Анализ экологического состояния маргинальных водных объектов с использованием геоинформационных технологий

Угланов, Никита Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Анализ экологического состояния маргинальных водных объектов с использованием геоинформационных технологий
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Анализ экологического состояния маргинальных водных объектов с использованием геоинформационных технологий"

ДНа правах рукописи

Угланов Никита Александрович

АНАЛИЗ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАРГИНАЛЬНЫХ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ (НА ПРИМЕРЕ УСТЬЯ И НИЖНИХ ТЕЧЕНИЙ РЕК МАЛЫЙ КАРАМАН И БОЛЬШОЙ КАР АМАН)

03.02.08 - экология (биология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

2 9 АВГ 2013

Оиоэ---

Ульяновск, 2013

005532314

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель: Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор биологических наук, профессор Тихомирова Елена Ивановна доктор технических наук, доцент Бобырев Сергей Владимирович

Романова Елена Михайловна

доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина», кафедра биологии, ветеринарной генетики, паразитологии, заведующая кафедрой

Сергеева Ирина Вячеславовна

доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова», кафедра ботаники и экологии, заведующая кафедрой

ФГБУН РАН «Институт проблем экологии и эволюции имени А.Н. Северцова» РАН

Защита состоится « 20 » сентября 2013 г. в 13.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.278.07 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ульяновский государственный университет» по адресу: г. Ульяновск, Набережная реки Свияги, 106, корп. 1, ауд. 703.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета, с авторефератом на сайте ВУЗа http://www.uni.ulsu.ru и на сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации - http://vak.ed.gov.ru.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 432017, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42, Ульяновский государственный университет, Отдел послевузовского и профессионального образования.

Автореферат разослан « 19 » августа 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук, доцент

С.В. Пантелеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одной из основных задач современной экологии является изучение структуры, закономерностей функционирования и устойчивого развития водных экосистем и их рациональное использование. Решение этой задачи невозможно без углубленных исследований важнейших компонентов водных экосистем, мобилизующих трофический потенциал водоемов (Розенберг, 2000; Сергеева, 2006; Зинченко, 2007).

В настоящее время водоемы различного типа испытывают интенсивную антропогенную нагрузку разного характера. Поэтому остро стоит как проблема оптимизации использования естественных ресурсов, так и проблема разработки методов снижения антропогенного воздействия на окружающую среду. По данным ряда авторов, существует объективное противоречие между тенденцией роста водопотребления при повышении требований к качеству воды и прогрессирующим отрицательным влиянием антропогенных факторов на водные объекты (Цхай, 2001; Лукьяненко, 2002; Орлов и др., 2012).

Водные ресурсы Саратовской области подвергаются значительному влиянию со стороны человека (Доклад о состоянии и об охране окружающей среды Саратовской области, 2011), что связано, прежде всего, с функционированием на Волге одного из крупнейших водохранилищ мира - Волгоградского, протяженность которого составляет 670 км, площадь достигла 3309 км2, а объем превысил 32,1 км3. Вопросы изменений гидрологического режима притоков водохранилищ практически не рассматривались (Лукьяненко и др., 1994; Шитиков и др., 2003; Елисеев и др., 2003). Большинство малых рек региона имеют небольшой расход и малую водообеспеченность, низкую скорость течения и малую глубину, что определяет неблагоприятные условия для разбавления и смешения загрязнений, снижая тем самым самоочищающую способность водотоков. Высокий уровень зарегулированное™ превращает их в цепь слабопроточных водохранилищ, а высокие летние температуры способствуют эвтрофика-ции водоемов. Традиционное расположение сельских населенных пунктов в береговой зоне, широкое использование рек для орошения и рекреации усугубляет экологическую ситуацию на малых реках (Никаноров, 2005).

Постоянный контроль состояния водных ресурсов чрезвычайно важен для выработки эффективных мер по их использованию и принятию связанных с ними управленческих решений. В настоящее время использование геоинформационных технологий и программно-аппаратных комплексов позволяет более быстро и точно производить анализ показателей окружающей среды и соответственно делать более точные прогнозы и расчеты экологических рисков (Бобырев и др., 2010; Тихомирова и др., 2011; Подольский и др., 2012). Такой подход позволяет проводить анализ большого объема исходной информации, на основании которой вырабатывать научно обоснованные и эффективные решения в области рационального природопользования.

Целью работы было проведение экологического мониторинга маргинальных участков модельных водных объектов с учетом особенностей гидрологических процессов и с использованием программно-аппаратного комплекса для оценки и прогнозирования экологической ситуации, оценки степени антропогенного воздействия.

Задачи исследования:

1. Обоснование выбора мест забора проб и проведения измерений для экологического мониторинга по данным гидрологических исследований устья и нижних течений рек Малый и Большой Караман.

2. Разработка методики использования программно-аппаратного комплекса (базовых моделей исследуемых процессов, алгоритмов обработки информации, структуры базы данных и т.д.) для проведения экологического мониторинга водных экосистем на примере устья и нижних течений рек Малый и Большой Караман.

3. Проведение комплексных гидрохимических и гидробиологических исследований устья и нижних течений рек Малый и Большой Караман в полевые сезоны 2010-2012 гг.

4. Анализ экологического состояния маргинальных участков модельных водных объектов на примере устья и нижних течений рек Малый и Большой Караман за 2010-2012 гг. по интегральным показателям.

5. Разработка рекомендаций по совершенствованию экологического мониторинга маргинальных участков водных экосистем и их рациональному природопользованию.

Научная новизна. Разработана инновационная методика экологического мониторинга водных объектов на основе современных информационных технологий, позволяющая осуществлять прогнозирование процессов, протекающих в маргинальной водной экосистеме, и оценивать степень антропогенной нагрузки. Проведены комплексные гидрологические исследования устья и нижних течений рек Малый и Большой Караман, и обоснован выбор мест забора проб и проведения измерений для экологического мониторинга. Впервые выявлены маргинальные зоны водных объектов как территории взаимодействия двух водных объектов, сопровождающиеся качественными изменениями базовых процессов. Обоснована необходимость проведения гидрологических исследований маргинальных зон, предваряющих гидрохимические, гидробиологические, токсикологические и санитарно-гигиенические исследования водного объекта.

Разработаны структуры базы данных для маргинальных водных объектов на примере устья и нижних течений рек Малый и Большой Караман. На основе современных информационных технологий созданы модели основных процессов, протекающих в маргинальной водной экосистеме на примере устья и нижних течений рек Малый и Большой Караман, и алгоритмы прогнозирования их состояния на основании результатов экологического мониторинга.

С использованием программно-аппаратного комплекса, обеспечивающего сбор, обработку и отправку первичной информации о состоянии маргинальных зон водного

объекта на сервер, проведён экологический мониторинг устья нижних течений рек Малый и Большой Караман в полевые сезоны 2010-2012 гг.

Проанализировано экологическое состояние маргинальных зон на примере устья и нижних течений рек Малый и Большой Караман за 2010-2012 гг.; выявлена сезонная динамика основных гидрохимических характеристик. Установлены превышения ПДКрх. по показателям перманганатной окисляемости и БПК5 на участках рек вблизи населенных пунктов. По данным интегральных гидробиологических и гидрохимических показателей сделано заключение о неоднородности загрязнения исследуемых объектов и разработаны рекомендации по их рациональному природопользованию.

