Геоэкологическая оценка трофического статуса пресноводных озер Китая

Хуан Жань-Жань

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Геоэкологическая оценка трофического статуса пресноводных озер Китая
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Геоэкологическая оценка трофического статуса пресноводных озер Китая"

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ХУАН ЖАНЬ-ЖАНЬ

На правах рукописи

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТРОФИЧЕСКОГО СТАТУСА ПРЕСНОВОДНЫХ ОЗЕР КИТАЯ

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург 2013

2014

005544433

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный гидрометеорологический университет» (РГГМУ) на кафедре экологии.

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Фрумин Григорий Тевелевич

Официальные оппоненты: доктор географических наук

Субетто Дмитрий Александрович Директор института водных проблем Севера Карельского научного центра РАН

доктор биологических наук Скворцов Владимир Валентинович профессор кафедры зоологии Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена

Ведущая организация: Институт озероведения РАН

Защита состоится «//» февраля 2014 года в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.197.03 в Российском государственном гидрометеорологическом университете по адресу: 195196, Санкт-Петербург, пр. Металлистов, д.З, аудитория 102.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета.

Автореферат диссертации разослан «11» декабря 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета —

доктор географических наук Попова Е.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационного исследования. Каждый год в Китае пересыхают 20 озер. За последние 50 лет страна потеряла более 1000 природных водоемов. Это почти 10000 км2. Основная причина - активное развитие промышленности. В Китае уже сейчас наблюдается чрезмерное потребление пресной воды. Происходит осушение озер для создания новых сельскохозяйственных территорий. На берегах водоемов вырубаются леса. А это ведет к обмелению озер. Промышленные сточные воды, поступающие в озера, содержат химические соединения текстильной, фармацевтической, металлургической, пищевой и целлюлозно-бумажной отраслей народного хозяйства. Наряду с ними в озера поступают соединения азота и фосфора, содержащиеся в коммунально-бытовых и сельскохозяйственных стоках. В результате в озерах накапливается значительное количество загрязняющих и биогенных веществ. Уже сегодня 80% озер в долинах реки Янцзы «цветут». В их водах активно размножаются водоросли. При отмирании они поглощают много кислорода из водной массы. Из-за его нехватки гибнут моллюски, рыбы и другие обитатели озер. В результате озера превращается в болота. Таким образом, основные экологические проблемы озер Китая - это токсикофикация и эвтрофирование.

Развитие процесса антропогенного эвтрофирования приводит ко многим неблагоприятным последствиям с точки зрения водопользования и водопотребления (развитие «цветения» и ухудшения качества воды, появление анаэробных зон, нарушение структуры биоценозов и исчезновение многих видов гидробионтов, в том числе ценных промысловых рыб). Кроме того, в период цветения сине-зеленые водоросли производят сильнейшие токсины (алкалоиды, низкомолекулярные пептиды и др.), которые сами не используют, но они, попадая в водную толщу, представляют опасность для живых организмов и человека. Эти токсины могут вызывать цирроз печени, дерматиты у людей, отравление и гибель животных.

Актуальность диссертационного исследования обусловлена необходимостью существенного снижения антропогенной биогенной нагрузки на пресноводные озера Китая.

Цель диссертационного исследования заключалась в геоэкологической оценке трофического статуса пресноводных озер Китая и разработке принципов их деэвтрофирования.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Собрать, обобщить и проанализировать данные литературы о современном трофическом статусе пресноводных озер Китая;

2. Выявить зависимость между средними и максимальными глубинами озер Китая;

3. Обосновать предельно допустимые нагрузки фосфором валовым на основе модели Фолленвайдера;

4. Разработать вероятностный подход к оценке трофического статуса пресноводных озер.

Объект исследования - пресноводные озера Китая. Предмет исследования - показатели содержания биогенных элементов в пресноводных озерах Китая.

Материалы и методы исследования. В диссертационном исследовании были использованы данные российской и зарубежной литературы (монографии, статьи), база данных ILEC (Международный лимнологический комитет), а также первичные данные, приведенные в базе данных С.В. Рянжина. Для математико-статистической обработки данных были использован табличный процессор Microsoft Excel.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Методика вероятностной оценки трофического статуса пресноводных озер Китая.

2. Геоэкологическое обоснование предельных уровней экспорта фосфора общего с водосборов пресноводных озер Китая.

3. Результаты комплексной оценки современного состояния озера Тайху.

Научная новизна работы:

1. Разработаны аналитические зависимости для расчетов вероятностей трофического статуса пресноводных водоемов, позволяющие повысить точность оценки трофического статуса.

2. Впервые обоснованы критические фосфорные нагрузки и предельно допустимые модули стока с водосборов пресноводных озер Китая.

3. Доказано, что лимитантом первичной продукции в озере Тайху является фосфор. В среднем за период с 1985 г. по 2012 г. фактическая нагрузка фосфором общим на озеро Тайху была в 21,3 раза выше максимально допустимой нагрузки.

4. Выявлен тренд увеличения загрязненности озера Тайху легкоокисляющимися органическими соединениями за период с 1990 г. по 2012 г. В наибольшей степени загрязнение озера Тайху легкоокисляющимися органическими соединениями характерно для зимнего периода с декабря по февраль.

Практическая значимость. Результаты работы позволили выработать рекомендации по корректному обоснованию допустимой биогенной нагрузки на пресноводные озера Китая.

Достоверность научных положений и выводов обусловлена критическим анализом большого количества литературных источников и применением современных методов математико-статистической обработки данных.

Личный вклад автора заключается в постановке проблемы, методическом обеспечении ее решения и анализе полученных результатов.

Диссертация соответствует Паспорту научной специальности - 25.00.36 - «Геоэкология» (науки о Земле)» по п. 1.10. «Разработка научных основ рационального использования и охраны водных, воздушных, земельных,

рекреационных, минеральных и энергетических ресурсов Земли, санация и рекультивация земель, ресурсосбережение», п. 1.12. «Геоэкологический мониторинг и обеспечение экологической безопасности, средства контроля», п. 1.14. «Моделирование геоэкологических процессов».

Апробация работы. Результаты исследования докладывались и обсуждались: на Международной научно-практической конференции. LXIV Герценовские чтения (Санкт-Петербург, 2011 г.), девятой всероссийской научно-технической конференции (25 февраля 2011 г. Вологда), IV Международной научной конференции (12-17 сентября 2011 г., Минск -Нарочь), Международной конференции, посвященной 165-летию создания Русского Географического (Санкт-Петербург, 2012), V Международной конференции-симпозиуме «Экологическая химия» (Кишинев, 2012 г.), Международной научно-практической конференции LXV Герценовские чтения, посвященной 215-летию Герценовского университета и 80-летию факультета географии (Санкт-Петербург, 19-21 апреля 2012 г.), VI Международной научной конференции «Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон» (Санкт-Петербург, 2-4 июля 2012 г.), INTERNATIONAL CONGRESS ON ENVIRONMENTAL HEALTH 2012 (29th May - 1st June 2012, Lisbon, Portugal), V Всероссийском симпозиуме с международным участием (10-14 сентября 2012 г. Петрозаводск, Республика Карелия), Международной научно-практической конференции «ГЕОРИСК-2012» (Москва, 2012), Международной молодежной конференции «Науки о Земле и цивилизация» (Санкт-Петербург, 2012), Международной конференции, посвященной 90-летию почетного профессора СПбГУ, доктора географических наук, профессора А.Г. Исаченко (Санкт-Петербург, 2012).

Публикации. Материалы изложены в 23 публикациях, в том числе в журналах «Ученые записки РГТМУ», «Общество. Среда. Развитие» и «Российский журнал общей химии» рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста, включает 54 таблицы, 68 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 108 публикаций, в том числе 35 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены цель и задачи исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая значимость проведенного исследования.

В первой главе «Материалы и методы исследования» рассмотрены современные методы математико-статистической обработки первичных данных мониторинга и, в частности, функциональные возможности табличного процессора Excel для проведения статистического анализа данных на персональном компьютере.

Во второй главе «Трофический статус пресноводных озер Китая»,

была проведена оценка распределения озер Китая по категориям трофического состояния. В качестве показателя (индикатора) трофического состояния была использована глубина видимости диска Секки (50). Результаты анализа данных для 164 озер Китая показали, что 69,5% озер характеризуются как гипертрофные, 18,9% - как эвтрофные, 4,9% - как мезотрофные, 4,9% - как олиготрофные и 1,8% - как ультраолиготрофные.

Наряду с этим, для оценки трофического статуса озер был использован индекс Карлсона, представляющий собой среднее арифметическое (ТБГ) трех индексов, учитывающих содержание хлорофилла «а» - Т81(С7г/), глубину видимости диска Секки - Т81(80) и содержание фосфора общего - ТБДТР). Среди рассмотренных 31 озера 4 характеризуются как мезотрофные (12,9%), 17 - как эвтрофные (54,8%) и 10 - как гипертрофные (32,3%).

Для десяти пресноводных озер Китая была выявлена статистически значимая зависимость между запасами рыбы (ЗР) и содержанием фосфора общего (ТР). Эта зависимость описывается следующим соотношением:

ЗР = 461,8 + 1,49-ТР (1)

п= 10; г = 0,85; 1^=0,73; стУ(х) = 453; Б,, = 21,2; Рт= 5,12; РДТ = 4,1 Здесь п - количество наблюдений, г - коэффициент корреляции (теснота связи между переменными), г2 - коэффициент детерминации (объяснимая доля разброса), сту(х) - стандартная ошибка, - расчетное значение критерия Фишера, - табличное значение критерия Фишера для уровня значимости 95%.

В третьей главе «Разработка метода вероятностной оценки трофического статуса пресноводных озер» приведены критерии, использующиеся для оценки трофности водных экосистем. Отмечено, что существующие классификации трофического статуса водных объектов ориентированы на разные показатели и их комплексы. На примере некоторых пресноводных озер Китая показано, что трофический статус озер существенно варьирует в зависимости от выбранного лимнологического показателя. Так, например, озеро Роуап§ характеризуется как олиготрофное при использовании в качестве показателя (индикатора) содержания хлорофилла «а», как эвтрофное - при использовании в качестве индикатора содержания фосфора общего (ТР) и как гипертрофное - при использовании в качестве индикатора прозрачности по диску Секки (ББ). Озеро ТаШи также характеризуется как мезотрофное, эвтрофное или гипертрофное в зависимости от выбранного индикатора трофности (содержания хлорофилла «а», фосфора общего (ТР) или прозрачности по диску Секки (8Б) соответственно). В этой связи высказано предположение, что определенные перспективы могут быть связаны с разработкой вероятностной оценки трофического статуса водных объектов.

Для оценки трофического статуса озер был усовершенствован вероятностный подход, ранее разработанный ОЭРК (Организация экономического развития и кооперации), и базирующийся на данных о содержании фосфора общего, средней концентрации хлорофилла «а» и

средней глубине видимости диска Секки. Для оценки уровня трофности были использованы пять градаций: цуо - вероятность ультраолиготрофного состояния, - вероятность олиготрофного состояния, Цм - вероятность мезотрофного состояния, цэ — вероятность эвтрофного состояния и р.гт — вероятность гипертрофного состояния. Кривые вероятностной классификации трофического статуса озер, разработанные ОЭРК (рисунки 1 -3), были аппроксимированы аналитическими зависимостями (таблицы 1-3). Это обусловлено тем, что использование кривых вероятностного распределения не очень удобно, поскольку не позволяет давать точные оценки трофических состояний.

Во всех случаях должно выполняться следующее:

Цуо + Но + Цм + Цэ + Игг = 1 или 100% (2)

Рисунок 1 - Вероятностная классификация для установления трофического статуса по содержанию фосфора общего

Рисунок 2 - Вероятностная классификация для установления трофического статуса по содержанию хлорофилла «а»

Рисунок 3 - Вероятностная классификация для установления трофического статуса по глубине видимости диска Секки

Таблица 1 - Формулы для расчетов вероятностей трофического статуса водоемов по средним за год концентрациям фосфора общего (мг/м3)

Трофический статус Формула

Ультраолиготрофный ц(ТР)™ = 1 - ехр{-ехрГ-0,357-(ТР) + 1,25]}

Олиготрофный ц(ТР)0 = 0.66-ехр{-[-0,947-1п(ТР/8)]2}

Мезотрофный ц(ТР)м = 0.66-ехр{-[-0,995-1п(ТР/26)]2}

Эвтрофный ^(ТР)Э = 0.66-ехр{-[-0,964-1п(ТР/89)]2}

Гипертрофный ц(ТР)п = ехр{-ехр[-0,0123-(ТР) +1,65]}

Таблица 2 - Формулы для расчетов вероятностей трофического статуса водоемов по средним за год концентрациям хлорофилла «я» (мг/м3)

Трофический статус Формула

Ультраолиготрофный ц(СЫ«а»)У0= 1 - ехр{-ехр[-2,281-(СЫ«а»)0'9 + 1,6547]}

Олиготрофный ц(СЫ«а»)„ = 0,62-ехр{-[-0,8757-1п(Ш«а»/1,5)]2}

Мезотрофный ц(Ш«я»)м = 0.62-ехр {-[-1,003 7-1п(С/?/«а»/4,8)]2}

Эвтрофный ц(СЫ«а»)э = 0.62 -ехр {- [-0,9495 • 1п С/г/«а»/15 )]2}

Гипертрофный ц(С/г/«а»)ГГ = ехр {-ехр [-0,645 5 ■ (СЬ1«а»)0,5 +2,958]}

Для иллюстрации усовершенствованного нами метода были рассчитаны вероятности трофического статуса некоторых озер, расположенных на территориях разных государств и в различных географических зонах (таблица 4).

Таблица 3 - Формулы для расчетов вероятностей трофического статуса водоемов по средним за год величинам прозрачности воды по диску Секки

(вБИм)

Трофический статус Формула

Ультраолиготрофный ц(8О)У0 = ехр{-ехрГ(-0,7028-800,6 + 3,275)}

Олиготрофный ц(8Б)п = 0,55 -ехр {-Г-1,2818-1п(80/11 У|2}

Мезотрофный ц(80)м = 0,55ехр{-Г-1,2683-1п(8Б/5)12}

Эвтрофный д^Б), = 0,55 -ехр{ -Г(-1,2878-1п(80/2,3)"|2}

Гипертрофный ц(8В)„ = 1 - ехр{-ехрГ-1,5837-(80)0'9+2,1441}

Таблица 4 - Вероятности трофического статуса пресноводных озер по содержанию фосфора общего, %

Озеро Государство ТР, мг/м3 Цуо Но Им Нэ Нгг

Ладожское Россия 11 5 60 32 2 1

Онежское Россия 12 3 57 37 2 1

Псковское Россия 85 0 0 17 67 16

Ильмень Россия 90 0 0 14 67 19

Нарочь Белоруссия 16 0 43 52 4 1

Акан Япония 32 0 12 63 24 1

Ельмарен Швеция 43 0 5 51 40 4

Поянху Китай 97 0 0 12 66 22

Дунтинху Китай 119 0 0 7 62 31

Тайху Китай 52 0 3 41 50 6

Хунцзэху Китай 140 0 0 5 55 40

Чаоху Китай 105 0 0 10 65 25

Как следует из таблицы 4, озеро Поянху характеризуется как гипертрофно-эвтрофное, озеро Дунтинху - как гипертрофно-эвтрофное, озеро Тайху - как мезотрофно-эвтрофное, озеро Хунцзэху - как гипертрофно-эвтрофное, а озеро Чаоху - как гипертрофно-эвтрофное.

На основе проведенных исследований была разработана методика проведения расчетов вероятностной оценки трофического статуса пресноводных экосистем. Методика предназначена для научных и научно-исследовательских организаций, осуществляющих обработку результатов мониторинга водных объектов. Методика распространяется на наблюдения за трофическим статусом водных объектов.

Разработанная методика включает следующие разделы: термины и определения, общие положения, основные расчетные зависимости и примеры расчетов вероятностей трофических статусов водных объектов.

В четвертой главе «Обоснование допустимой биогенной нагрузки на пресноводные озера Китая» проанализированы математические модели, выявлено соотношение между средней и максимальной глубинами озер,

обоснован лимитант первичной продукции и рассчитаны критические фосфорные нагрузки и критические модули стока фосфора валового с водосборных бассейнов.

Биогенное загрязнение в результате хозяйственной деятельности на водосборах водотоков, а также в их русле (строительство каскадов ГЭС и создание водохранилищ, рекреационные мероприятия, судоходство и т. д.) вызывает антропогенное эвтрофирование. Наиболее быстро этот процесс развивается в водоемах, водосборы которых интенсивно осваиваются сельскохозяйственным производством, в том числе полеводством (пропашные культуры, сенокосы, пастбища) и животноводством (фермы и различные комплексы). Эти источники биогенной нагрузки являются неконтролируемыми или слабоконтролируемыми, поэтому им должно быть уделено особое внимание. К такому же типу биогенной нагрузки относятся водные рекреации.

Концепция повышения трофического статуса озера с увеличением биогенной (фосфорной) нагрузки широко используется в современный период для оценки критических значений нагрузки, соответствующих переходу озера из одного трофического состояния в другое. Это известная модель Р. Фолленвайдера, который при использовании данных наблюдений установил связь между ежегодным поступлением биогенных веществ и средней глубиной озера при его соответствующем трофическом состоянии.

Фолленвайдером предложено первое приближение величины фосфорной нагрузки (Ькр, гР/м2-год), позволяющей водоему оставаться в олиготрофном состоянии, в расчете которой в качестве стандартного параметра используется только средняя глубина водоема (НСр, м):

Ькр = 0,025-Нср°'6 (3)

Результаты расчетов по модели Фолленвайдера следует рассматривать как ориентировочные, поскольку они не учитывают время водообмена озера, независимости биогенной нагрузки от поступления биогенных элементов из донных отложений и седиментационного фактора, учитывающего удержание биогенов в водоеме.

В модели Фолленвайдера основной характеристикой озер является средняя глубина (НСр). Однако значение этой характеристики для ряда озер Китая неизвестны. Для ликвидации этого недостатка базы данных была выявлена статистически значимая зависимость между средними (НСр) и максимальными (Нмдк) глубинами для 300 пресноводных озер (см. также рисунок 4):

Нср = 0,53-Нмдк (4)

п= 300 ; г = 0,85 ; 1^=0,73; стУ(Х) = 453; Бр = 21,2 ; Бт = 5,12 ; Рр/Рт = 4,1 Приведенные статистические характеристики свидетельствуют о весьма высокой тесноте связи между рассмотренными переменными в соответствии со шкалой Чеддока.

Для обоснования лимитирующего биогенного элемента было использовано соотношение Имин^мин (отношение содержания азота минерального к содержанию фосфора минерального). Если Кмин^Рмин

больше 17, то первичная продукция фитопланктона в озере лимитируется фосфором. Расчеты показали, что для некоторых пресноводных озер Китая, включая озеро Тайху (рисунок 4), НМ[Ш:Рмин > 17. То есть для этих озер лимитантом первичной продукции является фосфор.

500 450 400 i 350 1 300 ± 250 I 200 z 150 100 50 -Н 0

ч«

ЙЩ

? к5 »9 к®

^ ^ ^ ^

ЧГ Ч? Ч? ЯГ V V

год

Рисунок 4 - Соотношение минеральных форм азота и фосфора в озере Тайху (линия, параллельная оси абсцисс, соответствует Ммщ^Рмин = 17)

По модели Фолленвайдера (3) были рассчитаны критические фосфорные нагрузки, позволяющие водоему оставаться в олиготрофном состоянии (таблица 5).

Таблица 5 - Максимально допустимые фосфорные нагрузки на пресноводные озера Китая

Озеро Водосбор, Hcp, м Площадь, LP, Q(TP)MaK,

S, км2 F, км2 гР/м2-год тонн/год

1 2 3 4 5 6

Akesaiqing 8150 7,75 165,8 0,085 14,1

Amuqigepaozi 1700,2 1,1* 34,8 0,026 0,90

Anguli Nur 3495 2,5 47,6 0,043 2,0

Aqqikkol 11500 9,8 351,2 0,098 34,4

Arakekumu 19280 9,7 570 0,098 55,9

Baiyang Dian 31200 2,84 366 0,047 17,2

Bositeng 27000 8,08 992,2 0,088 87,3

Buyr-Nuur 8232 6,7 610 0,078 47,6

Chagannuoer 6327 2,4 88 0,042 3,7

Chang 2265 1,9 157,1 0,037 5,8

продолжение таблицы 5

1 2 3 4 5 6

СИап^тисио 2419,5 3,3 87,5 0,051 4,5

СЬао 9258 4,4 820 0,061 50,0

Со№|> 3199,6 7,7* 182,4 0,085 15,5

Сиое 6338 9,8* 269 0,098 26,4

Сиош 3000,5 31,1* 67,5 0,197 13,3

Оазгесио 10885,3 31,7 244,7 0,199 48,7

ОаЫ №г 9927 6,8 238 0,079 18,8

□¡апсЫ 2866 5,1 298 0,066 19,7

Dongping 9064 1,59 148 0,033 4,9

Бопййпй 257000 6,39 2435 0,076 185

ОиНвЫ 1435 14,4 75,3 0,124 9,3

ЕЫ-Лиг 346000 14 1444 0,122 176

ЕгИа1 2785 10,17 249 0,101 25,1

ГШои 1238 2,9 114,7 0,047 5,4

ваоуои 14800 1,44 775 0,031 24,0

Оа51ки1е1 24790 0,65 123,8 0,019 2,4

Напаз1 1900 120,1 44,78 0,442 19,8

Наг 4107 27,4 601,7 0,182 109,5

НОПЙ 10352 1,89 344,4 0,037 12,7

Ноп§ге 156000 1,77 1580 0,035 55,3

Ни1ип 37214 5,92 2339 0,073 170,7

Нигкй 12360 2,94 56,7 0,048 2,7

Лао8ап8 400 0,44 40 0,015 0,6

ЛпдЬо 11820 17,2 91,5 0,138 12,6

КЬапка 22000 6,28 4380 0,075 328,5

Куапп§ Со 9681 8* 476 0,087 41,4

Ьаос1еп8рао 1737 1,5 14 0,032 0,4

Ыагщн 3265 4,16 304,3 0,059 18,0

ЫапЬиапрао 7247 2Д4 556,08 0,039 21,7

Ьопцдап 5511 3,78 316,2 0,056 17,7

Ьор №г 600000 1,66 2220 0,034 75,5

Ьиота 51215 3,3 260 0,051 13,3

\lata 1165 2,08 58,9 0,039 2,3

Кати Со 8648,5 30 1962 0,192 376,7

ИапБ! 31700 1,46 1260 0,031 39,1

Иапу1 3369 2,25 148,4 0,041 6,1

^апяге Со 7132 5,3* 461,5 0,068 31,4

Ы^ОППЙ 18188 17,6 610,7 0,140 85,5

ЫшЬап 4215 1,71 104,6 0,034 3,6

Рапцоп8 Тво 28110 16,6 604 0,135 81,5

Роуап§ 162000 5,3 3280 0,068 223

продолжение таблицы 5

1 2 3 4 5 6

29661 17,9 4458 0,141 628,6

БИепат 1554 1,26 78,48 0,029 2,3

БЬепуапх! 3420 1,82 19,6 0,036 0,7

БЫри 18600 2,3 210,4 0,041 8,6

Та1 36500 2,12 2425 0,039 94,6

Та1Ьа1 960 3,2 25,1 0,050 1,3

ТаШо 665 5 20,7 0,066 1,4

Шигщиг 2203 8 730 0,087 63,5

5310 3,7 42,3 0,055 2,3

\Vuchang 1084 3,43 100,5 0,052 5,2

\Vuliangsuhai 11800 1Д2 293 0,027 7,9

Хфп\\'и1ап 5752 2,5* 346,2 0,043 14,9

Уатс1гок 6100 30 638 0,192 122,5

Уап§ 8125 38 90 0,222 20,0

Примечание. *Рассчитано по формуле (4).

Данные расчетов показывают, что величины предельных фосфорных нагрузок на пресноводные озера Китая варьируют в широком интервале от 0,015 гР/м2-год (озеро Jiaogang) до 0,442 гР/м2-год (озеро Напав!), то есть почти в 30 раз в зависимости от глубины озера.

Наиболее удобной формой представления результатов расчетов стока растворенных веществ рек выступает не валовой вынос химических веществ, а величина выноса с единицы площади. Модуль стока является универсальной характеристикой, которая, независимо от порядка и водности реки, выступает в качестве меры интенсивности антропогенного воздействия в водосборе. Одним из важнейших факторов, стимулирующих развитие процесса эвтрофирования водоема, является фосфорная нагрузка с его водосборного бассейна, которая имеет две составляющие - природную и антропогенную. Природная составляющая зависит от первичной продукции наземных экосистем, которая, в свою очередь, контролируется факторами внешней среды — температурой, количеством осадков и испарением.

Распашка крутых склонов, сведение лесов и чрезмерный выпас скота в Китае привели к почти полному уничтожению природной растительности, что не позволяет учесть природную составляющую биогенного стока.

При общей площади водосбора Б значение модуля стока фосфора валового с рассматриваемого водосбора рассчитывалось по формуле:

М(ТР) = (Зр/Б (5)

Расчет предельно допустимых модулей стока фосфора общего с водосборов водоемов проводится на основе алгоритма, приведенного на рисунке 5.

Рисунок 5. Алгоритм расчета предельно допустимых модулей стока фосфора общего с водосборов водоемов

В пятой главе «Комплексный геоэкологический анализ состояния озера Тайху» рассмотрены физико-географические характеристики озера, водный баланс, температурный режим, активная реакции воды (рН), содержание растворенного кислорода, лекгоокисляемых органических веществ и биогенных элементов (кремния, соединений азота и фосфора), хлорофилла «а», приведены рекомендации по деэвтрофированию экосистемы озера.

Размеры озера Тайху (таблица 6) сильно меняются в зависимости от водности периода: полноводно летом, мелеет к зиме. Не замерзает, пресное, богато рыбой, используется для орошения рисовых полей, судоходно.

Таблица 6 - Характеристики озера Тайху

Характеристика Характеристика

Координаты ЗГЮ'с.ш. 120°09'в.д. Ширина 56 км

Объем 5,14 км3 Длина 68 км

Площадь 2425 км2 Средняя глубина 2,12 м

Водосбор 36500 км2 Максимальная глубина 3,3 м

Водообмен 0,89 год Соленость 0,0857 г/л

Начиная с 1980-х, экосистема Тайху начала переходить из состояния, в котором доминировали диатомовые водоросли - благоприятный вид фитопланктона - в состояние, где безраздельно господствуют цианобактерии.

Внутригодовая динамика температуры воды озера Тайху варьирует в широких пределах. Максимальное значение температуры воды характерно для июля (31,83°С), а минимальное - для января (4,15°С).

Анализ величин рН воды озера Тайху за период с 1985 г. по 2012 г. свидетельствует о тенденции увеличения этого показателя с 1985 г. по 2003 г. и последующем его снижении.

Выборочный анализ данных мониторинга озера Тайху показал, что за весь период наблюдений с 1985 г. по 2012 г. процент насыщения воды кислородом был, как правило, не менее 75%.

Степень загрязненности озера Тайху легкоокисляемыми органическими соединениями варьировала от «чистого» в 1990 г. до «грязного» в 2006 г. и 2009 г. В остальные годы озеро Тайху характеризуется как «умеренно загрязненное». В наибольшей степени загрязнение озера Тайху легкоокисляемыми органическими соединениями характерно для зимнего периода с декабря по февраль.

Основными источниками поступления биогенных элементов в озеро Тайху являются коммунально-бытовые сточные воды, неточечные (диффузные) источники, сточные воды промышленных предприятий и некоторые другие (таблица 7).

Таблица 7 - Основные источники поступления общего фосфора и общего азота в озеро Тайху, %

Источник Фосфор общий (ТР) Азот общий (ТЫ)

Коммунально-бытовое хозяйство 60 25

Диффузные источники 28 55

Промышленность 10 16

Другие 2 4

Как следует из таблицы 7, наибольшее количество фосфора общего (60%) поступает в озеро Тайху с коммунально-бытовыми сточными водами. Это обусловлено большим количеством населения, проживающего на водосборе озера. Так, например, в 1993 г. на водосборе озера Тайху проживало 35650000 человек, в 2000 г. - 39280000 человек, а 2010 г. -41920000 человек. Наибольшее количество азота общего (55%) поступает в озеро Тайху от диффузных источников, то есть с сельскохозяйственных полей. Это обусловлено использованием азотсодержащих удобрений и азотсодержащих пестицидов.

Анализ результатов мониторинга озера Тайху показал, что за весь период наблюдений с 1985 г. по 2012 г. содержание кремния в озере было значительно меньше ПДК, то есть меньше 10 мг/дм3. Минимальное содержание кремния в озере Тайху обнаружено, как правило, в марте, апреле и мае, то есть в период интенсивного роста диатомовых водорослей.

За весь период наблюдений с 1985 г. по 2012 г. не зафиксированы концентрации азота нитратов, превысившие ПДК. С 1985 г. по 2011 г. содержание азота аммонийного не превышало ПДК. В 2012 г. содержание азота аммонийного было выше ПДК и составило 0,78 мг/дм3, что почти в два раза выше ПДК. За весь период наблюдений с 1985 г. по 2012 г. было зафиксировано существенное превышение концентраций азота нитритов над их ПДК (ПДК = 0,02 мг/дм3). Особенно высокие концентрации азота нитритов были зафиксированы в 2012 г. В феврале 2012 г. концентрация азота нитритов в озере Тайху превышала ПДК в 399 раз, в марте - в 333 раза, в апреле - в 301 раз. Наименьшее, но также достаточно высокое превышение ПДК зафиксировано в декабре (в 149 раз). Содержание азота общего в озере Тайху в 1985 г. составляло 0,653 мг/дм3, а в 2012 г. - 3,324 мг/дм3, то есть возросло в пять раз.

За весь период мониторинга озера Тайху содержание минерального фосфора (фосфатов) было существенно ниже ПДК. За период мониторинга с 1985 г. по 2012 г. максимальная средняя за год концентрация фосфора общего в озере Тайху определена в 2007 г. (150 мкг/дм3), а минимальная - в 1985 г. (26 мкг/дм3).

За весь период наблюдений фосфорная нагрузка на озеро Тайху существенно превышала максимальную нагрузку. В среднем за период с 1985 г. по 2012 г. фактическая нагрузка фосфором общим на озеро была в 21,3 раза выше максимально допустимой нагрузки (рисунок 6).

Зафиксировано наличие тренда повышения содержания хлорофилла «а» в озере Тайху за период с 1985 г. по 2012 г. Максимальные значения концентраций хлорофилла «а» были зафиксированы в 1990 г. (34,1 мкг/дм3), 2000 г. (35,6 мкг/дм3) и 2006 г. (37,7 мкг/дм3) (рисунок 7).

За период с 1985 г. по 2012 г. максимальные значения содержания хлорофилла «а» были обнаружены 12 раз в августе, 9 раз - в июле, 5 раз - в сентябре, 3 раза - в октябре и один раз - в июне. За период с 1985 г. по 2012 г. 16 раз озеро Тайху характеризуется как гипертрофно-эвтрофное (57,1%) и 12 раз (42,9%) - как эвтрофно-гипертрофное. Таким образом, озеро Тайху

чрезвычайно эвтрофировано, что требует принятия незамедлительных управленческих решений, направленных на деэвтрофирование озера.

ГОД

Рисунок 6 - Межгодовая динамика нагрузки фосфором общим на озеро Тайху (линия, параллельная оси абсцисс, - предельно допустимая нагрузка)

За период с 1985 г. по 2012 г. нагрузка фосфором общим на озеро Тайху в среднем составила ЬР = 829 мгР/м2тод при максимально допустимой нагрузке ЬРМЛК = 39 мгР/м2-год. Таким образом, для деэвтрофирования озера Тайху до статуса олиготрофного озера необходимо существенно снизить фосфорную нагрузку с 829 мгР/м2-год до 39 мгР/м2-год.

ю<ог^сос»0'»-смс,0'^-ю<оь-соа>от-счсО'^-юа>г~-соо10т-см

сососососоа>о>о>о>сло>сла>сяа>оооооооооот-^т-0)0)0)0)0)0)0)010)010)0)0)0)0)0000000000000

год

Рисунок 7 - Межгодовая динамика содержания хлорофилла «а» в озере Тайху

К настоящему времени разработаны различные методы деэфтрофирования озер, которые могут быть сведены к двум основным вариантам: мероприятия на водосборе и мероприятия в водоеме. Основная цель комплекса мероприятий на водосборе - контроль и ограничение поступления минеральных биогенных и органических веществ из точечных и рассеянных (диффузных) антропогенных источников. Проблема ликвидации или ограничения точечных источников решается в основном экономико-административными и технологическими мерами — жестким контролем за сбросом неочищенных сточных вод, внедрением передовых технологий очистки сточных вод от фосфора. Значительно сложнее контролировать и регулировать рассеянные источники, связанные, главным образом, с развитием сельского хозяйства на водосборе водоема. По современным оценкам из отраслей сельского хозяйства наибольший вклад в загрязнение поверхностных и подземных вод азотом и фосфором вносит животноводство. В современных животноводческих хозяйствах не утилизируется и в конечном итоге попадает в водные объекты 15-30% фосфора, содержащегося в экскрементах, а в экстремальных условиях эта величина может превышать и 50%. Для регулирования мероприятий на водосборе могут быть использованы следующие природоохранные мероприятия: •Замена пахотных земель пастбищами и сенокосами. •Уменьшение норм внесения минеральных удобрений. •Лесопосадки в прибрежной зоне.

•Вынос за пределы водосбора сельскохозяйственных ферм.

Для регулирования мероприятий в водоеме могут быть использованы следующие природоохранные мероприятия:

* Удаление верхнего слоя донных отложений.

* Дестратификация водоема.

* Механическое удаление высшей водной растительности.

* Направленное воздействие на структуру трофических цепей.

Значительное увеличение массива сине-зеленых водорослей в озере Тайху с апреля 2007 г. вызвало массовый падеж рыбы и ухудшение качества питьевой воды. Для выправления ситуации местные правительства приняли ряд мер, в том числе закрытие прибрежных промышленных предприятий и увеличение поголовья рыбы в озере. С 2009 г. прибрежные города Сучжоу, Уси, Чанчжоу и Хучжоу совместно инициировали проведение «Праздника выпуска рыбы». Более 20 миллионов мальков рыбы разных пород были выпущены в озеро Тайху для борьбы с сине-зелеными водорослями, поставившими водоем на грань выживания.

По нашему мнению, для существенного снижения антропогенной биогенной нагрузки на мелководное пресноводное озеро Тайху необходимо: проводить полную очистку коммунально-бытовых и промышленных сточных вод, используя современные технологии; снизить нормы внесения минеральных фосфорсодержащих удобрений; создать лесопосадки в прибрежной зоне; вынести за пределы водосбора сельскохозяйственные

фермы; удалить верхний слой донных отложений и регулярно проводить скашивание макрофитов.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы:

1. Пресноводные озера Китая испытывают существенную антропогенную биогенную нагрузку, обусловленную поступлением в них коммунально-бытовых, сельскохозяйственных и промышленных сточных вод. Главная проблема пресноводных озер Китая - эвтрофирование. По глубине видимости диска Секки 69,5% озер характеризуются как гипертрофные, 18,9% - как эвтрофные, 4,9% - как мезотрофные, 4,9% - как олиготрофные и 1,8% - как ультраолиготрофные (объем выборки 164 озера). По величинам индекса Карлсона 12,9% озер характеризуются как мезотрофные, 54,8% - как эвтрофные и 32,3% - как гипертрофные (объем выборки 31 озеро).

2. Существующие классификации трофического статуса водных объектов ориентированы на разные фиксированные показатели и их комплексы. Наиболее надежный метод определения трофического статуса водоемов состоит в отказе от использования фиксированных категорий. Разработанный по заказу ОЭРК (Организация экономического развития и кооперации) графический метод вероятностной оценки трофического статуса водных объектов не позволяет давать точные оценки трофического статуса, так как кривые распределения содержания фосфора общего, концентраций хлорофилла «а» и глубины видимости диска Секки варьируют в весьма широких пределах (от 1 мг/м3 до 1000 мг/м3 для фосфора общего, от <1,0 мг/м3 до >100 мг/м3 для хлорофилла «а» и от 0 м до >50 м для глубины видимости диска Секки). Разработанная методика аналитической вероятностной оценки трофического статуса водных объектов позволяет повысить точность проводимых расчетов.

3. По шкале Чеддока теснота связи между средними и максимальными глубинами пресноводных озер Китая характеризуется как «высокая» (коэффициент корреляции г = 0,85 при объеме выборки 300 озер).

4. Величины максимально допустимых фосфорных нагрузок на пресноводные озера Китая, позволяющих им оставаться в олиготрофном статусе, варьируют в широком интервале от 0,015 гР/м2-год (озеро Jiaogang) до 0,442 гР/м2-год (озеро Напав!), то есть почти в 30 раз в зависимости от глубины озера (объем выборки 145 озер). Предельно допустимые модули стока фосфора общего в пресноводные озера Китая варьирует от 0,1 кгР/км2 (озеро Оа51ки1е0 до 43,6 кгР/км2 (озеро Ыати Со) (объем выборки 65 озер).

5. В среднем за период с 1985 г. по 2012 г. максимальное значение температуры воды озера Тайху характерно для июля (31,83°С), а минимальное - для января (4,15°С).

6. За весь период наблюдений с 1985 г. по 2012 г. процент насыщения воды кислородом был, как правило, не менее 75%. Степень загрязненности озера Тайху легкоокисляемыми органическими соединениями (по БПК5) варьировала от «чистого» в 1990 г. до «грязного» в 2006 г. и 2009 г. В

остальные годы озеро Тайху характеризуется как «умеренно загрязненное». За период с 1990 г. по 2012 г. зафиксирован тренд увеличения загрязненности озера Тайху легкоокисляемыми органическими соединениями. В наибольшей степени загрязнение озера Тайху легкоокисляющимися органическими соединениями характерно для зимнего периода с декабря по февраль.

7. Основными источниками поступления биогенных элементов в озеро Тайху являются коммунально-бытовые сточные воды, неточечные (диффузные) источники и сточные воды промышленных предприятий. Наибольшее количество фосфора общего (60%) поступает в озеро Тайху с коммунально-бытовыми сточными водами. Это обусловлено большим количеством населения, проживающего на водосборе озера (в 2010 г. -41920000 человек). Наибольшее количество азота общего (55%) поступает в озеро Тайху от диффузных источников, то есть с сельскохозяйственных полей, что обусловлено использованием азотсодержащих удобрений и азотсодержащих пестицидов.

8. За весь период наблюдений с 1985 г. по 2012 г. содержание кремния в озере было значительно меньше ПДК, то есть меньше 10 мг/дм3. За весь период наблюдений с 1985 г. по 2012 г. не зафиксированы концентрации азота нитратов, превысившие ПДК. С 1985 г. по 2011 г. содержание азота аммонийного не превышало ПДК. В 2012 г. содержание азота аммонийного было выше ПДК и составило 0,78 мг/дм3, что почти в два раза выше ПДК. С 1985 г. по 2012 г. было зафиксировано существенное превышение концентраций азота нитритов над их ПДК (ПДК = 0,02 мг/дм3) Особенно высокие концетрации азота нитритов были зафиксированы в 2012 г. В феврале 2012 г. концентрация азота нитритов в озере Тайху превышала ПДК в 399 раз, в марте - в 333 раза, в апреле - в 301 раз. Наименьшее, но также достаточно высокое превышение ПДК зафиксировано в декабре (в 149 раз). Содержание азота общего в озере Тайху в 1985 г. составляло 0,653 мг/дм3, а в 2012 г. - 3,324 мг/дм3, то есть возросло в пять раз. За период с 1985 г. по 2012 г. линия тренда имеет тенденцию к возрастанию.

9. В озере Тайху лимитирующим биогенным элементом является фосфор. За весь период мониторинга озера Тайху содержание минерального фосфора (фосфатов) было существенно ниже ПДК. За период мониторинга с 1985 г. по 2012 г. максимальная средняя за год концентрация фосфора общего в озере Тайху определена в 2007 г. (150 мкг/дм3), а минимальная - в 1985 г. (26 мкг/дм3). За весь период наблюдений фосфорная нагрузка на озеро Тайху существенно превышала максимальную нагрузку. В среднем за период с 1985 г. по 2012 г. фактическая нагрузка фосфором общим на озеро была в 21,3 раза выше максимально допустимой нагрузки.

10. За период с 1985 г. по 2012 г. зафиксирован тренд повышения содержания хлорофилла «а» в озере Тайху. При этом максимальные значения концентраций хлорофилла «а» были зафиксированы в 1990 г. (34,1 мкг/дм3), 2000 г. (35,6 мкг/дм3) и 2006 г. (37,7 мкг/дм3). Для внутригодового распределения хлорофилла «а» в озере Тайху характерно наличие экстремального (максимального) значения в определенный сезон года. За

период с 1985 г. по 2012 г. максимальные значения содержания хлорофилла «а» были обнаружены 12 раз в августе, 9 раз - в июле, 5 раз - в сентябре, 3 раза - в октябре и один раз - в июне. За период с 1985 г. по 2012 г. 16 раз озеро Тайху характеризуется как гипертрофно-эвтрофное (57,1%) и 12 раз (42,9%) - как эвтрофно-гипертрофное. Таким образом, озеро Тайху чрезвычайно эвтрофировано, что требует принятия незамедлительных управленческих решений, направленных на деэвтрофирование озера.

11. Для деэвтрофирования озера Тайху до статуса олиготрофного озера необходимо существенно снизить фосфорную нагрузку с 829 мгР/м2-год до 39 мгР/м2тод. Для существенного снижения антропогенной биогенной нагрузки на мелководное пресноводное озеро Тайху необходимо: проводить полную очистку коммунально-бытовых и промышленных сточных вод от фосфора, используя современные технологии; снизить нормы внесения минеральных фосфорсодержащих удобрений; создать лесопосадки в прибрежной зоне; вынести за пределы водосбора сельскохозяйственные фермы; удалить верхний слой донных отложений и регулярно проводить скашивание макрофитов.

Публикации по теме диссертации

1. Хуан Жань-Жань, Дроздов В.В., Фрумин Г.Т. Трофическое состояние экосистемы озера Тайху // Материалы Международного семинара «Геология, геоэкология, эволюционная география». СПб.: РГПУ им. А.И.Герцена, 2010. -С. 138-141.

2. Фрумин Г. Т., Хуан Жань-Жань. Оценка трофического состояния некоторых озер Китая. Вузовская наука - региону. Материалы девятой всероссийской научно-технической конференции 25 февраля 2011 г. I том. Вологда: Вологодский государственный технический университет, С. 327-329.

3. Фрумин Г.Т., Хуан Жань-Жань. Вероятностная оценка трофического состояния озер Китая // Озерные экосистемы: биологические процессы, антропогенная трансформация, качество воды: тез. докл. IV Международной науч. конф., 12-17 сентября 2011 г., Минск - Нарочь / Белорусский государственный университет. Минск: Изд. центр БГУ, 2011. - С. 189-190.

4. Хуан Жань-Жань, Фрумин Г. Т. Критическая фосфорная нагрузка на озеро Тайху // Материалы международной конференции, посвященной 165-летию создания Русского Географического Общества и 85-летию организации географического факультета в СПбГУ «География в системе наук о Земле: современные проблемы науки и образования». СПб.: ВВМ, 2011. - С. 257262.

5. Хуан Жань-Жань, Фрумин Г.Т. Трофическое состояние пресноводных озер Китая // Ученые записки РГГМУ №19. СПб.: РГГМУ, 2011. - С. 14-20. (Издание из списка ВАК).

6. Хуан Жань-Жань, Фрумин Г. Т. Трофическое состояние пресноводных озёр Китая // Материалы международной конференции «Биоиндикация в мониторинге пресноводных экосистем». СПб.: ИНОЗ РАН, 2011.-С. 181.

7. Хуан Жанъ-Жанъ, Фрумин Г. Т. Трофическое состояние пяти наибольших озер Китая. География: проблемы науки и образования. LXIV Герценовские чтения. Материалы ежегодной Международной научно-практической конференции. СПб.: РГПУ им. А.И.Герцена, 2011. - С. 248-250.

8. Фрумин Г.Т., Хуан Жанъ-Жанъ. Динамика трофического состояния озера Тайху // Ученые записки РГГМУ, №21,2011 г. - С.32-37. (Издание из списка ВАК).

9. Фрумин Г.Т., Хуан Жанъ-Жанъ. Трофическое состояние пресноводных озер Китая // Экологическая химия. Том 20, выпуск 1, 2011г. - С. 11-16.

10. Frumin G.T., Khuan Zhan-Zhan. Probability Estimation of the Trophic Status of freshwater Lakes in China. Abstract Book of the V International Conference -Symposium Ecological Chemistry 2012, pp. 39-40.

11. Фрумин Г.Т., Хуан Жанъ-Жанъ. Динамика содержания биогенных элементов в озере Тайху // Экологическая химия. Том 21, выпуск 2, 2012. - С. 74-80.

12. Фрумин Г.Т., Хуан Жанъ-Жанъ. Вероятностная оценка трофического статуса водных объектов. Материалы Международной научно-практической конференции «ГЕОРИСК-2012». Том II. М.: РУДЫ, 2012. - С. 280-284.

13. Фрумин Г.Т., Хуан Жанъ-Жанъ. Динамика содержания биогенных элементов и легкоокисляемых органических веществ в озере Тайху. Органическое вещество и биогенные элементы во внутренних водоемах и морских водах. Материалы V Всероссийского симпозиума с международным участием. 10-14 сентября 2012 г. Петрозаводск, Республика Карелия, Россия. - Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2012. - С. 104-106.

14. Фрумин Г.Т., Хуан Жанъ-Жанъ. Трофический статус пресноводных озер Китая. Материалы VI международной научной конференции «Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон». 2-4 июля 2012 г. СПб.: РГГМУ, 2012. - С.54-55.

15. Frumin G.T., Khuan Zhan-Zhan. Trophic Status of Lakes in China. Материалы Международной молодежной конференции «Науки о Земле и цивилизация». Том. 1. Науки о Земле. СПб.: РГПУ им. А.И. Герцена, 2012. -С. 153-158.

16. Фрумин Г.Т., Хуан Жанъ-Жанъ. Термодинамическая оценка состояния водных объектов. // Общество. Среда. Развитие. Научно-теоретический журнал. - 2012. -№ 1(26)13. - С.232-235. (Издание из списка ВАК).

17. Фрумин ГЛ., Хуан Жанъ-Жанъ. Межгодовая концентрация хлорофилла «а» в озере Тайху. Материалы международной конференции, посвященной 90-летию почетного профессора СПбГУ, доктора географических наук, профессора А.Г. Исаченко. СПб: ВВМ, 2012. - С. 214 -219.

18. Фрумин Г.Т., Хуан Жанъ-Жанъ. Вероятностная оценка трофического статуса водных объектов. Методическое пособие. СПб.: РГГМУ, 2012. - 28 с.

19. Хуан Жань-Жань, Фрумин Г. Т. Динамика содержания фосфора общего в озере Тайху. География: проблемы науки и образования. Материалы ежегодной Международной научно-практической конференции LXV Герценовские чтения, посвященной 215-летию Герценовского университета и 80-летию факультета географии. СПб., 19-21 апреля 2012 г. СПб.: Астерион, 2012.-С. 176-178.

20. Frumin G.T., Khuan Zhan-Zhan. Trophic Status of Fresh-Water Lakes in Chaina // Russian Journal of General Chemistry. 2011. Vol. 81. No. 13. pp. 26532657.

21. Frumin G.T., Khuan Zhan-Zhan. Trophic Status of Lakes in China. PROCEEDINGS BOOK of INTERNATIONAL CONGRESS ON ENVIRONMENTAL HEALTH 2012. 29th May - 1st June 2012, Lisbon, Portugal, Lisbon College of Health Technology. Polytechnical Institute of Lisbon. PP. 62 -63.

22. Frumin Grigory and Zhan-zhan Khuan Zhan-zhan. Probability Estimation of the Trophic Status of Lakes // Journal of Environmental Science and Engineering A 1 (2012) 1083 - 1087.

23. Frumin G.T., Khuan Zhan-Zhan. Trophic Status of Fresh-Water Lakes in China. Materials of the VI International conference «Ecological and Hydrometeorological Problems of the Large Cities and Industrial Areas»/ 2-4 July 2012/Saint-Petersburg: RSHU, 2012, pp. 55-56.

Подписано в печать «22» ноября 2013 г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 120 экз. Заказ № 666

Типография «Восстания - 1» 191036, Санкт-Петербург, Восстания, 1.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Хуан Жань-Жань, Санкт-Петербург

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

04201456008 На правах рукописи

ХУАН ЖАНЬЖАНЬ

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТРОФИЧЕСКОГО СТАТУСА ПРЕСНОВОДНЫХ ОЗЕР КИТАЯ

Специальность 25.00.36 - Геоэкология (науки о Земле)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель: доктор химических наук,

профессор Фрумин Г.Т.

Санкт-Петербург 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ..................................3

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................4

ГЛАВА 1. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ......................9

ГЛАВА 2. ТРОФИЧЕСКИЙ СТАТУС ПРЕСНОВОДНЫХ ОЗЕР КИТАЯ.... 14

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ВЕРОЯТНОСТНОЙ

ОЦЕНКИ ТРОФИЧЕСКОГО СТАТУСА ПРЕСНОВОДНЫХ ОЗЕР..........22

3.1. Критерии оценки трофического статуса водных объектов..................25

3.2. Вероятностная оценка трофического статуса водных объектов............35

3.3.1. Методика вероятностной оценки трофического статуса...................43

3.3.2. Термины и определения...........................................................43

3.3.3. Общие положения................................................................ 44

3.3.4. Основные расчетные зависимости..............................................45

3.3.5. Примеры расчетов вероятностей трофических статусов водных

объектов.....................................................................................57

Глава 4. ОБОСНОВАНИЕ ДОПУСТИМОЙ БИОГЕННОЙ НАГРУЗКИ НА ПРЕСНОВОДНЫЕ ОЗЕРА КИТАЯ...................................................52

4.1. Математическая модель.............................................................60

4.2. Соотношение между средней и максимальной глубинами озер............63

4.3. Обоснование лимитирующего биогенного элемента.........................64

4.4. Критические фосфорные нагрузки на пресноводные озера Китая.........67

4.5. Модули стока фосфора валового с водосборных бассейнов.................72

Глава 5. КОМПЛЕКСНЫЙ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ОЗЕРА ТАЙХУ.............................................................................78

5.1. Физико-географические характеристики озера Тайху........................78

5.2. Водный баланс........................................................................83

5.3. Температурный режим...............................................................86

5.4. Активная реакция воды (pH).......................................................90

5.5. Содержание растворенного кислорода...........................................92

5.6. Биохимическое потребление кислорода.................................... 99

5.7. Содержание биогенных элементов.............................................104

5.7. 1. Содержание кремния......................................................... 105

5.7.2. Содержание соединений азота................................................111

5.7.3. Содержание соединений фосфора........................................... 117

5.8. Содержание хлорофилла......................................................... 122

5.9. Мероприятия по деэвтрофированию экосистемы озера Тайху...... 133

ВЫВОДЫ.............................................................................. 141

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................... 143

ПЕРЕЧЕНЬ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

г - коэффициент корреляции

г - коэффициент детерминации (объяснимая доля разброса)

аУ(х) - стандартная ошибка

БР - расчетное значение критерия Фишера

Ер - табличное значение критерия Фишера для ос = 5%

ТР - фосфор общий

ТЫ - азот общий

Р - площадь акватории, км2

Б - площадь водосбора, км2

Ссг - средняя за год концентрация биогенного элемента в водотоке, мкг-дм"3 О - поступление биогенного элемента в водоем-приемник, тонн

/у -I

Ь - нагрузка фосфором валовым, гР-м" -год"

БО - прозрачность по диску Секки, м

СМ «а» - хлорофилл «а»

ТБГ - индекс Карлсона

т - время полного водообмена

р - коэффициент условного водообмена

V - объем водоема

ОЕСД - Организация экономического сотрудничества и развития

ВВЕДЕНИЕ

Поверхностные воды - это высокоорганизованные надорганизменные экосистемы, состоящие из живых (биоценозов) и неживых (биотопов) компонентов, функционирующих как единое целое. Состав и структура водных биоценозов зависят от климатических, географических, гидрологических, физико-химических и других особенностей биотопа и являются функцией качества воды. С другой стороны - нормальное функционирование биоценозов определяет природный состав и свойства воды. При нарушении экологического равновесия экосистемы изменяется и качество воды а, следовательно, и условия водопользования. В то же время, водные объекты испытывают огромный антропогенный пресс в связи с их многофункциональным использованием: питьевое, хозяйственно-бытовое и промышленное водоснабжение; прием сточных и дренажных вод; водные транспортные артерии и лесосплав; использование в лечебных целях и рекреация; рыбное и охотничье хозяйство; гидроэнергетика, гидротехническое строительство и добыча полезных ископаемых и многое другое, что нарушает их нормальное функционирование [Неверова-Дзиопик и др., 2012].

Рациональное использование водных ресурсов и, в частности, озер -общемировая проблема, которая будет обостряться в условиях возможного изменения глобального климата. Естественные, или природные озера содержат значительный запас доступной воды, который меняется как в течение года (годовые или сезонные колебания), так и от года к году (долгопериодные или межгодовые колебания) [Рянжин, 2005].

По оценкам М.Мейбека (Университет Сорбонна), на Земле примерно 8,45 млн природных озер с площадями > 0,01 км [МеуЬеск, 1995].

Только 2% всех вод, имеющихся на Земле, являются пресными, включая айсберги и ледники, и труднодоступные для людей запасы воды, находящиеся под землей. Если всю воду на Земле представить как содержание четырехлитровой бутылки, то легкодоступной для

человеческих нужд количество воды составляло бы в этой бутылке только одну столовую ложку (15 мл), или менее 0,5% от общего количества воды.

Основными угрозами, возникающими в пределах озерных бассейнов являются: чрезмерное изъятие воды, чрезмерное поступление биогенных элементов (в первую очередь фосфора и азота), загрязнение воды токсичными веществами, неприемлемые методы рыболовства и аквакультуры, накопление твердых отходов, инвазивные виды (виды-вселенцы) животных и растений.

В Китае много озер, общая площадь которых составляет 80 ООО кв. км. Имеются также тысячи искусственных озер - водохранилищ. Озера в Китае можно разделить на внешние и внутренние. К внешним относятся пресноводные озера, такие, как Поянху, Дунтинху и Тайху. К внутренним относятся соленые озера, самое большое из которых - озеро Цинхай. Основные озера Китая: Цинхай, Синкай, Поянху, Дунтинху, Тайху, Хулуньху, Хунцзэху, Намцо, Селлинг.

Каждый год в Китае пересыхают 20 озер. За последние 50 лет страна

/Л

потеряла более 1000 природных водоемов. Это почти 10000 км . Основная причина - активное развитие промышленности. В Китае уже сейчас наблюдается чрезмерное потребление пресной воды. Происходит осушение озер для создания новых сельскохозяйственных территорий. На берегах водоемов вырубаются леса. А это, как известно, ведет к обмелению озер.

Промышленные сточные воды, поступающие в озера, содержат химические соединения текстильной, фармацевтической, металлургической, пищевой и целлюлозно-бумажной отраслей народного хозяйства. Наряду с ними в озера поступают соединения азота и фосфора, содержащиеся в коммунально-бытовых и сельскохозяйственных стоках. В результате в озерах накапливается значительное количество загрязняющих и биогенных веществ. Уже сегодня 80% озер в долинах реки Янцзы «цветут». В их водах активно размножаются водоросли. При отмирании они поглощают много кислорода из водной массы. Из-за его нехватки гибнут моллюски, рыбы и другие

обитатели озер. В результате озера превращается в болота. Таким образом, основные экологические проблемы озер Китая - это токсикофикация и эвтрофикация (эвтрофирование).

Эвтрофирование представляет собой естественный процесс эволюции водоема. С момента «рождения» водоем в естественных условиях проходит несколько стадий в своем развитии: на ранних стадиях - от ультраолиготрофного до олиготрофного, далее становится мезотрофным и в конце концов водоем превращается в эвтрофный и гиперэвтрофный -происходит «старение» и гибель водоема с образованием болота. Однако под воздействием хозяйственной деятельности этот естественный процесс приобретает специфические черты, становится антропогенным. Резко возрастают скорость и интенсивность повышения продуктивности экосистем. Так, если в естественных условиях эвтрофирование какого-либо озера протекает за время 1000 лет и более, то в результате антропогенного воздействия это может произойти в сто и даже тысячу раз быстрее. Такие крупные водоемы как Балтийское море, озера Эри, Тахо и Ладожское перешли из одного трофического состояния в другое всего за 20-25 лет [Ладожское озеро..., 2000; Ладожское озеро..., 2002; Современное состояние..., 1987]. Данный процесс охватил многие крупнейшие пресноводные озера Европы, США (Великие Американские озера), Канады и

Японии [Россолимо, 1977; Дмитриев, Фрумин, 2004; Моисеенко, Гашкина, 2010]. Поскольку эвтрофикация водоемов стало серьезной глобальной экологической проблемой, по линии ЮНЕСКО начаты работы по мониторингу внутренних вод, контролю за эвтрофикацией водоемов земного шара.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

- собрать, обобщить и проанализировать данные литературы о современном трофическом статусе пресноводных озер Китая;

- выявить зависимость между средними и максимальными глубинами озер Китая;

- обосновать предельно допустимые нагрузки фосфором валовым на основе модели Фолленвайдера;

- разработать вероятностный подход к оценке трофического статуса пресноводных озер.

Объект исследования - пресноводные озера Китая. Предмет исследования - показатели содержания биогенных элементов в пресноводных озерах Китая. Научная новизна работы:

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Методика вероятностной оценки трофического статуса пресноводных озер Китая.

3. Результаты комплексной оценки современного состояния озера Тайху.

Апробация работы. Результаты исследования докладывались и обсуждались: на Международной научно-практической конференции. ЬХ1У Герценовские чтения (Санкт-Петербург, 2011 г.), девятой всероссийской научно-технической конференции (25 февраля 2011 г. Вологда), IV Международной научной конференции (12-17 сентября 2011 г., Минск -Нарочь), Международной конференции, посвященной 165-летию создания

Русского Географического (Санкт-Петербург, 2012), V Международной конференции-симпозиуме «Экологическая химия» (Кишинев, 2012 г.), Международной научно-практической конференции LXV Герценовские чтения, посвященной 215-летию Герценовского университета и 80-летию факультета географии (Санкт-Петербург, 19-21 апреля 2012 г.), VI Международной научной конференции «Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон» (Санкт-Петербург, 2-4 июля 2012 г.), INTERNATIONAL CONGRESS ON ENVIRONMENTAL HEALTH 2012 (29th May - 1st June 2012, Lisbon, Portugal), V Всероссийском симпозиуме с международным участием (10-14 сентября 2012 г. Петрозаводск, Республика Карелия), Международной научно-практической конференции «ГЕОРИСК-2012» (Москва, 2012), Международной молодежной конференции «Науки о Земле и цивилизация» (Санкт-Петербург, 2012), Международной конференции, посвященной 90-летию почетного профессора СПбГУ, доктора географических наук, профессора А.Г. Исаченко (Санкт-Петербург, 2012).

Материалы изложены в 23 публикациях, в том числе в журналах «Ученые записки РГГМУ», «Общество. Среда. Развитие» и «Российский журнал общей химии» рекомендованных ВАК.

ГЛАВА 1. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

При работе над диссертацией были использованы данные российской и зарубежной литературы (Российские и зарубежные монографии и журнальные статьи), данные ILEC (Международный лимнологический

комитет), а также первичные данные, приведенные в базе данных С.В. Рянжина.

Ссылки на вышеприведенные литературные источники указаны в соответствующих разделах диссертационной работы.

Для математико-статистической обработки данных были использован табличный процессор Microsoft Excel [Макарова, Трофимец, 2002].

При получении регрессионных уравнений возникает несколько вопросов, требующих разрешения [Ландау, 1981]: Как выбрать из полученных уравнений наилучшее?

Как упростить задачу получения наилучшего уравнения? Ведь при большом числе параметров метод перебора всех комбинаций (метод всех возможных регрессий) практически неосуществим. Пригодно ли полученное уравнение для прогнозирования?

Прежде чем приступить к нахождению уравнений, необходимо получить матрицу взаимных корреляций выбранных параметров и исключить из совместного рассмотрения параметры, обладающие высоким коэффициентом взаимной корреляции (например, больше 0,7). Далее, для получения статистически достоверных результатов надо иметь не менее пяти экспериментальных точек на каждый используемый в уравнении параметр [Craig, 1972; Topliss, Costello, 1972]. Это условие при малом числе экспериментального материала часто вынуждает ограничивать число вводимых в уравнение параметров не по физическим критериям, а из чисто статистических соображений.

В Microsoft Excel модели строили на основе диаграмм одного из следующих типов: линейная, степенная, логарифмическая, экспоненциальная, полиноминальная. По характеру размещения уровней анализируемого ряда были сделаны предположения о возможном аналитическом выравнивании изучаемого ряда типовой математической функцией. Для нахождения наиболее значимого уравнения тренда

использовали инструмент «Подбор линии тренда» из мастера диаграмм Microsoft Excel.

Статистическая значимость регрессионных коэффициентов оценивалась с помощью сравнения полученных i-критериев Стьюдента с табличными значениями для разных уровней значимости при (N-k-1) степенях свободы, где N - число наблюдений (число значений, данные для которых использовались при получении уравнений); к - число входящих в уравнение параметров. Статистическая значимость полученного уравнения оценивалась аналогичным образом с помощью вычисленного F-критерия Фишера при рассмотрении k/(N-k-l) степеней свободы. Соответствующие таблицы t- и F-критериев заимствованы из книг [Закс, 1976; Шелутко, 2007]. В работах [Дрейпер, Смит, 1986; Дружинин, Сикан, 2001] отмечено, что статистически значимое уравнение может

Информация о работе

Хуан Жань-Жань
кандидата географических наук
Санкт-Петербург, 2013
ВАК 25.00.36

Диссертация

Геоэкологическая оценка трофического статуса пресноводных озер Китая - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему Геоэкологическая оценка трофического статуса пресноводных озер Китая ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Геоэкологическая оценка трофического статуса пресноводных озер Китая"

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Хуан Жань-Жань, Санкт-Петербург

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Геоэкологическая оценка трофического статуса пресноводных озер Китая
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология