточными водами.

Выводы.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Экологическое зонирование территорий по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа"

Актуальность работы. Антропогенные нагрузки на бассейн водосбора являются непосредственной причиной ухудшения экологического состояния водных экосистем, это отражается в изменениях показателей среды и биоты, связанных с модификацией трофики водного объекта. Для формирования целостных представлений об антропогенном воздействии на гидросферу и, в частности, анализа пространственного распределения нагрузки сточными водами необходимо применение интегрального междисциплинарного подхода основанного на бассейновом принципе экологического зонирования территории. На практике отчетливо просматривается тесная связь между нагрузками на территорию водосбора и теми показателями, которые определяют состояние водной экосистемы. По меткому замечанию современного крупнейшего гидробиолога и эколога Р.Маргалефа (1992, с. 72) «.химический состав речной воды является индикатором здоровья сухопутных экосистем на водосборном бассейне, также как состав мочи служит показателем здоровья человека». Таким образом, для комплексной оценки состояния водной экосистемы и направления протекающих процессов необходимо рассматривать в единой системе территорию водосборного бассейна и водный объект. Все вышесказанное в полной мере относится к Волжскому бассейну (Розенберг, Краснощеков, 1996; Найденко, 2003).

Целью работы явилось экологическое зонирование территорий Нижегородской, Костромской и Владимирской областей, а также республики Чувашия (далее субъектов федерации), на основе комплексной оценки уровня антропогенной нагрузки сточными водами с учетом бассейнового принципа.

Задачи исследования 1. Актуализировать сведения о сбросах загрязненных сточных вод в поверхностные водные объекты субъектов федерации по данным формы 2 ТП (водхоз) за 2005г.

2. Систематизировать гидрографические характеристики водных объектов субъектов федерации, являющихся приемниками загрязненных сточных вод от населенных пунктов.

3. Обосновать и верифицировать количественные оценки отсутствующих в справочной литературе гидрографических параметров водных объектов субъектов федерации на основе современных представлений о фрактальной геометрии речных бассейнов.

4. Обосновать алгоритмы расчета коэффициентов нагрузки загрязненными сточными водами на речной бассейн с учётом демпфирующей роли его экологической ёмкости и провести соответствующие расчеты.

5. Изучить экотоксикологическое воздействие сточных вод на выделенные подбассейны на примере ряда водотоков Нижегородской области

6. Дать интегральную оценку эколого-социальной обстановки в субъектах федерации с помощью обобщенной функции желательности.

7. Провести экологическое зонирование субъектов федерации по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа. Научная новизна работы. Разработана процедура идентификации водопользователей, обуславливающих лимитирующую нагрузку на водоток сточными водами, а также методы интегральной оценки эколого-социальной обстановки в субъектах федерации с помощью обобщенной функции желательности. С помощью фрактальной модели впервые получены гидрографо-гидрологические характеристики водотоков, учтенных в форме 2 ТП (водхоз) для Нижегородской области. Предложены и обоснованы алгоритмы оценки нагрузки загрязненными сточными водами на водоток и речной бассейн с учётом демпфирующей роли его экологической ёмкости. Оценена экотоксикологическая опасность сточных вод выделенных подбассейнов. Проведено экологическое зонирование территории субъектов федерации.

На защиту выносятся следующие положения

1. Уточненный перечень притоков рек Волги и Оки и их подбассейнов, являющихся приемниками сточных вод на территории Нижегородской, Владимирской, Костромской областей и Республики Чувашия.

2. Уточненные гидрографо-гидрологические характеристики водотоков Нижегородской, Владимирской и Костромской областей, а также Республики Чувашия, с указанием длины водотока, площади водосбора и среднегодового стока, полученные на основе фрактальной модели.

3. Алгоритмы оценки нагрузки загрязненными сточными водами на водоток и речной бассейн с учётом демпфирующей роли его экологической ёмкости.

4. Экологическая оценка нагрузки сточными водами на бассейны рек Нижегородской, Владимирской, Костромской областей и Республики Чувашия с помощью обобщенной функции желательности.

Практическая значимость работы. Построены гидрографические схемы водотоков субъектов федерации, являющихся приемниками сточных вод. Разработанные подходы использованы для проведения экологического зонирования территории Нижегородской области по степени нагрузки сточными водами (заказчик - Комитет охраны природы и управления природопользованием Нижегородской области). Методика использовалась для анализа эффективности обращения с отходами на ОАО «ГАЗ» (заказчик ОАО ГАЗ). Полученные алгоритмы применялись при проведения государственного мониторинга водных объектов на территории Владимирской и Костромской областей, а также Республики Чувашия (заказчики - Верхне-Волжское бассейновое водное управление; территориальный центр государственного мониторинга геологической среды и водных объектов Владимирской области; территориальный центр государственного мониторинга геологической среды и водных объектов Костромской области «Костромагеомониторинг»; Центр лабораторного анализа и технических измерений по Чувашской Республике «ФГУ «ЦЛАТИ» по ПФО»).

Апробация работы и публикации Результаты работы были доложены на VIII Всероссийском популяционном семинаре «Популяции в пространстве и времени» (Нижний Новгород, 2005), IX съезде Гидробиологического общества РАН (Тольятти, 2006). По результатам исследования опубликовано 6 работ.

Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на страницах, включая таблиц, рисунков и список литературы, состоящий из источников, в том числе иностранных.

Заключение Диссертация по теме "Экология", Королев, Алексей Андреевич

выводы

1. Разработаны и верифицированы алгоритмы оценки нагрузки сточными водами на водотоки и подбассейны с учётом их экологической емкости.

2. На основе фрактальной модели получены независимые оценки гидрографических параметров водотоков являющихся, приемниками сточных вод в изученных субъектах федерации.

3. Разработаны линейные гидрографические схемы субъектов федерации, выделены подбассейны р. Волги, являющиеся приемниками сточных вод и рассчитаны коэффициенты нагрузки на них.

4. Предложенные градации характеристик нагрузки сточными водами на подбассейн удовлетворительно согласовываются с данными биотестирования на дафниях.

5. По степени убывания антропогенной нагрузки массой загрязняющих веществ сточных вод, оцененной с помощью обобщенной функции желательности, изученные субъекты федерации располагаются следующим образом:

Нижегородская обл. > Владимирская обл. > Чувашия > Костромская обл.

6. По возрастанию предпочтительности комплекса социо-эколого-экономических показателей, оцененных с помощью обобщенной функции желательности, изученные субъекты федерации располагаются следующим образом:

Костромская обл. < Чувашия < Владимирская обл. < Нижегородская обл.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Королев, Алексей Андреевич, Нижний Новгород

1. Адлер Ю.Н., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. 279с.

2. Алтунин А.Е., Семухин М.В. Модели и алгоритмы принятия решений в нечётких условиях: Монография. Тюмень: Тюменский государственный университет, 2000. 352 с.

3. Баканов А. И. Теоретические основы экологического районирования водохранилищ // Количественные методы экологии и гидробиологии (Сборник научных статей, посвященный памяти А. И. Баканова)/ Отв.ред. Г.С.Розенберг. Тольятти: СамНЦРАН, 2005. С.157-166.

4. Баранов Ю.Б., Берлянт A.M. , Капралов Е.Г. и др. Геоинформатика. Толковый словарь основных терминов. М.: ГИС-Ассоциация, 1999. 204 с.

5. Башкин В.Н., Касимов Н.С. Биогеохимия. Москва: Научный мир, 2004. 648 с.

6. Безруков М.Е., Гелашвили Д.Б., Силкин A.A. Методы токсикометрии в биомониторинге // Экологический мониторинг. Методы биомониторинга. Учебное пособие / Под ред. Д.Б. Гелашвили Н.Новгород: ННГУ, 1995. Ч. II. С.388-441.

7. Берлянт A.M. Геоиконика. М.: МГУ, 1996. 206 с.

8. Блануца В. И. Интегральное экологическое районирование: концепция и методы. Новосибирск: Наука, 1993. - 158 с.

9. Бобылев С.Н., Медведева O.E. Экология и экономика М.: ЦЭПР, 2004. 340 с.

10. Васильев JI.H. Фрактальность и самоподобие природных пространственных структур // Изв. РАН. 1992. Сер. Геогр. №5. С. 25-35.

11. Ведухина В.Г. Анализ водно-экологической обстановки территории с использованием геоинформационно-картографического метода (на примере Алтайского края). Автореф. дис. канд. геогр. наук. Барнаул, 2007. 18 с.

12. Виноградов Ю.Б. Математическое моделирование процессов формирования стока. JI: Гидрометеоиздат, 1988. 312 с.

13. Владимиров A.M. Гидрологические расчеты. JL: Гидрометеоиздат, 1990. 365 с.

14. Вознесенский В.В., Феофанов Ю.А. Экологические технологии: проблемы переработки и утилизации осадков сточных вод // Инженер, экология. 1999. № 1. С. 2-7.

15. Возрождение Волги шаг к спасению России. Под ред. И.К. Комарова. М.: Экология, 1997. Кн. 2 511с.

16. Воробейник Е.А., Садыков О.Ф., Фарафонтов М.Г. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем. Екатеринбург: УИФ «Наука», 1984. 280с.

17. Гелашвили Д.Б., Туманов A.A., Безруков М.Е., Лисёнкова Н.В., Баринова O.K., Крестьянинов П.П. Методологические проблемы применения биологических тест-объектов в экоаналитике // Аналитическая химия.1999. Т. 54. С. 909-917.

18. Гелашвили Д.Б., Захаров В.М., Королев A.A. Интегральная оценка эколого экономической информации // Бюллетень центра экологической политики России «На пути к устойчивому развитию». М., 2004. №29. С. 1316.

19. Гелашвили Д.Б., Королев A.A., Басуров В.А. Зонирование территории по степени нагрузки сточными водами с помощью обобщённой функции желательности (на примере Нижегородской области) // Поволжский экологический журнал. 2006. №2. С. 129-138.

20. Географические направления в гидрологии. М.: Наука, 1995. 224 с.

21. География Нижегородской области: учебное пособие. Н. Новгород: Волго-Вятское кн. изд., 1991. 200 с.

22. Глушков В.Г. Перспективы и пути развития гидрологии в СССР // Водн. Ресурсы. 1986. №6. С.10-17.

23. Голубовская Э.А. Биологические основы очистки воды. М.: Высшая школа, 1978. 270 с.

24. Горяинов П.М., Иванюк Г.Ю. Самоорганизация минеральных систем. М.:ГЕОС, 2001.312 с.

25. Гюнтер Л.И., Гребеневич Е.В., Вавилин В.А., Васильев В.Б.

26. Доочистка сточных вод от соединений азота в аэрируемых биологических прудах//Водные Ресурсы. 1981. №1, С. 128-139.

27. Добровольский В.В. Геология: Минералогия, динамическая геология, петрография. М.: Владос, 2001. 320 с.

28. Еремин В.Г., Сафронов В.В., Схиртладзе А.Г., Харламов Г.А.

29. Экологические основы природопользования: / Под ред. Ю.М. Соломенцева. М.: Высш. шк., 2002. 253 с.

30. Жмур Н.С. Государственный и производственный контроль токсичности методами биотестирования в России. М.: Международный Дом Сотрудничества, 1997. 117с.

31. Жуков В.Т., Новаковский Б.А., Чумаченко А.И. Компьютерное геоэкологическое картографирование. М.: Науч. мир, 1999. 128 с.

32. Заде Л.А. Размытые множества и их применение в распознавании образов и кластерном анализе // Классификация и кластер (Сборник научных статей). М.: Мир, 1980, С.208-247.

33. Зонирование территории Нижегородской области по степени нагрузки сточными водами на основе бассейнового принципа для целей экологического мониторинга (Отчет по НИР). 2005. 57 с.

34. Иванюк Г.Ю., Горяинов П.М., Егоров Д.Г. Введение в нелинейную геологию (Опыт адаптации теории структур к геол. практике). Кол. науч. центр. Геол. ин-т. Апатиты, 1997. - 187 с.

35. Израэль Ю.А., Цыбань A.B. Антропогенная экология океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 528 с.

36. Исаева A.M. Обработка и утилизация осадков сточных вод. Пенза, 1998.— 123 с.

37. Кальвода Р., Зыка Я., Штулик К. и др. Элекроаналитические методы в контроле окружающей среды. М.: Химия, 1990. 240с.

38. Карпачевский Л.О. Экологическое почвоведение. М.: ГЕОС, 2005. 336 с.

39. Костина H.B. Эколого-информационная система большого региона как основа экологического мониторинга // Региональный экологический мониторинг в целях управления биологическими ресурсами. Тольятти: ИЭВБ РАН, 2003. С. 152-158.

40. Кочуров Б. И., Антипова А. В., Назаревский Н. В. и др.

41. Районирование территории России по степени экологической напряженности / Изв. РАН. 1994. Сер. Геогр.№1. С.119-125.

42. Кривошеин Д.А., Кукин П.П., Лапин В. JI. и др. Инженерная защита поверхностных вод от промышленных стоков. М.: Высшая школа, 2003. 344 с.

43. Кузин П.С. Классификация рек и гидрологическое районирование СССР. Д.: Гидрометеоиздат, 1960. 456 с.

44. Кучмент JI.C. Модели процессов формирования речного стока. Д.: Гидрометеоиздат, 1980. 144 с.

45. Малые реки Волжского бассейна. М.: МГУ, 1998 234 с.

46. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. М.: Институт компьютерных исследований, 2002. 656 с.

47. Маргалеф Р. Облик биосферы. М.: Наука, 1992. 254 с.

48. Марфенин H.H. Биосфера и человечество за 100 лет (Россия в окружающем мире: 2001). М.: МНЭПУ, 2001. 40 с.

49. Методика определения токсичности воды по смертности и изменению плодовитости дафний. ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.3-99. Госкомэкология, 1999. 12 с.

50. Найденко В.В. Великая Волга на рубеже тысячелетий. От экологического кризиса к устойчивому развитию. Н.Новгород: Промграфика, 2003.2тт.

51. Найденко В.В., Губанов Л.Н. Очистка и утилизация промстоков гальванических производств. Н.Новгород: Деком, 1999. 368 с.

52. Нежиховский P.A. Русловая сеть бассейна и процесс формирования стока воды. Д.: Гидрометеоиздат, 1971. 475 с.

53. Окружающая среда и здоровье населения России. Атлас. Под ред. М. Фешбаха. М.: ПАИМС. 1995. 448 с.

54. Орфанов И.К. Экономическая и социальная география Нижегородской области. Н. Новгород: НГПУ, 1998. 125 с.

55. Гюнтер Э., Кемпфе Л., Либберт Э. и др. Основы общей биологии. М.: Мир, 1982.-437 с.

56. Перечень рыбохозяйственных нормативов: предельно допустимых концентраций и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение. М.: ВНИРО, 1999. 304 с.

57. Постнов И.Е. Разработка принципов биотестирования физиологически активных веществ в объектах природной среды. Дис. докт. биол. наук. Н. Новгород, 2001. 222 с.

58. Потапов А.Д. Экология. М.: Высшая шола, 2000. 446 с.

59. Прокаев В.И. Основы методики физико-географического районирования. Д.: Наука, 1967. 263 с.

60. Пузаченко Ю.Г. Приложение теории фракталов к изучению структуры ландшафта//Изв. РАН. 1997. Сер. геогр. №2. С. 24-40.

61. Расчеты стока рек и временных водотоков / Под ред. А.Г. Куродова. Воронеж: Воронежский ун-т, 1979. 201 с.

62. Реймерс Н.Ф. Экология (теории, законы, правила, принципы и гипотезы). М, 1994. 367 с.

63. Ресурсы поверхностных вод СССР. Верхне-Волжский бассейн. М.: Гидрометеоиздат, 1973. Т. 10. 1279 с.

64. Ржаницин H.A. Морфологические и гидрологические закономерности строения речной сети. М.: Гидрометеоиздат, 1960 238 с.

65. Розенберг Г.С., Краснощекое Г.П. Волжский бассейн: экологическая ситуация и пути рационального природопользования. Тольятти: ИЭВБ РАН, 1996. 249 с.

66. Розенберг Г.С., Дунин Д.П., Костина Н.В. и др. Информационные технологии для оценки экологического состояния крупного региона (на примере Волжского бассейна и Самарской области) // Проблемы региональной экологии. Томск: СО РАН, 2000. Вып.8 С. 213-216.

67. Селезнева A.B. Совершенствование системы нормирования сброса загрязняющих веществ в водные объекты: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Ульяновск, 2005. 23 с.

68. Скорняков В.А. Учет распределения природных факторов и антропогенных нагрузок при оценке качества воды в реках // Проблемы гидрологии и гидроэкологии. 1999. М.: МГУ. Вып.1. С. 32-42.

69. Состояние окружающей среды и природных ресурсов Нижегородской области (Ежегодный доклад). Н.Новгород, 2004 226 с.

70. Строганов Н.С. Методики биологических исследований по водной токсикологии. М., 1971. 301 с.

71. Туманов A.A., Постнов И.Е., Осипова Н.И., Зимин А.Б. Повышение чувствительности биологического метода определения вещества путем изменения его физиологической активности // Анализ окружающей природной среды. Горький, 1987. С. 15-21.

72. Федоров В.Д., Сахаров В.Б., Левич А.П. Количественные подходы к оценке нормы и патологии экосистем // Человек и биосфера. М., 1982. Вып. 6. С. 3-42.

73. Хрисанов Н.И., Осипов Г.К. Управление эвтрофированием водоемов. С-Пб.: Гидрометеоиздат, 1993. 278 с.

74. Цветков И.В. Фрактальный анализ в математическом моделировании региональных водных систем. Автореферат дис. . канд. физ.-матем. наук. Тверь, 1999. 22 с.

75. Чеботарев А.И. Гидрология суши и расчеты речного стока. Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1963. 564 с.

76. Чеботарев А. И. Общая гидрология. JL: Гидрометеоиздат, 1975. 544 с.

77. Экологические проблемы: что происходит, кто виноват и что делать? Под ред. В.И. Данилова-Данильяна. М.: МНЭПУ, 1997. 332 с.

78. Экологическое состояние окружающей среды бассейна реки Волги (1995 -2001гг.). Н.Новгород, 2002. 129 с.

79. Яковлев С.В., Волков Л.С., Воронов Ю.В., Волков B.JI. Обработка и утилизация осадков производственных сточных вод. М.: Химия, 1999. 446 с.

80. Яковлев С.В., Воронов Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод. М.: АСВ, 2003.- 160 с.

81. Barbera P., Rosso R. On the fractal dimension of stream networks // Water Resour. Res. V. 25, №4. 1989. P.735-741.

82. Bargos Т., Mesanza J.M., Basaguren A. et. AI. Assessing river water quality by meansof multifactorial method using macroinvertebrates. A comporative stud of main water courses of Biscay //Water Res. 1990. V.24, №1. P. 1-10.

83. Campbell D. E. Using Energy Systems Theory To Define, Measure, and Interpret Ecological Integrity and Ecosystem Health // Ecosystem Health, 2002. V. 6, №3. P. 181-204.

84. Casey H. Variation in chemical composition of the River Frome, England, from 1965 to 1972 //Freshwater Biology, 1990. V. 5,1. 6. P. 507-514.

85. Cassie R.M. Multivariate analysis in ecology // Proc. N.Z. Ecol. Soc. 1969. V.16. P. 53-57.

86. Cgandler J.R. A biological approach to water quality management // Water Pollu. Contr. 1970. V. 69. P. 415 -421.

87. Downs T. J., Ambrose R. F. Syntropic Ecotoxicology: A Heuristic Model for Understanding the Vulnerability of Ecological Systems to Stress // Ecosystem Health. 2003. V. 7,1. 4. P. 266-283.

88. Edwards A. M. C. Silicon depletions in some Norfolk rivers // Freshwater Biology. 2005. V. 4, №3. P. 267-274

89. Eyquem J. Using fluvial geomorphology to inform integrated river basin management // Water and Environment Journal. 2003. V. 21, №1. P. 54-60.

90. Fendek M., Fendekova M. Transboundary Flow Modeling: The Zohor Depression of Austria and the Slovak Republic // Ground Water. 2005. V. 43, №5. P. 717-721.

91. Giller P.S. River restoration: seeking ecological standards. Editor's introduction // Journal of Applied Ecology. 2005. V. 42, №2. P. 201-207.

92. Gregory I.N., Remp K.K., Mostern R. Geographical Information and historical research: current progress and future directions // History and Computing. 2001. Vol. 13, №1. P. 8-9.

93. Gutierrez M., Borrego P. Water quality assessment of the Rio Concnos, Chihuahua, Mexico. // Envieronment International. 1999. Vol. 25, № 5. P. 573583.

94. Hack J.T. Geomorphology of the Shenandoah Valley, Virginia and West Virginia, and Origin of the Residual Ore Deposits. U.S. Geological Survey Professional Paper. 1965.484p.

95. Hack J.T. Studies of longitudinal streams in Virginia and Maryland 1957. 294 p.

96. Hawkes H.A. Biological classification of rivers: Conceptual basis and ecological validité // Biological Monitoring of Inland Fisheries. N.Y.: Allied Science, 1977. P. 55-69.

97. Meynell P. J. A hydrobiological survey of a small Spanish river grossly polluted by oil refinery and petrochemical wastes // Freshwater Biology. 2006. V. 3, №6. P. 503-520.

98. Phillips J.D. Interpreting the fractal dimension of river networks /Lam N.S., De Cola L, (Eds) //Fractals and Geography. New York, 1993. P. 142-157.

99. Showalter P. Developing Objectives for the Ground Water Quality Monitoring Network of the Salinas River // Ground Water Monitoring and Remediation. 2004. V. 5,1. 2. P. 37-45.

100. Sladecek V. System of water quality from biological point of view // Arch. Hidrobiol. 1973. V. 7. №7, P. 808-816.

101. Tarboton D.G., Bras R.L., Rodriguez-Iturbe I. The fractal nature of river networks // Water Resour. Res. 1988. V.24, №8. P. 1317-1322.

102. Turcotte D.L. Fractals and chaos in geology and geophysics. Cambridge: University Press, 1997,398 p.

103. Woodiwiss F.S. The biological system of stream classification used by the Trent River Board // Chem. Ind. 1964. V. 11. P.443-447.