Практическая значимость. Реализован метод сбора и обработки данных об экологическом состоянии водного объекта, который позволяет передавать значения определяемых ex tempore параметров на сервер в режиме онлайн, при наличии соединения с сетью Интернет. Усовершенствована методика экологического мониторинга водных объектов региона с использованием подвижных объектов и технологий GPS-GPRS. Разработанный комплекс дает возможность автоматизировать сбор данных об экологическом состоянии объекта с использованием современных и относительно недорогих компонентов, позволяет формировать комплектацию лаборатории с применением различных сенсоров для конкретных исследований. Разработаны рекомендации по совершенствованию экологического мониторинга маргинальных зон водных объектов. Полученные данные могут быть использованы при оценке современного состояния водных ресурсов Саратовской области; компьютерном моделировании исследуемых ресурсов и построении экспертной системы, позволяющей получить полную и точную информацию об их экологическом состоянии; при мониторинге состояния водных объектов на фоне различных внешних воздействий, в том числе и антропогенного характера.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры экологии Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., используются при чтении лекций и проведении практических занятий по курсу «ГИС в экологических исследованиях» при подготовке бакалавров по направлению «Экология и рациональное природопользование»; при проведении летних полевых практик и подготовке курсовых и дипломных работ.

Апробация работьь Материалы диссертации были представлены и обсуждены на научных конференциях: Всероссийской научно-практической конференции «Социальные проблемы медицины и экологии» (Саратов, 2009); XXIV-XXVI Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2011-2013); Всероссийских научно-практических форумах «Экология: синтез естественно-научного, технического и гуманитарного знания» (Саратов, 20102012); Всероссийских научно-практических конференциях с международным участием «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2011-2013); Фестивалях науки (Саратов, 2011, 2012); региональной научно-практической конференции «Информационно-технологические проблемы в экологии» (Маркс, 2011); VI и VII

Саратовских салонах изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2011, 2012); Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения окружающей среды» (Тенерифе, 2012); Международном конгрессе «International and Communication Technologies in Education, Manufacturing and Research» (Саратов, 2012); Международной научной конференции «Компьютерное моделирование в науке и технике» (Андорра, 2012); Международной научной конференции «Проблемы экологического мониторинга» (Рим-Флоренция, 2012); Всероссийской научной конференции с международным участием «Актуальные проблемы экологии Волжского бассейна» (Тольятти, 2013); научных конференциях студентов и аспирантов Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. (Саратов, 2009-2013), конкурсах «У.М.Н.И.К.» 2011-2013 в рамках ММТТ-24-26; Международном научно-практическом форуме «Великие реки 2013».

На VI Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций работа была удостоена диплома I степени и отмечена как «Лучший молодёжный проект 2011 года» с вручением ценного приза.

Работа выполнена в рамках ОНН СГТУ «Оценка действия экологических (антропогенных) факторов на состояние окружающей среды и здоровье населения» (2009-2010); гранта АВЦП «Разработка инновационной методологии мониторинга и прогнозирования состояния водных экосистем региона на основе современных информационных технологий» (СГТУ-331, 2011) и гранта ФЦП «Разработка инновационной IT-методологии мониторинга и прогнозирования состояния экосистем в условиях повышенной антропогенной нагрузки» (СГТУ-7, 2012-2013).

Личный вклад автора

Автором проведен анализ литературных источников по теме диссертации, планирование экспериментальных исследований и подбор методов для достижения поставленной цели проведены совместно с научным руководителем и научным консультантом. Полевые и экспериментальные исследования выполнялись автором лично или при непосредственном участии в составе научной группы в период с 2010 по 2012 гг. Обработка полученных данных, их интерпретация и оформление, а также разработка практических предложений по мониторингу маргинальных зон водных объектов осуществлены автором самостоятельно.

По материалам диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах из списка рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, главы материалов и методов, 3 глав собственных исследований, заключения, выводов. Материалы диссертации изложены на 150 страницах текста, включают 31 рисунок и 17 таблиц. Список использованных литературных источников включает 168 наименований, в том числе 39 зарубежных.

Основные положения, выносимые на защиту

• При экологическом мониторинге маргинальных участков водных объектов необходимы гидрологические исследования для обоснования выбора мест забора проб и проведения измерений.

• Использование программно-аппаратного комплекса и базы данных для экологического мониторинга маргинальных участков водных объектов позволяет моделировать основные гидрологические процессы, определять границы маргинальных участков и зоны повышенных экологических рисков.

• Значения интегральных гидрохимических и биологических показателей устья и нижних течений рек Малый и Большой Караман свидетельствуют о выраженном действии Волжского каскада на качество воды, сезонную динамику и неоднородность загрязнения антропогенного характера.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность работы, ее научная новизна и практическая значимость, сформулированы цель и задачи исследования и пути их реализации.

Глава 1. Методология мониторинга водных объектов (обзор литературы)

В главе приводится анализ публикаций, монографий, обзорных и оригинальных статей отечественных и зарубежных авторов, посвященных изучению запаса и качества водных ресурсов, проблемам их загрязнения, системе мониторинга водных объектов в РФ, а также вопросам моделирования различных процессов, происходящих в водных объектах. Выделены основные направления в экологическом мониторинге водных объектов: наблюдения за факторами воздействия и состоянием среды объекта; оценка фактического состояния водного объекта; прогноз состояния окружающей природной среды и оценка экологических рисков. На основании данных литературы было сформулировано понятие «маргинальная зона», как территория активного взаимодействия двух водных объектов, сопровождающегося качественными изменениями базовых процессов.

Обосновано практически полное отсутствие информации об особенностях экологического мониторинга маргинальных зон, таких, как устье малых рек, испытывающих сильное влияние режима работы Волжского каскада. Несмотря на активное внедрение современных информационных технологий в практику экологических исследований, отмечено отсутствие в доступной литературе описания моделей основных процессов, протекающих в маргинальной водной экосистеме, данных об 1Т, обеспечивающих сбор, обработку и отправку первичной информации о состоянии водного объекта на сервер, подходящий по всем специфическим критериям.

Выяснились недостаток данных экологического мониторинга реки Большой Караман и практически полное их отсутствие по реке Малый Караман. Учитывая большой вклад данных водных объектов в водообеспечение сельских районов Заволжья Саратовской области, изменения гидрологического режима под влиянием Волжского

каскада и необходимость оценки их экологического состояния, представляло научный и практический интерес провести комплексные исследования этих рек и выяснить степень антропогенного воздействия.

Глава 2. Материалы и методы

Исследования проведены на модельных водных объектах - устье и нижнем течении рек Малый и Большой Караман, которые расположены в юго-восточной части Восточно-Европейской равнины на территории Нижнего Поволжья, в пределах границ Саратовской области, по левому берегу Волги (Волгоградского водохранилища). Это типичные малые реки левобережья Нижней Волги, которые протекают по равнинной местности Советского и Марксовского районов Саратовского Заволжья. Протяженность Б. Карамана составляет 187 км, М. Карамана - 90 км. На реке Б. Караман расположено 9 населенных пунктов, включая райцентр Советского района - поселок Степное. Основной фазой водного режима рек является весеннее половодье, в период которого проходит порядка 80% годового объема стока. Поэтому на протяжении рек создано большое количество прудов и водохранилищ, которые аккумулируют в себе сток весеннего половодья, а также дождевые паводковые воды, которые затем используются на водоснабжение и орошение. Эти искусственные водоёмы на реках являются практически единственным источником водоснабжения населения, что подчеркивает их важное социально-экономическое значение.

Данные водные объекты были выбраны также в связи с сильным влиянием на них режима работы Волжского каскада, что даёт возможность их загрязнения восходящего типа и позволяет отнести их к типичным маргинальным зонам. Кроме того, М. Караман имеет общее устье с Б. Караманом, что существенно затрудняет прогнозирование экологических рисков, связанных с перемещением химических веществ в воде (рис. 1).

Исследования проводили с 2010 по 2012 гг. в весенний (10-20 мая), летний (2030 июля) и осенний (1-10 октября) периоды. Протяженность исследуемых участков: по реке Б. Караман - 27 км, по реке М. Караман - 25 км.

Гидрологические исследования проводили по (Константинов, Петров, 1987; Высоцкий, Поляков, 2001) на 31 участке по 3 гидроствора в каждом; всего за 3 года исследовано 837 гидростворов. Исследования включали: разбивку базиса и гидростворов, промер глубин, измерение скоростей течения вертушкой, определение направления поверхностных струй устья и среднего течения рек Малый и Большой Караман, а также Волги в районе устья этих рек.

Экологический мониторинг проводили по 27 точкам маргинальных зон исследуемых рек. Для оценки состояния водной экосистемы использовали методы, описанные в работах А. Ф. Порядина, А. Д. Хованского (1996); В.К. Шитикова, Г.С. Ро-зенберга, Т.Д. Зинченко (2003); В. П. Семенченко (2004). Отбор проб осуществляли согласно ГОСТ 17.1.5.05-85 «Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб поверхностных и морских вод, льда и атмосферных осадков» и ГОСТ Р

51592-2000 «Вода. Общие требования к отбору проб». Из органолептических показателей определяли прозрачность воды и запах (РД 52.24.496-2005), цветность (РД 52.24.497-2005) и мутность (РД 52.08.104-2002). Из гидробиологических показателей исследовали фитопланктон, зоопланктон и бентос (ГОСТ 17.1.3.07-82), определяли интегральные показатели - индексы Скотта и Вудивисса (Боголюбов, 1997).

(устье и нижние течения рек Малый и Большой Караман)

С использованием аппаратно-программного комплекса (Бобырев и др., 2011) определяли ex tempore следующие показатели: точечную скорость и направление течения, уровень воды, рельеф дна, органолептические показатели, рН, температуру, содержание в воде 02, наличие фитопланктона, зоопланктона, бентоса и их видовое разнообразие. Гидрохимические показатели: рН, щелочность и жесткость воды, пер-манганатную окисляемость, содержание растворённого кислорода, БПК5 БПК0бщ, ХПК; содержание ионов - Cl", NH4+, N02", N03", S04"2, Zn+2, Cu+2, Mn+5, P04 "3, Ni+2 , Pb+2, Fe (общее); присутствие фенолов, ПАВ, нефтепродуктов. Сухой остаток определяли в испытательной аккредитованной лаборатории «ЭкоОС» СГТУ в соответствии с ГОСТами, РД или ПНД. Рассчитывали по общепринятым методикам (РД 52.24.6432002) интегральные показатели: индекс загрязнённости воды (ИЗВ) и удельный комбинаторный индекс загрязнённости воды (УКИЗВ).

В работе были использованы параметрические и непараметрические методы анализа; при моделировании водной экосистемы использовали методы, описанные в работах В.Г. Царегородцева, Н.А. Погребной (1998); C.B. Шайтуры (1998); Д. Андер-

сона (2004); Р. Хаггарти (2005); R. Scally (2006); P. Kumar (2006); P. Fu (2008). Экспертная система разрабатывалась на основе методологии, изложенной в работах П. Джексона (2001) и Д. Джарратано, К. Райли (2007).

Статистическую обработку экспериментальных данных проводили по общепринятым методикам (Плохинский, 1970; Лакин, 1973; Ашмарин и др., 1978). Расчёт результатов осуществляли с применением пакета прикладных программ Statistica 6.0 (for Windows; «Stat Soft Inc.», США), Statgraph (Version 2.6; Coulter), Microsoft MS 2003 (for Windows XP). Компьютерное моделирование велось с помощью пакета программ Matlab 6.5. Статистические результаты считались достоверными при р<0,05.

Глава 3. Гидрологические исследования устья рек Малый и Большой Караман

Были проведены гидрологические исследования в устье и нижнем течении рек Малый и Большой Караман, в 31 точке (рис. 2) по 3 гидростворам были определены уровень воды, рельеф дна, сила и направление элементарных течений. Для обеспечения репрезентативности выборок и сбора информации, полностью отражающей свойства водного объекта, большинство точек измерения выбрали в зоне устья, где представлены основные типы участков русла, такие как косы, пляжи, острова, крутые и отлогие берега, прямые и извилистые участки, где возникали прямые и обратные течения, турбулентные и ламинарные, горизонтальные и вертикальные циркуляции.

и выбор модели гидрологических процессов

г-»/

•А

3"» 1:100000

Рисунок 2 - Расположение точек гидрологических исследований

Это дало возможность выявить характерные зоны формируемых потоков и создать максимально упрощённые, но адекватные модели водного потока.

Исследование распределения скоростей потока по вертикали показало, что применение упрощённой модели, когда подвижным считается только поверхностный слой, не является адекватным. По всей длине всех русел достоверно выявляются более медленный поверхностный и более быстрый приповерхностный слои, а также постепенное снижение скорости по глубине. Придонный слой с нулевой скоростью оказывается тоньше 2-3% от глубины, составляющей не более Зм (рис. 3-А).

Измерения скоростей потока также показали возможность построения с достаточной точностью эпюр расходов (рис. 3-Б), необходимых для расчёта формирования отложений, и выявление несимметричностей потока, возникающих на извилистых участках русла (рис. 3-В). На рисунке 3-Г отображены изотахи для одного из прямолинейных участков реки М. Караман (участок №7), где русло имеет классическую чашеобразную форму с высокой степенью симметрии. В этом случае расположение основного водного потока происходит точно по центру реки.

А Б

іваг«и

Ширина реки (и)

Рисунок 3 - Гидрологические исследования на реке Малый Караман: А - эпюра скоростей водного потока по вертикали; Б - эпюра элементарных расходов; В - изотахи, характерные для поворота русла реки; Г — изотахи, характерные для прямолинейного участка реки

На основании указанных положений была создана практическая методика проведения измерений при исследовании маргинальных зон водного объекта. Анализируя данные компьютерного моделирования исследуемых водных объектов, было сделано заключение о дальности границ маргинальных зон и даны рекомендации по выбору точек для забора проб, комплексный анализ которых позволит дать адекватную характеристику качества воды. Для последующего экологического мониторинга было выделено 27 таких точек: 6 — на участке в нижнем течении реки М. Караман протяженностью 25 км, 9 - на участке в нижнем течении реки Б. Караман протяженностью 27 км и 12 - на устьевом участке Воложки, объединяющем русла этих рек.

Глава 4. Разработка методики использования программно-аппаратного

комплекса для проведения экологического мониторинга маргинальных участков водных объектов

В работе использовали программно-аппаратный комплекс, созданный для мониторинга водных объектов специалистами СГТУ имени Гагарина Ю.А. (Бобырев и др., 2010; Угланов и др., 2011; Михалев и др., 2012). Методика мониторинга и анализа исследуемых водных объектов - малых равнинных рек на участке впадения в водохранилище - основана на разработанной геоинформационной модели (ГИМ), учитывающей свойства и состояние экосистем исследуемого водного объекта во взаимосвязи с географией местности, на которой он расположен.

Информационным ядром ГИМ является помеченный направленный граф (рис. 4-А), вершины которого представляют в модели информационные объекты, соответствующие реальным объектам экосистемы: рельефу местности, водным потокам, донным отложениям, биологическим компонентам. Дуги графа представляют в модели процессы взаимодействия объектов в экосистеме - перенос частиц водным потоком и образование отложений, поступление в водный поток газов и удаление их, трофические цепи, процессы воспроизводства биоценоза в зависимости от химического состава. Граф ГИМ представлен в компьютерной системе реляционной базой данных, таблицы которой соответствуют объектам и связям в экосистеме, а также осуществляют кодировку информации (рис. 4-Б).

Функциональной основой ГИМ являются алгоритмы имитационного моделирования водного объекта, при котором каждый процесс в моделируемой системе представлен в виде функции компьютерной программы, реализующей принятое представление о моделируемом процессе (рис. 4-В). Входные и выходные данные для функций находятся в единой реляционной базе данных. Такой подход позволяет легко подключать и исключать из модели отдельные процессы, а также заменять алгоритмы процессов, не затрагивая общую структуру имитационной модели.

Интерфейс ГИМ позволяет получать исходные данные и представлять результаты моделирования и мониторинга водного объекта в виде, привязанном к географическим координатам, что облегчает работу с моделью и делает более наглядными результаты моделирования (рис. 5).

ядро; Б - элемент базы данных; В - функциональная основа

и»0бр*1«нн* (ММ п«|*рхмости

вО*Ы -2 *2

•I ИШШР'ИЯ^^^*":

АЛ

Г ■■ •!.........1....................|......................................|...................; ;

30,

аргумент X

Рисунок 5 - Интерфейс имитационной геоинформационной модели водного объекта, реализованный на МАТЬАВ+РЕМЬАВ

Для программной реализации данной ГИМ водного объекта были выбраны МАТЬАВ и БЕМЬАВ, позволяющие не только использовать большой набор универсальных математических и графических программ, но и при необходимости реализо-вывать принятые в работе алгоритмы экологических процессов.

Разработанный программный комплекс позволяет моделировать гидрологические процессы в реке, обрабатывать результаты измерений по необходимым алгоритмам и наглядно отображать результаты мониторинга в трёхмерном виде с привязкой к карте и рельефу местности (рис. 5).

Использование разработанного программно-аппаратного комплекса предполагает необходимость долговременного хранения полученной информации и ее адекватного анализа с целью прогноза экологического состояния. Для использования информационного подхода необходимы соответствующая база данных и база знаний для установления причинно-следственных связей и расчета экологических рисков. Соответственно необходимо было создать централизованную информационную систему, позволяющую наглядно отображать получаемые данные. Для создания такой системы был проведен детальный анализ всех определяемых и рекомендуемых к определению показателей при экологическом мониторинге водных объектов, которые были заложены в принципиальную схему базы данных. Затем были проанализированы взаимосвязи между отдельными показателями и процессами в водных экосистемах для создания базы знаний. Разработанный алгоритм был использован для создания информационной системы, представленной на рисунке 6.

База данных экологического мониторинга

I П. Щ ОМ1М1ГИЧ КПП

метод рН

жесткость О* БПК51

хпк

С1

КН4-Ж>2' N03

яо,'

фенолы ПАВ нефтепрод.

Хп+2. С'и+2 Ее (общее) Мп4* Р04

м+2

РЬ+2

Приборы окснметр понометр эхолот

гидр ометрическая вертушка ОРй. ГЛОНАС навигатор НДР

Методы исследования Гиді» о химический Гидр ОЛОПІЧЄСКИЙ Гид]> обнологігіескиґі Токспколопіческий

Гидробиологический метод исследование фитопланктона і о о планктон а. бентоса

Гидр ОЛОПРІЄСКНЙ метод определение точечной скор ост, направления

течения, уровня в оды.

рельефа дна

Токсик олопгческий метод определение ТОКСИЧНОСТИ по

тест-объектам хлорелла ряска дафнии

Водный объект название координаты х ар актер исток а местно ста площадь водосбора уравн. водного баланса другие общие данные

Оформление заявки

Номер метод исследования заказ'ппс дата подачи дата выполнения

Отчёт нормативный документ

ІІОКИЇШС.'Ш

методы исследования

Проба метод исследования широта долгота время отбора

Список организаций С'анзпиднадзор Роспотр ебнадзор Рыбнадзор Росгиді»омет и др.

Рисунок 6 - Схема базы данных экологического мониторинга водного объекта

Созданная база данных основывалась на системе управления базами данных (СУБД) MySQL, которая осуществляет хранение пространственных данных в открытом, стандартизованном формате и полностью соответствует требованиям стандарта Open GIS. Это позволяет обеспечивать работу с пространственными данными из различных приложений и строить ГИС-систему вокруг единого хранилища данных.

Глава 5. Оценка экологического состояния модельных водных объектов -устья и нижних течений рек Малый Караман и Большой Караман поданным мониторинга за 2010-2012 гг.

Экологический мониторинг модельных водных объектов - устья и нижних течений рек Малый и Большой Караман - проводили с использованием разработанного программно-аппаратного комплекса в 27 выбранных точках в течение 3 лет в весенне-осенний периоды. Определяли некоторые гидрохимические и гидробиологические показатели ex tempore с автоматическим занесением данных в полевой планшетный компьютер и с последующей передачей на стационарный сервер в лаборатории. В этих же точках брали пробы воды для последующих комплексных лабораторно-аналитических исследований.

Изучение экологического состояния воды реки Малый Караман в весенний, летний и осенний периоды 2010-2012 гг. показало значительные изменения в динамике органолептических показателей: запах колебался от I до 3 баллов (максимально в створе ниже с. Бородаевка). Мутность воды в реке Малый Караман составляла 38,8 -103,2 мг/дм3. При этом отмечались достоверные (р < 0,05) отличия в показателях на участках вблизи населённых пунктов. Наиболее высокое значение оказалось в пробах воды у села Бородаевка. Характер изменения величины цветности в изучаемых створах был аналогичен изменению мутности. Обращает на себя внимание возрастание цветности (от 36 до 85°) на протяжении реки от села Караман до села Бородаевка.

Отмечены изменения и гидрохимических показателей. Так, активная реакция реки Малый Караман на большинстве изученных участков характеризовалась значениями в интервале 7,6 - 7,8 рН, что являлось благоприятным условием для протекания процессов самоочищения. Показатели щелочности воды изменялись от 3,43 до 4,46 ммоль/дм3. Перманганатная окисляемость воды р. Малый Караман находилась в интервале 10,0-18,6 мг/дм3 кислорода. Наибольшие значения окисляемости были выявлены в летний период в створе ниже села Бородаевка. БПК5 в воде этого участка реки составляло 13,3 мг02/дм3 (рис. 7). Содержание растворенного кислорода было достаточным для протекания биологических и биохимических процессов в водоеме. Концентрации его были в пределах 4,1 - 8,5 мг02/дм3.

Изучение величины общей минерализации, содержания сульфатов и хлоридов не позволило выявить достоверного изменения этих показателей на протяжении реки. Вместе с тем, отмечалась тенденция к возрастанию общей минерализации (сухого остатка) в створах ниже населенных пунктов. Присутствие в воде всех форм азота

свидетельствовало о сравнительно свежем загрязнении органическими веществами, в том числе и фекального происхождения. Это свидетельствовало о том, что процессы самоочищения не завершены. Содержание общего железа было в пределах 0,3-0,4 мг/дм3; концентрации фтора были невысокими и составляли 0,22-0,25 мг/дм3. При определении специфических загрязнений было отмечено содержание нефтепродуктов в пределах 0 - 0,07 мг/дм3, а ПАВ — в интервале 0,07 - 0,127 мг/дм3.

Таким образом, результаты исследования качества воды реки М. Караман позволяют сделать вывод о том, что она испытывает неблагоприятное воздействие, прежде всего со стороны сельских населенных пунктов, расположенных в береговой зоне. Ухудшение качества воды, на взгляд автора, связано с расположением в береговой зоне лагерей летнего выпаса скота. Показатели органического загрязнения (перманга-натная и бихроматная окисляемости, БПК5), а также наличие всех форм азотистых соединений в воде свидетельствуют о загрязнении воды органическими веществами и снижении процессов самоочищения.

Исследования качества воды реки Большой Караман, выполненные в весенний, летний и осенний периоды 2010-2012 гг., позволили установить, что органолептиче-ские показатели были в основном удовлетворительными. Запах воды колебался от 0 до 2 баллов. Однако отмечены достаточно высокие для летнего периода значения мутности и цветности воды. Так, в створе выше села Калуга значение мутности достигало 55,2 мг/дм3, а величина цветности находилась в интервале 25-56,7°. Было установлено снижение величины мутности и цветности воды реки Б. Караман по мере приближения к устью. При этом влияние волжской воды прослеживалось вверх по течению реки до поселка Степное. Так же, как и на реке М. Караман, выявлено неблагоприятное воздействие близости сельских населенных пунктов на такие показатели как перманганатная окисляемость и БПК5. Особенно отчетливо эта закономерность проявлялась в створах ниже и выше села Советское (рис. 8). Активная реакция воды находилась в пределах 8,1-8,3; щелочность изменялась от 2,83 до 4,5 ммоль/л. На протяжении исследуемого участка реки определенной закономерности в изменении этого показателя не установлено.

Исследования воды р. Б. Караман на содержание органических веществ показало изменение величины перманганатной окисляемости от 7,73 в створе выше села Ленинское до 17,9 мг02/дм3 в створе выше села Советское. БПК5 в воде реки Б. Караман изменялось от 3,8 в створе выше села Степное до 14,6 мЮ2/дм3 в створе ниже села Советское. Расчет отношения БПК5 к окисляемости показал, что только в одном створе (выше села Калуга) его значение составило 0,4. В остальных пунктах наблюдения по этим показателям можно было характеризовать водный объект как загрязненный органическими соединениями. Наиболее высокие значения отмечены в створе ниже села Советское. Высоким был и другой показатель загрязнения воды — бихроматная окисляемость, величина которой колебалась от 35,6 до 77,4 мг/дм3. Вместе с тем содержание растворенного кислорода (4,2-8,5) было достаточным для протекания биологических и биохимических процессов в реке. Присутствие в воде всех форм азота

свидетельствует о незаконченности процессов самоочищения, а также о сравнительно свежем загрязнении реки органическими веществами.

„ 10

6 4 2 О

2 3 4

точки исследования

-Май,2010

Июнь,2010 Октябрь,2010

-ПДК

Рисунок 7 - Динамика показателя БПК5 в воде реки М. Караман за 2010 г.

Рисунок 8 - Динамика показателя БПКз в воде реки Б.Караман за 2010 г.

Из специфических загрязнений реки Б. Караман следует отметить присутствие нефтепродуктов и ПАВ в большинстве исследуемых точек в концентрациях, не превышающих значения ПДКрх. Исключение составляли пробы из точек реки Б. Караман в районе ниже села Советское, в которых концентрация ПАВ превышала значения ПДКрх. Средние значения БПК5 были, как правило, меньше в створах, расположенных ниже сел. Это свидетельствует о том, что вода, загрязненная органическими веществами, не успевает от них освобождаться за время прохождения до следующего

населенного пункта в связи с низкой самоочищающей способностью реки.

Полученные данные позволили рассчитать индексы ИЗВ, УКИЗВ в соответствии с РД 52.24.643-2002. Определенные интегральные показатели были нанесены на картооснову исследуемых объектов. На рисунке 9 представлено изменение индекса загрязненности вдоль русел рек Б. Караман и М. Караман. Значения УКИЗВ варьировали в пределах 1,15-1,85 для вод М. Карамана и в пределах 1,3-1,8 - для Б. Карамана, что характеризует их как загрязненные. Для всех загрязняющих ингредиентов в период исследований было отмечено стабильное превышение значений ПДКрх, что подтверждается наибольшими значениями частных оценочных баллов по повторяемости (8а=4). Наибольшую долю в общую оценку степени загрязненности воды вносили показатели растворенного кислорода и биохимического потребления кислорода.

Было отмечено также, что реки загрязнены очень неоднородно. Ниже с. Степное на реке Б. Караман величина ИЗВ снижалась, что, на взгляд автора, связано с действием волжской воды за счёт эффекта разбавления. На реке М. Караман также выявлен участок с повышенным значением индекса загрязнённости, но он расположен значительно ближе к устью. Данный факт может быть объяснен постройкой малого водохранилища на этом участке реки в связи с малым расходом реки в межень, что сильно ухудшает процессы самоочищения. Ниже по течению также начинается действие Волжского каскада.

На основании гидробиологических исследований провели расчёт интегральных биотических индексов Скотта и Вудивисса. В работе биотический индекс Скотта варьировал в пределах 5-15 для воды как Малого, так и Большого Карамана, что свидетельствует об их плохом экологическом состоянии (рис. 10). Определённые величины биотического индекса Вудивисса имели сходные значения, которые характеризуют исследуемые водные объекты как значительно загрязнённые.

^Врловское

V) \ - ;

р Л

:! восток; Бородаевка

Подстепное Нг •

р. Яр

ш 12

■тЬ Водопьянов

ЙеНИНСКие

Осиновский

'"-«■•Генерал)

менка

__^-г —■*» 8

ур.Буденновка

Мечетнбе

МТФ ^

СОВЕТСКОЕ

Ясен о*

Придорожный

Чнал

Рисунок 9 - Изменение ИЗВ вдоль русел рек Б. Караман и М. Караман

¡Г Ъостои ' Бородаевка

Водопьянов

Осиновский

,-Каменка

г 41 С.Ц-. -1 ы

Ноддсельсно*

ур.Будеиновка

Взлетный

« Л Ясеновф!

Придорожный

СОВЕТСКОЕ

, «>. Мечетнбе

А4ТФ ^ '

Г/УЬ/О

•/»ЮЛ

Это может быть объяснено большими антропогенными нагрузками на реки в пределах исследованных участков. Возможно, такое состояние рек спровоцировано, в том числе, и обнаруженными на берегах рек выходами сточных вод из коммунальных источников. Однако, следует отметить, что гидрохимические показатели исследуемых водных объектов были достаточно хорошими, очевидно, состояние рек в маргинальных зонах улучшается в результате постоянного притока более чистых вод из Волгоградского водохранилища. Однако результаты гидробиологических исследований свидетельствуют об их полном неблагополучии для живых организмов.

Анализ полученных данных свидетельствует о недостаточной реализации водоохранных мероприятий на исследуемых реках и достаточно напряженной экологической обстановке. Установлено, что приоритетными источниками загрязнения являются сточные воды животноводческих ферм и птицефабрик, коммунально-бытовые стоки, СПАВ. Отмечено возрастание загрязнения этих малых рек нефтепродуктами в местах проезда автотранспорта вброд, в районах эксплуатации насосных станций полей орошения. Определенную опасность представляют неконтролируемый выпас скота в прибрежной зоне малых рек, а также строительство лагерей крупного рогатого скота и связанная с этим проблема утилизации отходов, значительная часть которых попадает в реки при выпадении осадков или во время паводков и значительно влияет на их санитарный режим. Полученные данные согласуются с представленными в литературе сведениями о загрязнении малых рек Саратовского Заволжья (Орлов, 2006).

Таким образом, был определен комплекс наиболее информативных показателей, позволяющих адекватно судить об экологическом состоянии водного объекта. Сравнительный анализ этих данных позволяет выявить различия, которые могут быть обусловлены как действием природных факторов, так могут быть и антропогенного происхождения. Проведенные исследования подтверждают остроту проблемы оптимиза-

ции использования водных ресурсов и разработки методов снижения антропогенного воздействия на водные объекты и рационального природопользования.

Проведенные исследования позволили обосновать выбор мест забора проб и проведения измерений для экологического мониторинга устья и нижних течений рек Малый и Большой Караман и разработать модели основных процессов, протекающих в маргинальной водной экосистеме на примере устья и нижних течений рек Малый и Большой Караман.

Выводы

1. На основания гидрологических исследований устья и нижних течений рек Малый Караман и Большой Караман создана модель взаимосвязанных гидрологических процессов и определены границы маргинальных зон; обоснованы точки забора проб и проведения измерений экологического мониторинга.

2. Разработаны структура базы данных и основной алгоритм обработки информации об экологическом состоянии маргинальных зон водных объектов на примере устья и нижних течений рек Малый Караман и Большой Караман с использованием программно-аппаратного комплекса и ГИС технологий.

3. Установлено значительное снижение активности процесса самоочищения на участках рек Малый Караман и Большой Караман, совпадающих с границами маргинальных зон и испытывающих значительное антропогенное воздействие.

4. Выявлена сезонная динамика интенсивности органического загрязнения по показателям перманганатной и бихроматной окисляемости, значениям БПК5 и наличию всех форм азотистых соединений в воде исследуемых водных объектов; установлен весенний сдвиг границ маргинальных участков за счет паводковых вод.

5. Доказана антропогенная природа загрязнений на участках рек Малый и Большой Караман в районах сельских населенных пунктов, где показатели перманганатной окисляемости (4,2-8,5 мг02/дм3) и БПК5 (3,8-14,6 мг02/дм3) превышали значения ПДКрх, особенно на участке ниже с. Советское (перманганатная окисляемость =17,9 мг02/дм3, БПК5=15,6 мг02/дм3). Устойчивость всех загрязняющих ингредиентов подтверждена наибольшими значениями частных оценочных баллов по повторяемости (8а=4).

6. Выявлены неоднородность загрязнения устья и нижних течений рек Малый и Большой Караман и снижение величины ИЗВ в маргинальных зонах за счёт эффекта разбавления водами Волгоградского водохранилища.

7. Установлена неоднозначность интегральных гидробиологических и гидрохимических показателей для оценки качества воды в маргинальных участках водных объектов. Значения биотических индексов Скотта и Вудивисса характеризовали исследуемые водные объекты как значительно загрязнённые, в отличие от более положительных значений ИЗВ и УКИЗВ.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в журналах из списка ВАК:

1. Угланов, H.A. Интегрированный экологический мониторинг акваторий и программно-аппаратные решения [Текст] / А.Л. Подольский, C.B. Бобырев, Е.И. Тихомирова, A.A. Беляченко, Ю.Ю. Лобачев, А.Н. Угланов, С.Э. Михалев // Фундаментальные исследования. 2012. №5. С. 177-179.

2. Угланов, H.A. Гидрометрический аппаратно-программный комплекс как основа проверки адекватности гидрологических моделей малых рек [Текст] / С.Э. Михалёв, C.B. Бобырев, H.A. Угланов, Ю.А. Изюмов, Е.И. Тихомирова // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2012. № 4. С. 277-283.

3. Угланов, H.A. Оценка экологического состояния маргинальных водных объектов на примере устья и нижних течений рек Малый Караман и Большой Кара-ман Саратовской области [Текст] / H.A. Угланов, Т.А.Маркина, Е.И.Тихомирова, C.B. Бобырев // Фундаментальные исследования. 2013. № 6. С. 1168-1173.

Публикации в прочих изданиях:

4. Угланов, H.A. Компьютерное моделирование зависимости конфигурации русла Волгоградского водохранилища от уровня воды [Текст] / H.A. Угланов, C.B. Бобырев // Экология: синтез естественно-научного технического и гуманитарного знания: тез. докл. Всерос. науч.-пракг. конф. Саратов: СГТУ, 2010. С. 372-373.

5. Угланов, H.A. Прогнозирование хозяйственного значения водного объекта по показателям его гидрологического режима [Текст] / H.A. Угланов, C.B. Бобырев, Е.И. Тихомирова, Т.А. Маркина // Участники школы молодых учёных и программы У.М.Н.И.К.: сб. тр. XXIV Междунар. науч. конф. «Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-24». Саратов: СГТУ, 2011. С. 21-21.

6. Угланов, H.A. Разработка IT-методологии прогнозирования хозяйственного значения водного объекта по комплексу показателей [Текст] / H.A. Угланов, C.B. Бобырев, Е.И. Тихомирова, Т.А. Маркина // Актуальные проблемы гигиенической оценки и управления рисками здоровью сельского населения и работников сельского хозяйства: сб. науч. тр. ФБУН Саратовский НИИ сельской гигиены Роспотребнадзо-ра. Саратов, 2011. С.128-129.

7. Угланов, H.A. Компьютерное моделирование в системе мониторинга водного объекта [Текст] / H.A. Угланов, C.B. Бобырев // Экология: синтез естественнонаучного, технического и гуманитарного знания: тез. докл. II Всерос. науч.-практ. форума. Саратов: СГТУ, 2011. С.151-152.

8. Угланов, H.A. Статистические методы оценки биоресурсов [Текст] / H.A. Угланов, C.B. Бобырев, С.Э. Михалёв // Экология: синтез естественно-научного, технического и гуманитарного знания: тез. докл. II Всерос. науч.-практ. форума. Саратов: СГТУ, 2011.С. 137-139.

9. Угланов, H.A. Аппаратно-программное обеспечение системы мониторинга водного объекта [Текст] / H.A. Угланов, C.B. Бобырев // Экология: синтез естественно-научного, технического и гуманитарного знания: тез. докл. II Всерос. науч.-практ. форума. Саратов: СГТУ, 2011. С. 153-154.

Ю.Угланов, H.A. Разработка IT-методологии мониторинга состояния водных экосистем региона [Текст] / H.A. Угланов, C.B. Бобырев, Е.И. Тихомирова, Т.А. Маркина, О.В. Абросимова // Экологические проблемы промышленных городов: сб. науч. тр. 5-й Всерос. науч.-практ. конф.: в 2 ч. Саратов: СГТУ, 2011. Ч. 1. С. 105-107.

11. Угланов, H.A. Актуальность разработки методологии прогнозирования хозяйственного значения водного объекта в зависимости от изменения его конфигурации [Текст] / H.A. Угланов, C.B. Бобырев, Е.И. Тихомирова, Т.А. Маркина // Экологические проблемы промышленных городов: сб. науч. тр. 5-й Всерос. науч.-практ. конф.: в 2 ч. Саратов: СГТУ, 2011. Ч. 1. С. 156 - 158.

12. Угланов, H.A. Разработка инновационной методологии мониторинга водных экосистем на основе современных информационных технологий [Текст] / H.A. Угланов, Е.И. Тихомирова, Т.А. Маркина // Сб. материалов VI Саратовского салона изобретений, инноваций и инвестиций: в 2 ч. Саратов: Саратовский ГАУ, 2011. 4.2. С. 101-102.

13. Uglanov, N.A. Computer modeling of the water body monitoring [Текст] / E.I. Tikhomirova, S.V. Bobyrev, N.A. Uglanov // International and Communication Technologies in Education, Manufacturing and Research. ICIT-2012: Congress Proceedings. Saratov,

2012. P. 77-78.

14. Uglanov, N.A. Mobile solutions for environmental monitoring of water bodies: hardware, software and computer modeling [Текст] / S.V. Bobyrev, E.I. Tikhomirova, A.L. Podolsky, N.A. Uglanov, T.A. Markina, T.V.Anokhina //International Journal of Applied and Fundamental Research. 2012. №1. P.40-41.

15. Угланов, H.A. Использование современных информационных технологий в экологическом мониторинге [Текст] / A.JI. Подольский, C.B. Бобырев, Е.И. Тихомирова, A.A. Беляченко, З.А. Забродина, О.В. Абросимова, H.A. Угланов, С.Э. Михалёв // Международный журнал экспериментального образования. 2012. №4. С. 69-70.

16. Угланов, H.A. Использование современных информационных технологий для совершенствования системы мониторинга водных объектов на примере устья реки Большой Караман [Текст] / Н. А. Угланов, С. В. Бобырев, А. Л. Подольский, Е. И. Тихомирова, А. А. Орлов // Экология: синтез естественно-научного, технического и гуманитарного знания: материалы II Всерос. науч.-практ. форума. Саратов, 2012. Вып. 2. С. 44-51.

17. Угланов, H.A. Обоснование выбора мест съёма показателей при экологическом мониторинге маргинальных зон водных объектов с использованием ГИС технологий [Текст] / Н. А. Угланов, Е. И. Тихомирова, С. В. Бобырев // Экологический сборник 4: Труды молодых учёных Поволжья. Всероссийская научная конференция с международным участием. Тольятти, 2013. С. 182-188.

18. Угланов, H.A. Мобильный программно-аппаратный комплекс для управления активным экспериментом гидрологических исследований малых рек [Текст] /С.Э. Михалёв, С. В. Бобырев, Н. А. Угланов // Экологический сборник 4: Труды молодых учёных Поволжья. Всероссийская научная конференция с международным участием. Тольятти, 2013. С. 114-119.

19. Угланов, H.A. Оценка экологического состояния рек Малого и Большого Ка-раманов на основе комплексных интегральных показателей [Текст] /Т.А. Маркина, H.A. Угланов, C.B. Бобырев, Е.И. Тихомирова // Экологические проблемы промышленных городов: сб. науч. тр.: в 2 ч. / под ред. Е.И. Тихомировой. Саратов: СГТУ,

2013. 4.1. С.233-235.

20. Угланов, H.A. Моделирование влияния реверсного течения в устье рек Малый и Большой Караман в универсальной математической среде Matlab [Текст] /H.A. Угланов, C.B. Бобырев, С.Э. Михалёв// Экологические проблемы промышленных городов: сб. науч. тр.: в 2 ч. / под ред. Е.И. Тихомировой. Саратов: СГТУ, 2013. 4.2. С.229-232.

Используемые сокращения ПДКрх. - предельно допустимая концентрация рыбохозяйственная ИЗВ - индекс загрязнённости воды

УКИЗВ - удельный комбинаторный индекс загрязнённости воды КЗ — коэффициент загрязнённости

ПХЗ -суммарный показатель химического загрязнения воды

МВО — мониторинг водных объектов

СУБД - система управления базами данных

ИВО - исследуемый водный объект

ГИМ - геоинформационная модель

Благодарности. Автор глубоко признателен за помощь в работе своему научному руководителю - заведующей кафедрой экологии факультета экологии и сервиса Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., д.б.н., профессору, Е.И. Тихомировой, научному консультанту — д.т.н., доценту C.B. Бобыреву и всем сотрудникам кафедры.

Угланов Никита Александрович

Подписано в печать 15.08.2013. Формат 60x841/16

Бум.офсет. Усл. печ. л. 1,3 Уч.-изд.л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 15 ООО «Издательский дом «Райт-Экспо» 410031 г. Саратов, ул. Волжская, 28. Отпечатано в ИД «Райт-Экспо» 410031 г. Саратов, ул. Волжская, 28. тел. 90-24-90.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Угланов, Никита Александрович, Саратов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ГАГАРИНА Ю.А.»

На правах рукописи

04201361727

Угланов Никита Александрович

Специальность 03.02.08 - Экология (биология)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель -доктор биологических наук, профессор Тихомирова Е.И. Научный консультант -доктор технических наук, доцент Бобырев C.B.

Саратов 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................5

ГЛАВА 1. МЕТОДОЛОГИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)............................................12

1.1 Понятие экологического мониторинга...........................................................12

1.2 Государственный мониторинг водных объектов..........................................12

1.3 Водные объекты Саратовской области, подлежащие мониторингу...........14

1.3.1 Оценка качества поверхностных вод..........................................................16

1.3.2 Основные проблемы современной системы мониторинга водных объектов...................................................................................................................26

1.4 Моделирование экологических процессов....................................................30

1.4.1 Теория моделирования..................................................................................30

1.4.2 Моделирование в экологии..........................................................................34

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ...............................................................38

2.1 Район и объекты исследования.......................................................................38

2.2 Методы исследования......................................................................................41

2.2.1 Определение органолептических показателей...........................................41

2.2.2 Гидробиологические показатели.................................................................44

2.2.3 Определение гидрохимических показателей..............................................47

2.2.4 Оценка состояния поверхностных вод........................................................59

2.2.5 Методы гидрологических исследований....................................................70

2.2.6 Методы статистической обработки экспериментальных данных............71

ГЛАВА 3. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТЬЯ РЕК МАЛЫЙ И БОЛЬШОЙ КАРАМАН И ВЫБОР МОДЕЛИ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ...............................................................72

г»

3.1 Обоснование выбора мест забора проб и проведения измерений для экологического мониторинга................................................................................72

3.2 Обоснование выбранной модели для интерпретации гидрологических данных......................................................................................................................73

3.3 Гидрологические исследования маргинальных зон модельных водных объектов и моделирование водного режима.......................................................75

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА МАРГИНАЛЬНЫХ УЧАСТКОВ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ..........................................................................................83

4.1 Разработка программно-аппаратного комплекса для системы мониторинга водных объектов.....................................................................................................83

4.2 Разработка геоинформационной модели исследуемого водного объекта для экологического мониторинга маргинальных зон.........................................89

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МОДЕЛЬНЫХ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ - УСТЬЯ И НИЖНЕГО ТЕЧЕНИЯ РЕК МАЛЫЙ КАРАМАН И БОЛЬШОЙ КАРАМАН ПО ДАННЫМ МОНИТОРИНГА ЗА 2010-2012 гг.........................................................................................................94

5.1. Лабораторно-аналитические исследования проб воды...............................95

5.2 Оценка качества вод по интегральным показателям..................................105

5.3 Оценка экологического состояния на основании расчёта биотических индексов.................................................................................................................106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................109

ВЫВОДЫ................................................................:...............................................112

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..............................................114

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................................................................131

Используемые сокращения

ПДК - предельно допустимая концентрация ИЗВ - индекс загрязнённости воды

УКИЗВ - удельный комбинаторный индекс загрязнённости воды КЗ - коэффициент загрязнённости

ПХЗ -суммарный показатель химического загрязнения воды

МВО - мониторинг водных объектов

СУБД - система управления базами данных

ИВО - исследуемый водный объект

ГИМ - геоинформационная модель

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время водоемы различного типа испытывают интенсивную антропогенную нагрузку разного характера. Поэтому остро стоит как проблема оптимизации использования естественных ресурсов, так и проблема разработки методов снижения антропогенного воздействия на окружающую среду. По данным ряда авторов, существует объективное противоречие между тенденцией роста водопотребления при повышении требований к качеству воды и прогрессирующим отрицательным влиянием антропогенных факторов на водные объекты (Цхай, 2001 [124]; Лукьяненко, 2002 [57]; Орлов и др., 2012 [73]).

Водные ресурсы Саратовской области подвергаются значительному влиянию со стороны человека (Доклад о состоянии и об охране окружающей среды Саратовской области в 2011 году [36]), что связано, прежде всего, с функционированием на Волге одного из крупнейших водохранилищ мира -Волгоградского, протяженность которого составляет 670 км, площадь достигла 3309 км , а объем превысил 32,1 км . Вопросы изменений гидрологического режима притоков водохранилищ практически не рассматривались (Лукьяненко и др., 1994 [56]; Шитиков и др., 2003 [128]; Елисеев и др., 2003 [38]). Большинство малых рек региона имеют небольшой расход и малую водообеспеченность, низкую скорость течения и малую глубину, что определяет неблагоприятные условия для разбавления и смешения загрязнений, снижая тем самым самоочищающую способность водотоков. Высокий уровень зарегулированности превращает их в цепь слабопроточных водохранилищ, а высокие летние температуры способствуют эвтрофикации

водоемов. Традиционное расположение сельских населенных пунктов в береговой зоне, широкое использование рек для орошения и рекреации усугубляет экологическую ситуацию на малых реках (Никаноров, 2005 [70]).

Постоянный контроль состояния водных ресурсов чрезвычайно важен для выработки эффективных мер по их использованию и принятию связанных с ними управленческих решений. В настоящее время использование геоинформационных технологий и программно-аппаратных комплексов позволяет более быстро и точно производить анализ показателей окружающей среды и соответственно делать более точные прогнозы и расчеты экологических рисков (Бобырев и др., 2010 [16]; Тихомирова и др., 2011 [115]; Подольский и др., 2012 [79]). Такой подход позволяет проводить анализ большого объема исходной информации, на основании которой вырабатывать научно обоснованные и эффективные решения в области рационального природопользования.

Задачи исследования:

С использованием программно-аппаратного комплекса, обеспечивающего сбор, обработку и отправку первичной информации о состоянии маргинальных зон водного объекта на сервер, проведён экологический мониторинг устья и нижних течений рек Малый и Большой Караман в полевые сезоны 2010-2012 гг.

водных объектов на фоне различных внешних воздействий, в том числе и антропогенного характера.

Апробация работы,. Материалы диссертации были представлены и обсуждены на научных конференциях: Всероссийской научно-практической конференции «Социальные проблемы медицины и экологии» (Саратов, 2009); XXIV-XXVI Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2011-2013); Всероссийских научно-практических форумах «Экология: синтез естественно-научного, технического и гуманитарного знания» (Саратов, 2010- 2012); Всероссийских научно-практических конференциях с международным участием «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2011-2013); Фестивалях науки (Саратов, 2011, 2012); региональной научно-практической конференции «Информационно-технологические проблемы в экологии» (Маркс, 2011); VI и VII Саратовских салонах изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2011, 2012); Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения окружающей среды» (Тенерифе, 2012); Международном конгрессе «International and Communication Technologies in Education, Manufacturing and Research» (Саратов, 2012); Международной научной конференции «Компьютерное моделирование в науке и технике» (Андорра, 2012); Международной научной конференции «Проблемы экологического мониторинга» (Рим-Флоренция, 2012); Всероссийской научной конференции с международным участием «Актуальные проблемы экологии Волжского бассейна» (Тольятти, 2013); научных конференциях студентов и аспирантов

Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. (Саратов, 2009-2013), конкурсах «У.М.Н.И.К.» 2011-2013 в рамках ММТТ-24-26; Международном научно-практическом форуме «Великие реки 2013».

Работа выполнена в рамках ОНН СГТУ «Оценка действия экологических (антропогенных) факторов на состояние окружающей среды и здоровье населения» (2009-2010); гранта АВЦП «Разработка инновационной методологии мониторинга и прогнозирования состояния водных экосистем региона на основе современных информационных технологий» (СГТУ-331, 2011) и гранта ФЦП «Разработка инновационной 1Т-методологии мониторинга и прогнозирования состояния экосистем в условиях повышенной антропогенной нагрузки» (СГТУ-7, 2012-2013).

Личный вклад автора

страницах текста, включают 31 рисунок и 17 таблиц. Список использованных литературных источников включает 168 наименований, в том числе 39 зарубежных.

Основные положения, выносимые на защиту

ГЛАВА 1. М

Информация о работе

Угланов, Никита Александрович
кандидата биологических наук
Саратов, 2013
ВАК 03.02.08

Диссертация

Анализ экологического состояния маргинальных водных объектов с использованием геоинформационных технологий - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы