Комплексная оценка состояния и устойчивости к эвтрофикации экосистем малых водотоков урбанизированных территорий

Савельев, Олег Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Комплексная оценка состояния и устойчивости к эвтрофикации экосистем малых водотоков урбанизированных территорий
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Комплексная оценка состояния и устойчивости к эвтрофикации экосистем малых водотоков урбанизированных территорий"

На правах рукописи

005049424

Савельев Олег Владимирович

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ И УСТОЙЧИВОСТИ К ЭВТРОФИКАЦИИ ЭКОСИСТЕМ МАЛЫХ водотоков УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

7 ФЕВ т

Владимир 2013

005049424

Работа выполнена на кафедре экологии факультета химии и экологии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ).

Научный руководитель

Кандидат химических наук, доцент

Официальные оппоненты:

Доктор химических наук, профессор, ФГБОУВПО «Владимирский

государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых», профессор кафедры химии

Кандидат биологических наук, Российская академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте (Владимирский филиал), доцент кафедры

информационных технологий

Чеснокова Светлана Михайловна

Амелин Василий Григорьевич

Авдонина Александра Михайловна

Ведущая организация: Российский государственный аграрный университет -МСХА имени К.А.Тимирязева

Защита состоится 22 февраля в I Н часов на заседании диссертационного совета Д 212.025.07 во Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, кор. 1, ауд. 335.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВлГУ.

Автореферат разослан 2 / 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук, доцент

О. Н. Сахно

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Водные объекты урбанизированных территорий имеют важное социально-экономическое значение, играют огромную роль в создании комфортных условий проживания населения и улучшении микроклимата городской среды. Однако в связи с непрерывным ростом городского населения они постоянно испытывают значительные техногенные нагрузки. В настоящее время малые водотоки урбанизированных территорий являются основными приемниками загрязняющих веществ, поступающих со сточными водами промышленных и сельскохозяйственных предприятий и коммунального хозяйства, а также с ливневыми и паводковыми стоками с городских территорий, промплощадок и сельхозугодий. Приоритетными компонентами этих стоков являются биогенные элементы, нефтепродукты, пестициды, синтетические поверхностно-активные вещества, органические соединения природного и антропогенного происхождения, тяжелые металлы.

Низкая устойчивость малых водных объектов к постоянным высоким антропогенным нагрузкам приводит к снижению способности гидробиоценозов к самовосстановлению. Вследствие этого, многие из них имеют высокий уровень химического и микробиологического загрязнения и не пригодны даже для хозяйственно-бытового и рекреационного использования.

Исходя из этого, комплексная оценка состояния и устойчивости к эвтрофикации экосистем малых водотоков урбанизированных территорий является необходимой и актуальной.

Цель работы - комплексная оценка экологического состояния экосистемы малой реки и ее устойчивости к эвтрофированию по гидрохимическим и гидробиологическим показателям на примере реки Каменка.

Основные задачи исследования:

1. Изучить пространственно-временную динамику загрязнения и трофности водотока по гидрохимическим показателям с использованием химических и физико-химических методов анализа.

2. Изучить динамику загрязнения (класс качества), трофности и сапробности экосистемы водотока с использованием различных методов биоиндикации.

3. Изучить уровень загрязнения донных отложений водотока соединениями фосфора и органическими веществами.

4. Оценить устойчивость водотока к эвтрофированию по подвижности фосфат-ионов в системе «вода - донные отложения».

5. Разработать шкалу устойчивости экосистем малых водотоков к эвтрофированию.' '

6. Изучить влияние анионных синтетических поверхностно-активных веществ (АСПАВ) - приоритетных компонентов моющих и чистящих средств на подвижность фосфат-ионов в системе «вода - донные отложения».

Научная новизна работы. В системе регионального экологического мониторинга поверхностных вод контроль за состоянием реки проводился лишь до 2006 года по одному створу - устье (д. Новоселка). Впервые проведено комплексное исследование экологического состояния и дана оценка устойчивости к эвтрофированию реки Каменка.

Впервые проведена оценка уровня трофности экосистемы водотока по гидрохимическим и гидробиологическим показателям. Установлено, что гидробиологические показатели являются более чувствительными параметрами, по сравнению с гидрохимическими показателями, при оценке уровня эвтрофикации водотока. Выявлено, что трофность экосистемы водотока за все исследуемые годы возрастает от истока к устью, что свидетельствует об увеличении поступления соединений биогенных элементов в водоток.

На основе анализа пространственно-временной динамики загрязнения экосистемы водотока соединениями фосфора предложена методика оценки устойчивости к эвтрофированию малых водотоков по подвижности фосфат-ионов в системе «вода - донные отложения» и их классификация по величине показателя устойчивости к фосфат-ионам.

Данные по пространственно-временной динамики степени загрязнения, качества, трофности и сапробности вод экосистемы р. Каменка свидетельствуют об относительной устойчивости к существующему уровню антропогенной нагрузки и слабой самоочищающей способности.

Защищаемые положения.

1. Комплексная оценка состояния и устойчивости к эвтрофикации экосистем малых водотоков урбанизированных территорий включает изучение пространственно-временной динамики основных гидрохимических и гидробиологических показателей, а также корреляционных зависимостей между основными гидрохимическими и гидробиологическими параметрами.

2. Уровень эвтрофикации малых водотоков урбанизированных территорий зависит, главным образом, от концентрации фосфат-ионов, поступающих с коммунальными и ливневыми стоками и определяется процессами равновесия между донными отложениями и жидкой фазой.

3. Устойчивость к эвтрофикации экосистем зависит от подвижности фосфат-ионов в системе «вода - донные отложения».

Практическая значимость работы. Результаты оценки

пространственно-временной динамики гидрохимических и гидробиологических показателей и устойчивости экосистем малых водотоков урбанизированных территорий к эвтрофикации могут быть использованы при проведении экологических экспертиз территорий водосборных бассейнов, степени их трансформации, оценке влияния различных антропогенных источников загрязнения на экосистемы малых водотоков.

Результаты диссертационной работы также могут быть использованы в учебном процессе при подготовке магистров по дисциплине «Экологический мониторинг».

Апробация работы. Материалы диссертационной работы были представлены на международных конференциях «Экология речных бассейнов», Владимир, 2009, 2011 гг., IV Всероссийской научно-практической конференции «Научные проблемы использования и охраны природных ресурсов России», Самара, 2012 г., IV Международной научно-практической конференции «Экология регионов», Владимир 2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на

_страницах, включает_таблиц и __рисунка; состоит из введения,

шести глав, выводов, списка литературы, включающего ___ наименования (из

них_на английском языке) и приложений.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю профессору кафедры экологии ВлГУ Чесноковой Светлане Михайловне за постоянное внимание к работе, ценные советы и рекомендации на всех этапах исследования. Особую благодарность автор выражает заведующему кафедрой экологии ВлГУ профессору Трифоновой Татьяне Анатольевне за оказанную поддержку и полезные советы. Огромную признательность автор выражает всему коллективу кафедры экологии ВлГУ, а также родным и близким.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Данная глава посвящена обзору литературных данных о гидрохимических и гидробиологических показателях вод, отражающих уровень загрязнения и эвтрофировании водотоков (Алекин, 1953; Цыцарин,1988; Никаноров,2001; Михайлов, Добровольский, Добролюбов, 2007; Фрумин, 1998; Хрисанов, Осипов, 1993; Дмитриев, 1995, 2000; Гольцова, Дмитриев, 2007; Науменко, 2007; Гусева и др., 2000; Дьячков, 1984; Алимов,

1989, 1994; Криволуцкий, 1990; Соколов и др., 1990; Chaphekar, 1991; Aviles, 1992; Шуйский, 1997; Шуйский, Максимова, Петров, 2002; Абакумов, 1983; Knopp, 1954; Pantle, Buck, 1955; Zelinka, Marvan, 1961, 1966; Sladecek, 1973, Яковлев, 1984, 1988, 1998, Макрушин, 1974, Чертопруд, 2002, Николаев, 1993 и др.), о последствиях антропогенного эвтрофирования водотоков и их устойчивости к эвтрофированию (Михайлов, Эдельштейн,1996; Цветкова и др.,1988; Дмитриев В.В., 1995, 1997, 2000, 2004; Даценко Ю.С., 2007). В ней также рассмотрены источники поступления фосфат ионов и их влияние на водные экосистемы.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В главе дана характеристика объекта исследования, методические аспекты химических и биологических методов оценки трофности, сапробности, класса качества воды, устойчивости водотока к эвтрофированию, а также представлена разработанная нами методика по оценке самоочищающей способности экосистем от фосфат-ионов и предложена классификация водных объектов по их устойчивости к эвтрофированию, изучено влияние АСПАВ на подвижность фосфат-ионов в системе «вода-донные отложения».

Объект исследования - река Каменка правый приток р. Нерль, протекает по территории Суздальского района Владимирской области. Свое начало река берет севернее села Новокаменское, а впадает в реку Нерль возле села Новоселка. Длина водотока - 41 км. Площадь водосборного бассейна -312 км2. В Каменку впадают реки Тумка, Бакалейка и Мжара, а так же многочисленные ручьи. Река загрязняется стоками с сельхозугодий СПК «Стародворский», «Гавриловское», «Тарбаево», ГНУ Владимирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства (ГНУ Владимирский НИИСХ) и коммунально-бытовыми стоками г. Суздаля и сельских поселений. Такие стоки, как правило, содержат соединения биогенных элементов и органические вещества, что вызывает эвтрофикацию водотоков, заиливание дна, смену видового состава гидробионтов и деградацию экосистемы водоема. Усугублению этих процессов способствует нарушение гидрологического режима реки. На реке Каменка в начале 80-х годов прошлого столетия были построены две плотины в черте г. Суздаля и две плотины от истока до города.

При проведении исследований водоток был разделен от истока до устья на 12 створов: 1. исток (близ с. Новокаменское); 2. с. Губачево; 3. близ с. Вышеславское; 4. до устья р.Бакалейка; 5. до устья р.Тумка; 6. после устья р.Тумка; 7. близ с. Янево; 8. до верхней городской плотины; 9. около Спасо-Евфимиева монастыря; 10. после нижней городской плотины; 11. до очистных сооружений г.Суздаля; 12. устье (с.Новоселка) (рис. 1).

1 I

Методы исследования

Оценка состояния водотока по гидрохимическим показателям В ходе работы было проведено комплексное исследование основных гидрохимических показателей воды: концентрации нитратного и нитритного азота определяли потенциометрически с использованием нитрат- и нитритселективных электродов (ГОСТ 29270-95) на универсальном иономере «Эксперт-001», аммонийный азот определяли фотометрически по окраске комплекса с реактивом Несслера на фотометре КФК-3 (ПНД Ф 14.1:2.1-95), фосфаты - фотометрически по окраске восстановленной фосфорномолибденовой кислоты на фотометре КФК-3 (ПНД Ф 14.1:4.248-07 11.07.2007), содержание растворенного кислорода - йодометрическим методом (метод Винклера) (ПНД Ф 14.1 ;2.101-97).

Показателями загрязненности вод органическими веществами является их окисляемости. В практике для природных малозагрязненных вод определяют перманганатную окисляемость, а в более загрязненных водах - как правило, бихроматную окисляемость (называемую также ХПК - "химическое потребление кислорода"). Перманганатную окисляемость и ХПК определяли титриметрическим методом (ПНД Ф 14.1;2;4.154-99 и РД 52.24.421-2007).

кКибол

Григорово,^-

Нсвь% Ивановские,

Константинове

эьинское

(Глебовское

'СУЗДАЛЬ

Гавриповс*

>акумпево

Переборов©

Зерне во

Спасское-Городище.

•I ер ни ж.

Вы шест

.Туртино

значениями (ПДК) этих соединений. Такие концентрации характеризуют критическое состояние водной экосистемы, при котором она изменяет (повышает) свой трофический уровень.

Концентрацию минерального азота определяли как сумму азота аммония, нитратов и нитритов.

= Ыт/ + Шо/ + Шог- , где NN11/ - концентрация азота аммонийного, мг/дм3; NN0,- - концентрация азота нитратов, мг/дм3; NN0/- концентрация азота нитритов, мг/дм3.

Все анализы выполнены в аккредитованной лаборатории физико-химических методов анализа кафедры экологии Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых (ВлГУ).

Оценка состояния водотока по гидробиологическим показателям

На основе анализа литературных источников для оценки класса качества, уровня трофности и сапробности экосистемы водотока нами выбраны индекс сапробности Пантле-Букка в модификации Чертопруда (2007) и метод Николаева С.Г. по определению класса качества вод (1993).

При определении класса качества вод методом Николаева С.Г. использован принцип построения индикаторной системы, учитывающий особенности типа обследуемого водоема, наличие, условную значимость и разнообразие индикаторных организмов и дающий оценку экологической и хозяйственной значимости вод по шести классам.

Оценка устойчивости экосистемы к эвтрофированию

Под устойчивостью водного объекта понимается способность экосистемы сохранять постоянными свои свойства и параметры режимов в условиях действующих природных и антропогенных факторов.

Так как главной причиной эвтрофирования р. Каменка является загрязнение соединениями фосфора, для оценки устойчивости экосистемы к эвтрофированию нами предлагается показатель устойчивости (ПУ) экосистемы к фосфат-ионам, характеризующий способность системы переводить фосфат-ионы из жидкой фазы в донные отложения. Показатель устойчивости рассчитывали по формуле:

ПУ=1§(ПН/КЛР), где

ПН - показатель накопления фосфат-ионов в донных отложениях, равный отношению концентраций фосфат-ионов в донных отложениях (Сро/ д.о., мг/кг ) к их концентрации в воде (Сро/в„ мг/дм3).

ПН = Сро/- д. о. / Сро/ е.;

г ,КИР - кратность превышения рыбохозяйственного ГТДК фосфат-ионов в исследуемой воде,

- " ' КПР С,ро//¡ЩКго/г; " ' " ; "

Для классификации экосистем водотоков по устойчивости к эвтрофикации, то есть по самоочищающей способности от фосфат-ионов, нами предлагается десятибалльная шкала устойчивости (табл. .1), по которой все водотоки по величине ПУ делятся на 5 классов.

Таблица 1

Классификация водных объектов по устойчивости к эвтрофикации

Класс качества Характеристика устойчивости ПУ

I Очень устойчивые 10-9

II Устойчивые 8-6

III Умеренно-устойчивые 5-3

IV Слабо-устойчивые' 3-2

V Неустойчивые <2

Оценка уровня загрязнения донных отложений Содержание фосфат-ионов в донных отложениях определяли фотометрически по окраске восстановленной фосфорномолибденовой кислоты, после их экстрогирования азотной кислотой, на фотометре КФК-3 (ПНД Ф 14.1:4.248-07 11.07.2007), органический углерод донных отложений определяли по методу Тюрина (ГОСТ 26213-91).

Моделирование процессов миграции фосфат-ионов под влиянием АСПАВ Так как основными источниками загрязнения экосистемы р. Каменка фосфат-ионами являются стоки с сельхозугодий и с территорий сельских и городских поселений, содержащих синтетические поверхностно активные вещества, представляло интерес изучение влияния АСПАВ - приоритетных компонентов моющих и чистящих средств - на подвижность фосфат-ионов в системе «вода - донные отложения».

Для исследований использовали лодецилсульфат натрия (ДЦС). Влияние ДЦС на миграцию фосфат-ионов из донных отложений проводили в модельных экспериментах в стеклянных емкостях на 11 дм3 с речной водой и донными отложениями р. Каменка. В каждый сосуд вводили определенное количество АСПАВ. Содержание в воде фосфат-ионов определяли через 20 дней экспонирования.

ГЛАВА 3. ДИНАМИКА ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВОДЫ

3.1. Оценка уровня загрязнения воды соединениями биогенных элементов Приоритетными загрязнителями экосистемы реки являются соединения азота и фосфора. В таблице 2 представлены результаты определения концентраций фосфат-ионов, аммонийного азота и нитрат-ионов в экосистеме р. Каменка за 2009-2011 гг.

Таблица 2

Концентрация биогенных элементов водах р. Каменка за 2009-2011 гг.

№ створа Фосф ат-ионы, мг/дм3 Азот аммонийный,мг/дм3 Нитрат-ионы, мг/дм3

2009 г. 2010 г. 2011 г. 2009 г. 2010 г. 2011г. 2009 г. 2010 г. 2011 г.

1 нет дан. 0,114 0,21 нет дан. 0,24 0,2 нет дан. 0,05 0,31

2 нет дан. 0,124 0,29 нет дан. 0,152 0,25 нет дан. 0,44 0,29

3 нет дан. 0,116 0,24 нет дан. 0,288 0,25 нет дан. 0,111 0,31

4 нет дан. 0,112 0,19 нет дан. 0,212 0,26 нет дан. 0,088 0,28

5 1,95 0,132 0,24 0,42 0,336 0,27 1,2 0,041 0,14

6 3,3 0,116 0,35 0,68 0,272 0,27 1,96 0,049 0,31

7 3,4 0,145 0,34 0,68 0,12 0,26 1,83 0,056 1,55

8 3,7 0,147 0,24 0,68 0,164 0,26 1.56 0,088 0,39

9 3,5 0,136 0,26 0,68 0,248 0,24 1,96 0,004 0,39

10 3,7 0,159 0,37 0,7 0,22 0,28 1,96 0,14 1,1

11 3,7 0,152 0,35 0,68 0,32 0,32 1,96 1,772 1,96

12 3,95 0,269 2,13 0,85 0,444 0,41 1,96 1,111 0,78

Из таблицы 2 следует, что уровень загрязнения экосистемы р. Каменка по всем биогенными элементами и во все годы наблюдений возрастает от истока к устью, что связано со значительным влиянием хозяйственно-бытовых и ливневых стоков г. Суздаля и сбросом сточных вод с очистных сооружений.

3.2. Оценка степени загрязнения воды органическими соединениями

Состав органических веществ в природных водах формируется под влиянием многих факторов. К числу важнейших относятся внутриводоемные биохимические процессы продуцирования и трансформации, поступления из других водных объектов, с поверхностными и подземными стоками, с атмосферными осадками, с промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами. Показателями загрязнения поверхностных вод органическими веществами является их окисляемость. На рис. 2 представлены

значения перманганатной окисляемости, на рис. 3 - бихроматной окисляемости (ХПК).

123456789 10 11 12

№стеора а 20101.

■ 2011с.

Рис. 2. Пермаиганатная окисляемость вод р. Каменка

Рис. 3. Бихроматная окисляемость вод р. Каменка.

Из рис. 2 и 3 следует, что основной вклад в загрязнение водотока вносят трудноокисляемые органические вещества. Уровень загрязнения легко-окисляемыми органическими веществами (ПО) и трудноокисляемыми веществами (ХПК) увеличивается от истока к устью. На рис. 3 отчетливо видно значительное увеличение содержания трудноокисляемых органических веществ в черте города Суздаля (створы 8-10) и после очистных сооружений (створ 12), что связано с поступлением в водоток органических веществ антропогенного происхождения и свидетельствует о низкой эффективности работы очистных сооружений г. Суздаля.

3.3. Оценка кислородного режима водотока

Концентрация кислорода определяет величину окислительно-восстановительного потенциала и в значительной мере направление и скорость процессов химического и биохимического окисления органических и неорганических соединений. Определение кислорода в поверхностных водах необходимо для оценки условий обитания гидробионтов. На рис. 4 показана степень насыщения воды кислородом (СНК).

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 ! № створа

Рис. 4. Степень насыщения воды р. Каменка кислородом

На протяжении всего периода наблюдений СНК вод до городской черты был выше 65%. В черте г. Суздаля (створы 8-9) наблюдалось некоторое снижение содержания растворенного кислорода в воде, что можно объяснить наличием двух капитальных плотин, препятствующих естественному самоочищению реки и накоплению в данном участке большого количества органических веществ. В устьевом створе наблюдалась наименьшая концентрация кислорода (в 2011 г. около 40%), что связано с большим влиянием очистных сооружений.

3.4. Оценка класса качества, уровня загрязнения и трофности вод экосистемы р. Каменка по гидрохимическим показателям

Расчет уровня загрязнения и трофности производился по таким гидрохимическим показателям как: степень насыщения воды кислородом (СНК), азот аммонийный, нитрат-ионы, фосфат-ионы (табл. 3).

Результаты оценки качества и уровня загрязнения вод по соединениям азота и фосфора удовлетворительно согласуются между собой. Наиболее чувствительным из гидрохимических показателей качества и уровня загрязнения вод оказался фосфор минеральный.

В таблице 4 представлены результаты определения уровня трофности вод р. Каменка по уровню загрязнения фосфором (минеральным) и азотом аммонийным.

Класс качества и уровень загрязнения вод экосистемы р

Таблица 3 Каменка по

№ створа снк, % Кл.качест. иур-нь загряз. Л7/Д мг/дм3 Кл.качест. и ур-нь загряз. Л'О/ мг/дм3 Кл.качест. иур-нь загряз. РО/-, мг/дм3 Кл.качест. иур-нь загряз.

1 83,3 2, чист. 0,20 2, чист. 0,31 3, ум. загр. 0,21 5, гряз.

2 70,0 3, ум. загр. 0,25 3, ум. загр. 0,29 3, ум. загр. 0,29 5, гряз.

3 67,9 4, загр. 0,25 3, ум. загр. 0,31 3, ум. загр. 0,24 5, гряз.

4 75,5 3, ум. загр. 0,26 3, ум. загр. 0,28 3, ум. загр. 0,19 5, гряз.

5 76,1 3, ум. загр. 0,27 3, ум. загр. 0,14 2, чист. 0,24 5, гряз.

6 70,0 3, ум. загр. 0,27 3, ум. загр. 0,31 3, ум. загр. 0,35 6, оч. гряз.

7 67,9 4, загр. 0,26 3, ум. загр. 1,55 4, загр. 0,34 6, оч. гряз.

8 64,8 4, загр. 0,26 3, ум. загр. 0,39 3, ум. загр. 0,24 5, гряз.

9 66,9 4, загр. 0,24 3, ум. загр. 0,39 3, ум. загр. 0,26 5, гряз.

10 75,5 3, ум. загр. 0,28 3, ум. загр. 1,1 5, гряз. 0,37 6, оч. гряз.

11 70,0 3, ум. загр. 0,32 3, ум. загр. 1,96 . 6, оч. гряз. 0.35 6, оч. гряз.

12 40,1 5, гряз. 0,41 4, загр. 0,78 4, загр. 2,13 6, оч. гряз.

Трофность вод экосистемы р. Каменка

Таблица 4

№ створа Трофность по гидрохимическим показателям (мг/дм3)

2009 г. Трофность 2010 г. Трофность 2011 г. Трофность

р 1 ми»

шн/ тн4* NN11,*

1 нет дан. нет дан. 0,08 0,24 мезотрофный мезотрофный 0,07 0,2 мезотрофный мезотрофный

2 нет дан. нет дан. 0,13 0,15 мезотрофный мезотрофный 0,10 0,25 мезотрофный мезотрофный

3 нет дан. нет дан. 0,12 0,3 мезотрофный мезотрофный 0,08 0,25 мезотрофный мезотрофный

4 нет дан. нет дан. 0,11 0,2 мезотрофный мезотрофный 0,06 0,26 мезотрофный мезотрофный

5 0,64 0,42 эвтрофный мезотрофный 0,14 0,33 мезотрофный мезотрофный 0,08 0,27 мезотрофный мезотрофный

6 1,1 0,68 эвтрофный эвтрофный 0,12 0,27 мезотрофный мезотрофный 0,12 0,27 мезотрофный мезотрофный

7 1,12 0,68 эвтрофный эвтрофный 0,14 0,15 мезотрофный мезотрофный 0,12 0,26 мезотрофный мезотрофный

8 1,2 0,68 эвтрофный эвтрофный 0,15 0,16 мезотрофный мезотрофный 0,08 0,26 мезотрофный мезотрофный

9 1,16 0,68 эвтрофный эвтрофный 0,14 0,25 мезотрофный мезотрофный 0,08 0,24 мезотрофный мезотрофный

10 1,2 0,7 эвтрофный эвтрофный 0,16 0,22 мезотрофный мезотрофный 0,12 0,28 мезотрофный мезотрофный

11 1,2 0,68 эвтрофный эвтрофный 0,16 0,32 мезотрофный мезотро&ный 0,12 0,32 мезотрофный мезотрофный

12 1,3 0,85 эвтрофный эвтрофный 0,27 0,44 мезотрофный мезотрофный 0,7 0,41 эвтрофный мезотрофный

Как следует из табл. 4, в 2009 году исследованная часть водотока по трофическому статусу отнесена к эвтрофным водным объектам, в 2010-2011 году водоток переходит к мезотрофным. .

Показатели трофности вод экосистемы р. Каменка, определенные по Рмин и Ынн4* хорошо согласуются между собой. В целом они возрастают от истока к устью и уменьшаются с 2009 по 2011 годы, особенно это уменьшение заметно в черте г Суздаля, что связано с расчисткой русла на этом участке водотока в 2010-2011 гг.

ГЛАВА 4. ДИНАМИКА ГИДРОБИОЛОГИЧЕСКИХ

ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВОДЫ 4.1. Оценка класса качества и уровня загрязнения вод экосистемы р. Каменка

В летние сезоны 2003, 2008, 2011 годы были проведены гидробиологические исследования экосистемы р. Каменка по 12 створам с целью выявления индикаторных организмов для оценки класса " качества водотока, уровня трофности и сапробности. В результате исследований обнаружено 25 индикаторных видов (семейств) гидробионтов.

В табл. 5 представлены результаты гидробиологических исследований по оценке класса качества и уровня загрязнения вод р. Каменка по методу Николаева и Чертопруда.

Таблица 5

Класс качества и уровень загрязнения вод экосистемы р. Каменка по _ гидробиологическим показателям

м створа Метод Николаева | Метод Чертопруда

Класс качества и уровень загрязнения

2003 г. 2008 г. 2011 г. 2011г.

1 4, загрязн. 4, загрязН. 4,загрязн. 3, умер, загрязн.

2 4, загрязн. 4, загрязн. 4,загрязн. 3, умер, загрязн.

3 4, загрязн. .4, загрязн. 4, загрязн. 3, умер, загрязн.

4 3-4, умер, загрязн. 3-4, умер, загрязн. 3, умер, загрязн. 3, умер, загрязн.

5 2-3, умер, загрязн. 4, загрязн. 3-4, умер, загрязн. 4, загрязн.

6 4, загрязн. 4, загрязн. 3, умер, загрязн. 3, умер, загрязн.

7 3-4, умер, загрязн. 3, умер, загрязн. 3, умер, загрязн. 3, умер, загрязн.

8 4,загрязн. ; 4; загрязн. 4, загрязн. 3, умер, загрязн.

9 3-4, умер, загрязн. 4, загрязн. 3, умер, загрязн. 3, умер, загрязн.

10 4, загрязн. 4, загрязн. 3, умер, загрязн. 3, умер, загрязн.

11 5, грязные 5,.грязные 5, грязные 3," умер, загрязн.

12 5, грязные 5, грязные . 5, грязные . 4, загрязн.

Класс качества вод и уровень загрязнения возрастает от истока к устью и незначительно уменьшается с 2008 к 2011 году. Уровни загрязнения, определенные методами Чертопруда и Николаева (2011 г.) удовлетворительно согласуются между собой. В целом, воды р. Каменка характеризуются как умеренно-загрязненные, а в створах 11-12 (устье) - грязные.

4.2. Оценка уровня сапробности

Понятие сапробности, с одной стороны, приближается к значению эвтрофикации, т.к. включает трофическую характеристику, а с другой стороны, сапробность близка к токсичности или загрязненности, поскольку характеризует действие в среде отрицательных 'факторов (дефицит или отсутствие кислорода, продукты разложения органики и т.д.). Таким образом, понятие сапробности приобретает значение характеристики качества воды. В табл. 6 представлены результаты определения сапробности вод в экосистеме р. Каменка методами Николаева С.Г. (2003, 2008 и 2011 годы) и Чертопруда М.В. (2011 год).

Таблица 6

Результаты оценки сапробности вод экосистемы р. Каменка__

№ створа Сапробность

Метод Николаева С.Г. Метод Чертопруда М.В.

2003 г. 2008 г. 2011 г 2011 г.

1 а- мезосапр. а- мезосапр. а- мезосап. Р- мезосапр.

2 а- мезосапр. а- мезосапр. а- мезосапр. Р- мезосапр.

3 а- мезосапр. а- мезосапр. а- мезосапр. Р- мезосапр.

4 а - р- мезосапр. а-р- мезосапр. Р- мезосапр. Р- мезосапр.

5 олиго-р -мезосапр. а- мезосапр. а — Р- мезосапр. а- мезосапр.

6 а- мезосапр. а- мезосапр. Р- мезосапр. Р- мезосапр.

7 а - р- мезосапр. Р- мезосапр. Р- мезосапр. р- мезосапр.

8 а- мезосапр. а- мезосапр. а- мезосапр. Р- мезосапр.

9 а - р- мезосапр.. а- мезосапр. Р- мезосапр. Р- мезосапр.

10 а- мезосапр. а- мезосапр. Р- мезосапр. Р- мезосапр.

И Р- полисапр. Р- полисапр. Р- полисапр. Р- мезосапр.

12 Р- полисапр. Р-полисапр. Р- полисапр. а- мезосапр.

Из табл. 6 следует, что метод Николаева оказался более чувствительным для экосистемы р. Каменка. По нему устьевые створы (1-3) соответствуют а-мезосапробным водам, что можно объяснить малой водностью (ширина реки от 0,5 до 2 м) и наличием двух плотин. В створах 4-10 воды соответствуют (З-мезосапробным, а устьевые створы (11-12) - полисапробным водам. Сапробность в целом с 20б8 года снижается, что свидетельствует о некотором улучшении экологической ситуации в экосистеме водотока, особенно в черте города, после расчистки русла реки в 2009-2010 годах. По методу Чертопруда воды в целом относятся к мезосапробным.

4.3. Оценка уровня трофности

Оценки трофности по, гидробиологическим показателям за все исследуемые годы хорошо согласуются между собой, но с 2008 г. в некоторых створах наблюдается уменьшение уровня трофности (в створах 4-6), что на наш взгляд связано со значительным сокращением применения минеральных удобрений сельхозпроизводителями Суздальского района (табл. 7). Некоторое снижение уровня трофности наблюдаемое в черте города г. Суздаля в 2011 году, по сравнению с.предыдущими, связано с расчисткой русла реки. Этот факт свидетельствует о наличии, вторичного загрязнения вод донными отложениями.

Таблица 7

Трофность вод экосистемы р. Каменка

М створа Трофность

2003 г. 2008 г. , 2011г.

Г эвтрофный : эвтрофный эвтрофный

2 эвтрофный эвтрофный эвтрофный

3 эвтрофный эвтрофный эвтрофный

4 ' а -мезо-эвтрофный а -мезо-эВтрофный а -мезотрофный

5 а - р - мезотрофный эвтрофный а -мезо-эвтрофный

6 эвтрофный эвтрофный а -мезотрофный

7 а -мезо-эвтрофный а -мезотрофный а —мезотрофный

8 эвтрофный эвтрофный . эвтрофный

9 а -мезо-эвтрофный эвтрофный .. а -мезотрофный

10 эвтрофный эвтрофный а -мезотрофный

11 политрофный политрофный политрофный

12 политрофный политрофный политрофный

Обнаруженное относительное постоянство гидробиологических параметров в некоторых наблюдаемых пунктах свидетельствует о стабилизации экосистемы водотока и относительной ее устойчивости к существующему уровню антропогенного воздействия. Стабилизации экосистемы способствовали также многочисленные макрофиты прибрежной зоны, активно поглощающие соединения биогенных элементов.

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ 5.1. Оценка уровня загрязнения донных отложений органическими веществами

В донных отложениях р. Каменка содержится достаточно большое количество органического вещества (в среднем 2,44%), что связано, на наш взгляд, с нарушением гидрологического режима водотока, препятствующим

естественному процессу самоочищения, смывом органических веществ с сельхозугодий и большим количеством прибрежных и водных макрофитов.

123456789 10 11 12 № створа

Рис. 5. Содержание органического вещества в донных отложения

Наиболее высокие концентрации органических веществ, наблюдаемые в створе 5 (до впадения р. Тумка), связаны с сильным заиливанием дна, присутствием большего количества макрофитов и замедленным течением на данном участке реки, а в створе 12 (устье) с влиянием очистных сооружений и достаточно большим содержанием трудноокисляемых органических веществ в воде данного створа.

5.2. Оценка уровня загрязнения донных отложений фосфат-ионами

Высокие концентрации фосфат-ионов в донных отложениях обнаружены в створах, расположенных до городской черты (в среднем 1100 мг/кг), что связано со стоком с с/х угодий и применением минеральных и фосфорных удобрений сельхозпроизводителями Суздальского района. Наибольшее содержание фосфат-ионов в донных отложениях обнаружено в устьевом створе (2250 мг/кг), что непосредственно связано с очистными сооружениями г. Суздаля и их недостаточно эффективной системой очистки сточных вод, по причине высокой концентрации в очищаемых водах синтетических поверхностно-активных веществ (рис. 6).

2500

2000

£ 1500 ->

? 1000 ■

т <?

2 500 -о

0 - .......

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 № створа

Рис. 6. Содержание фосфат-ионов в донных отложения

Значительный вклад в загрязнение донных отложений органическими веществами и фосфат-ионами вносят, видимо, водные и прибрежные макрофиты.

ГЛАВА 6. ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ЭКОСИСТЕМЫ РЕКИ

КАМЕНКА

6.1. Оценка устойчивости к эвтрофированию по подвижности фосфат-ионов

Анализ пространственно-временной динамики загрязнения фосфат-ионами экосистемы р. Каменка показывает, что в экосистеме р. Каменка происходит плавное снижение концентрации фосфат-ионов в воде с 2009 года, что связано со значительным сокращением применения минеральных, в том числе фосфорных, удобрений сельхозпроизводителями Суздальского района (как и в целом в области) (табл. 8).

Таблица 8

Уровень загрязнения фосфат-ионами экосистемы р. Каменка.

№ створа Концентрация РО/~ в воде, мг/дм3. С РО4 в дон. опт., мг/кг

2009 г. 2010 г. 2011 г.

1. - 0,25 0,21 500

2 - 0,38 0,29 1875

3. - 0,36 0,24 825

4. - 0,34 0,19 1900

5. 1,95 0,41 0,24 850

6. 3,30 0,36 0,35 1375

7. 3,40 0,44 0,34 375

8. 3,70 0,45 0,24 350

9. 3,50 0,42 0,26 550

10. 3,70 0,49 0,37 500

11. 3,70 0,47 0,35 650

12. 3,95 0,82 2,13 2250

Показатель устойчивости к эвтрофикации (табл. 9) экосистемы водотока неравномерно снижается от истока к устью, что, по-видимому, связано с неравномерным поступлением на различные участки водотока веществ, влияющих на подвижность фосфат-ионов в системе «вода - донные отложения».

Таблица 9

Параметры устойчивости к эвтрофикации экосистемы р. Каменка

№ створа кп„ ПН ПУ Характеристика устойчивости

1. 1,05 2381 3,35 Умеренно-устойчивые

2. 1,45 6466 4,65 Умеренно-устойчивые

3. 1,2 3437 3,46 Умеренно-устойчивые

4. 0,95 10000 4,02 Умеренно-устойчивые

5. 1,2 3542 3,47 Умеренно-устойчивые

б. 1,75 3929 3,35 Умеренно-устойчивые

7. 1,7 1103 2,8 Слабо-устойчивые

В. 1,2 1458 3,08 Умеренно-устойчивые

9. 1,3 2115 3,2 Умеренно-устойчивые

10. 1,85 1351 2,86 Слабо-устойчивые

11. 1,75 1857 3,03 Умеренно-устойчивые

12. 10,65 1056 2,0 Слабо-устойчивые

Согласно предложенной классификации, экосистема исследованного водотока характеризуется умеренной и слабой устойчивостью к эвтрофикации. Значительный рост фосфорной нагрузки на участки, характеризующиеся слабой устойчивостью к фосфат-ионам (ПУ<3), может привести к нарушению сложившегося неустойчивого равновесия и к деградации экосистемы водотока.

6.2. Моделирование процессов миграции фосфат-ионов под действием

АСПАВ

Присутствие в водоемах поверхностно-активных веществ изменяет химический состав природных вод и ход протекающих в них химических и биохимических процессов.

На рисунке 7 показана зависимость содержания фосфат-ионов в водной фазе модельной системы от концентрации ДДС.

Рис. 7. Влияние додецилсулъфата натрия на миграцию фосфат-ионов из донных отложений.

Из рисунка 7 видно, что вначале, по мере увеличения концентрации ДДС происходит резкий рост содержания фосфат-ионов в водной фазе, далее происходит резкое и затем плавное снижение концентрации фосфатов до первоначального уровня и ниже. Таким образом, при низких концентрациях (до 0,1 мг/дм ) ДДС происходит миграция фосфатов из донных отложений в водную фазу, при дальнейшем росте концентрации ДДС (от 0,1 до 1 мг/дм3) в системе начинают преобладать процессы седиментации, при концентрациях 1-4 мг/дм происходит стабилизация системы (устанавливается подвижное равновесие).

Следовательно, при обычных уровнях загрязнения экосистем водотоков АСПАВ, происходит вынос фосфат-ионов из донных отложений и усиление процессов эвтрофикации экосистемы.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что приоритетными загрязнителями водотока являются биогенные элементы и органические вещества природного и антропогенного происхождения. По гидрохимическим показателям воды реки Каменка в большинстве исследованных створов соответствуют умеренно-загрязненным, а в устьевом створе - грязным. Наиболее чувствительным из гидрохимических показателей качества и уровня загрязнения вод является фосфор минеральный; по нему воды р. Каменка соответствуют 5 классу качества - грязные. Трофность вод экосистемы реки по гидрохимическим показателям уменьшается с 2009 по 2011 гг. и водоток переходит от эвтрофной стадии к мезотрофной.

2. Изучена динамика гидробиологических показателей водотока. Установлено, что метод Николаева для экосистемы р. Каменка оказался более чувствительным, при оценке уровня загрязнения и сапробности, чем метод Чертопруда. Створы 1-3 соответствуют а-мезосапробным, загрязненным водам, створы 4-10 - р-мезосапробным, умеренно-загрязненным, а устьевые створы (11-12) - полисапробным, грязным водам. По методу Чертопруда воды в целом относятся к р- мезосапробным, умеренно-загрязненным. Воды р. Каменка в створах 1-3 относятся к эвтрофным, в створах 4-10 к мезотрофным и в створах 11-12 - политрофным. А в целом с 2008 года класс качества вод и трофность снижаются, что свидетельствует о некотором улучшении экологической ситуации в экосистеме водотока. Гидробиологические показатели хорошо согласуется с данными, полученными по гидрохимическим показателям.

3. Изучен уровень загрязнения донных отложений органическими веществами. Среднее содержание органических веществ в донных отложениях составляет 2,44%. Выявлен достаточно высокий уровень загрязнения донных отложений фосфат-ионами (в среднем 1000 мг/дм3).

4. Предложена методика оценки устойчивости малых водотоков к эвтрофированию по подвижности фосфат-ионов в системе «вода - донные отложения» по величине показателя устойчивости. Установлено, что экосистема р. Каменка характеризуются умеренной и слабой устойчивостью к эвтрофированию, а поскольку уровень загрязнения донных отложений фосфат-ионами достаточно высок, в водотоке может наблюдаться процесс вторичного загрязнения, что может привести к нарушению сложившегося неустойчивого равновесия и к деградации экосистемы водотока.

5. Предложена классификация водотоков по устойчивости к эвтрофированию по величине показателя устойчивости (ПУ). Средние оценки класса качества вод р. Каменка, определенные по гидрохимическим, гидробиологическим показателям и показателю устойчивости, свидетельствуют о том, что предложенный нами показатель устойчивости является достоверной характеристикой.

6. Установлено, что при низких концентрациях (до 0,1 мг/дм3) ДДС происходит миграция фосфатов из донных отложений в водную фазу, при дальнейшем росте концентрации ДДС (от 0,1 до 1 мг/дм3) в системе начинают преобладать процессы седиментации, при концентрациях 1-4 мг/дм3 происходит стабилизация системы (устанавливается подвижное равновесие). Следовательно, при обычных уровнях загрязнения водотоков АСПАВ, происходит вынос фосфат-ионов из донных отложений и усиление процессов эвтрофикации экосистемы.

Основные публикации по теме диссертации:

В изданиях из списка ВАК:

1.Савельев О.В., .Чеснокова С.М. Оценка допустимой антропогенной нагрузки на малые реки по их самоочищающей способности// Проблемы региональной экологии. - 2011. - №1. - С.6-12.

2. Чеснокова С.М., Злывко A.C., Савельев О.В. Оценка влияния жаркого и засушливого лета 2010 года на малые реки Владимирской области// Проблемы региональной экологии. - 2011. - №6. - С.7-12.

3. Савельев О.В., Злывко A.C., Чеснокова С.М. Оценка устойчивости экосистем малых рек урбанизированных территорий к соединениям фосфора//Экология урбанизированных территорий. - 2012. - №1. - С. 87-92.

4. Савельев О.В., Чеснокова С.М. Оценка состояния экосистемы р. Каменка по гидробиологическим и гидрохимическим показателям// Вода: химия и экология. - 2012. - №9. - С. 85-90.

5. Чеснокова С.М., Злывко A.C., Савельев О.В., Малыгин A.B. Оценка уровня загрязнения анионными поверхностно-активными веществами экосистем р. Содышка и их влияния на физико-химические и биохимические процессы самоочищения.// Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Том 14, №1(7), 2012. - С. 2381-2383.

В других изданиях:

6. Савельев О.В., Чеснокова С.М. Оценка устойчивости р. Каменка к воздействию антропогенных факторов. Матер. 2-ой юбилейной конференции «Экология Владимирского региона»/Под. ред. проф. Т.А. Трифоновой. Владимир, «Владимир Полиграф», 2008. - С.58-66.

7. Чеснокова С.М., Савельев О.В. Оценка уровня эвтрофикации и самоочищающей способности р. Каменка//Экология речных бассейнов: Труды 5-й Междунар. науч.-практ. конф. /Под общ. ред. проф. Т.А. Трифоновой; Владим. гос. ун-т, Владимир. - 2009. - С. 308-312.

8. Савельев О.В., Чеснокова С.М. Оценка степени загрязнения реки Каменка по видовому составу зообентоса. Экология регионов. Сборник материалов Ш-ей юбилейной Международной науч.-практ. конференции/Под. общ. ред. проф. Т.А. Трифоновой. Владимир, ВООО ВОИ ПУ «Рост», 2010. -С. 120-124.

9. Чеснокова С.М., Савельев О.В. Оценка кислородного режима и уровня загрязнения органическими веществами и самоочищающей способности реки Каменка в осенне-зимний период// Экология речных бассейнов: Труды 6-й Междунар. науч.-практ. конф. /Под общ.ред. проф. Т.А. Трифоновой; Владим. гос. ун-т, Владимир. - 2011. - С. 88-92

10. Чеснокова С.М., Савельев О.В. Уровень эвтрофикации и самоочищающая способность малых рек урбанизированных территорий на примере реки Каменка// Экология речных бассейнов: Труды б-й Междунар. науч.-практ. конф. /Под общ. ред. проф. Т.А. Трифоновой; Владим. гос. ун-т, Владимир. -2011.-С.92-96.

11. Савельев О.В., Чеснокова С.М. Оценка трофности, сапробности и устойчивости к эвтрофикации экосистемы реки Каменка. Четвертая Международная научно-практическая конференция «Экология регионов»/редкол.: Т.А. Трифонова (отв. ред.) [и др.].- Владимир; ВООО ВОИ, 2012. - С. 109-114.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Комплексная оценка состояния и устойчивости к эвтрофикации экосистем малых водотоков урбанизированных территорий"

Актуальность темы. Водные объекты урбанизированных территорий имеют важное социально-экономическое значение, играют огромную роль в создании комфортных условий проживания населения и улучшении микроклимата городской среды. Однако в связи с непрерывным ростом городского населения они постоянно испытывают значительные техногенные и антропогенные нагрузки. Как правило, большая часть городских водотоков представляет собой средние и малые реки, характерной особенностью которых является выраженная зависимость их гидрологического и гидрохимического режимов от состояния поверхности водосбора. В настоящее время малые водотоки урбанизированных территорий являются основными приемниками загрязняющих веществ, поступающих с недостаточно очищенными сточными водами промышленных и сельскохозяйственных предприятий и коммунального хозяйства, а также с ливневыми и паводковыми стоками с городских территорий, промплощадок и сельхозугодий. Приоритетными компонентами этих стоков являются биогенные элементы, взвешанные вещества, нефтепродукты, пестициды, синтетические поверхностно активные вещества, органические соединения природного и антропогенного происхождения, тяжелые металлы.

Низкая устойчивость малых водных объектов к постоянным высоким антропогенным нагрузкам приводит к снижению способности гидробиоценозов к самовосстановлению и эвтрофированию экосистем водотоков. Вследствие этого, многие из них имеют высокий уровень химического и микробиологического загрязнения, потеряли свое хозяйственно-бытовое и рекреационное значение.

Исходя из этого, комплексная оценка состояния и устойчивости к эвтрофикации экосистем малых водотоков урбанизированных территорий является актуальной и имеет как практическое, так и теоретическое значение.

Основные задачи исследования:

2. Изучить динамику загрязнения, трофности и сапробности экосистемы водотока по гидробиологическим показателям (зообентосу).

3. Изучить уровень загрязнения донных отложений водотока соединениями фосфора и органическими веществами.

5. Разработать шкалу устойчивости экосистем малых водотоков к эвтрофированию.

6. Изучить влияние анионных синтетических поверхностно-активных веществ (АСПАВ) приоритетных загрязнителей водных экостстем урбанизированных территорий на подвижность фосфат-ионов в системе «вода - донные отложения».

Научная новизна работы. В системе регионального экологического мониторинга поверхностных вод контроль за состоянием водотока проводился лишь до 2006 года по одному створу - устье (д. Новоселка). Впервые проведено комплексное исследование экологического состояния и дана оценка устойчивости к эвтрофированию реки Каменка.

Защищаемые положения.

1. Комплексная оценка состояния и устойчивости к эвтрофикации экосистем малых водотоков урбанизированных территорий включает изучение пространственно-временной динамики основных гидрохимических и гидробиологических показателей, водной фазы и донных отложений, а также корреляционных зависимостей между основными гидрохимическими и гидробиологическими параметрами экосистемы водотока.

Практическая значимость работы. Результаты оценки пространственно-временной динамики гидрохимических и гидробиологических показателей и устойчивости экосистем малых водотоков урбанизированных территорий к эвтрофикации могут быть использованы при проведении экологических экспертиз территорий водосборных бассейнов, степени их трансформации, оценке влияния различных антропогенных источников загрязнения на экосистемы малых водотоков.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 143 страницах, включает 29 таблиц и 10 рисунков; состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы, включающего 186 наименования (из них 32 на английском языке) и приложений.

Заключение Диссертация по теме "Экология (по отраслям)", Савельев, Олег Владимирович

Заключение

Таким образом, наиболее значимыми показателями, состояния экосистем поверхностных вод являются показатели характеризующие кислотно-щелочной (рН, жесткость, кислотно-нейтрализующая способность), окислительно-восстановительный (степень насыщения воды кислородом) режимы, уровень загрязнения биогенными элементами и органическими веществами. А так же гидробиологические показатели (сапробность, трофность). Исходя из этого, основными задачами нашего исследования была оценка кислотно-щелочного режима водотока, кислородного режима, уровня трофности по гидрохимическим и гидробиологическим показателям и уровня сапробности. Анализ гидробиологических показателей водных экосистем позволяет нам для оценки этих показателей выбрать макрозообентос и методики оценки сапробности по методу Пантле-Букка в модификации Чертопруда (2007 г.) и метод Николаева по определению класса качества вод (1993 г.).

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 2.1. Общая характеристика состояния малых рек Владимирской области

Рельеф Владимирской области представляет собой сравнительно однообразную волнистую равнину. Все реки, протекающие в области, равнинные с малым уклоном (несколько сантиметров на километр), спокойным течением (в летний период скорость течения рек 0,1-0,4 м/с),, с преимущественным питанием за счет таяния снегов, летних осадков и грунтовых вод.

На реках области построено 137 водохранилищ и прудов с общим объемом - 89,664 млн. м . Для малых рек большей части области характерно чередование заиленных и незаиленных водотоков. В южной части области распространены плавни.

Для большинства рек области характерна низкая минерализация воды:

100-150 мг/дм3 в период весеннего половодья, 150-200 мг/дм3 - в летне

•j осеннюю межень, 200-250 мг/дм - в зимнюю межень. По кислотности большинство рек относятся к нейтральным (pH 6,5-7,5).

Основная часть гидрографической сети области представлена 746 реками и ручьями, из них почти 80% водных ресурсов принадлежат рекам бассейна Клязьмы и 20% - рекам бассейна Оки (Астахов П.А., 2009).

Объем среднемноголетнего стока рек Владимирской области составляет 4,8 млн. м3.

В целом, за год с стоками малых водосборов выносится в среднем 20-30 т/км растворенных солей.

По геометрической характеристике бассейна водного объекта - длине реки по территории области протекают:

• две большие реки (длина более 500 км) - Ока и Клязьма;

• тринадцать средних рек (длина более 100 км);

• пятьдесят девять малых рек (длина от 26 до 100 км);

• сто тридцать семь самых малых (от 10 до 25 км);

• пятьсот тридцать пять мельчайших рек (длина менее 10 км). •

Таким образом, на долю самых малых и мельчайших приходится 90% рек области.

Антропогенная нагрузка на водные объекты области несмотря на заметный спад производства, остается высокий. Об этом свидетельствует высокий уровень загрязнения вод. По величине индекса загрязнения вод (ИЗВ) большая часть рек области (~ 40%) относятся к 4-ому классу (загрязненная), до 25% - к 5-ому классу (грязная). Количество чистых водотоков составляет лишь 3,3% (О состоянии окружающей среды и здоровья населения Владимирской области в 2007 году).

Основная причина значительного загрязнения малых рек области -поступление в них сточных вод промышленных и с/х предприятий, коммунального хозяйства и ливневых стоков с территорий населенных пунктов, сельхозугодий, промплощадок.

В настоящее время более 80% сточных вод области отводится в поверхностные водные объекты.

Приоритетные загрязняющие вещества поверхностных вод области -железо, медь, цинк, нефтепродукты, органические соединения, азот аммонийный, азот нитратов (Астахов П.А., 2009). Повышенное содержание железа, органических веществ во многих водотоках связано с природными особенностями водосборных бассейнов. Многие реки протекают по заболоченным местностям и торфяникам. Кроме того, возможно поступление железа в реки с загрязненными водами из водопроводной сети, особенно вблизи крупных населенных пунктов.

В воде рек, на берегах которых расположены населенные пункты (особенно крупные), в осенний период наблюдается повышенное содержание фенолов (1-5 ПДК), что связано с поступлением в водотоки побочных продуктов хлорирования воды, образующиеся при ее дезинфекции.

Перманганатная окисляемость вод изменяется от 5 мгОг/дм3 в зимний

3 1 период до 10 мгОг/дм - в летнее осеннюю межень и 15 мгОг/дм - в половодье. Сезонно изменяется также бихроматная окисляемость (ХПК).

Зимой она достигает 30 мгОг/дм , летом 10-20 мгОг/дм (Исупова М.В.,

2008).

Большинство рек характеризуются повышенной цветностью воды из-за загрязнения гуминовыми кислотами.

В зимний период во многих водотоках области наблюдается высокий уровень загрязнения ионами аммония (1,5-3,3 ПДК).

В последние десятилетия в области интенсивно происходит обмеление малых рек. Причинами обмеления рек являются:

• вырубка лесов (вызывает сокращение паводков, понижению уровня грунтовых вод, уменьшение инфильтрации осадков и подземного питания рек);

• Прекращение строительства русловых плотин и плохая эксплуатация существующих сооружений;

• недостаточно грамотное проведение осушения болот и заболоченных земель водоемов;

• несоблюдение режима использования водоохранных зон и прибрежных полос водных объектов, массовая их застройка.

Вследствие обмеления малых рек мелеют и заиливаются более крупные реки.

В пределах водоохранных зон, прибрежных защитных полос и береговых полос малых рек в настоящее время постоянно возникают на предприятиях несанкционированные объекты размещения производственных и бытовых отходов, в деревнях и поселках образуются стихийные свалки бытовых отходов и мусора.

Сложившаяся неблагоприятная ситуация в бассейнах малых рек области, существующий уровень их загрязнения грозят потерей ими способности к самовосстановлению и превращением многих из них в

69 сточные канавы с нарушением структурно-функциональной организации биоценоза, в результате чего они могут стать непригодными для использования в любых целях.

2.2. Характеристика объекта исследований

Объекта исследования - река Каменка, правый приток реки Нерль, протекает по территории Суздальского района Владимирской области. Исток реки находится севернее села Новокаменское, а впадает она в реку Нерль возле села Новоселка. Длина водотока -41 км, площадь водосбора - 312 км2 (рис. 2.1). В Каменку впадают реки Тумка, Бакалейка и Мжара, а так же многочисленные ручьи, особенно в верхнем течении.

Источники загрязнения р. Каменка условно можно разделить на стационарные и рассеянные. К стационарным источникам относятся очистные сооружения г. Суздаля, производящие сброс недостаточно полно очищенных хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод, расположены в 1,2 км от устья р. Каменка. К рассеянным источникам можно отнести стоки с сельхозугодий СПК «Стародворский», СПК «Гавриловское», СПК «Тарбаево», Владимирского научно-исследовательского института сельского хозяйства (ВНИИСХ), а также с животноводческих комплексов и коммунально-бытовые стоки с сельских поселений и г. Суздаля. Такие загрязняющие вещества, как правило, вызывают эвтрофикацию водоемов, заиливание дна, смену видового состава гидробионтов и деградацию водотока.

К загрязнению экосистемы р. Каменка способствовало также нарушение гидрологического режима реки. На реке Каменка в начале 80-х годов прошлого столетия были построены две плотины в черте г. Суздаля и две плотины до города. Они были сооружены с большими нарушениями.

Производится также распашка пойменных лугов с конца 60-х годов XX столетия. В настоящее время происходит интенсивное заболачивание берегов

70 реки, подъем уровня грунтовых вод, угрожающие сохранности памятников архитектуры г. Суздаля. В 2009-2010 гг. по заказу департамента природопользования и охраны окружающей среды Владимирской области производились мероприятия по расчистке берегов и дноуглублению р. Каменка в городской черте.

Река от истока до устья была разделена нами на 12 створов, которые располагались в следующих пунктах (см. рис. 2.1):

1. Исток (близ с. Новокаменское);

2. с. Губачево;

3. Близ с. Вышеславское;

4. До устья р.Бакалейка;

5. До устья р.Тумка;

6. После устья р.Тумка;

7. Близ с. Янево;

8. До верхней городской плотины;

9. Около Спасо-Евфимиева монастыря;

10. После нижней городской плотины;

11. До очистных сооружений г.Суздаля;

12. Устье (с.Новоселка).

2.3. Оценка состояния экосистемы водных объектов 2.3.1. Гидрохимические показатели водных экосистем

В ходе работы было проведено комплексное исследование основных гидрохимических показателей воды:

- концентрацию нитратного азота определяли фотометрически. Метод основан на взаимодействии нитрат-ионов с салициловой кислотой с образованием желтого комплексного соединения. (ПНД Ф 14.1:2.4-95);

- нитритный азот определяли фотометрически. Определение основано на способности нитритов диазотировать сульфаниловую кислоту и на образовании красно-фиолетового красителя диазосоединения с альфа-нафтиламином (ПНД Ф 14.1:2.3-95);

- аммонийный азот определяли фотометрически по окраске комплекса с реактивом Несслера на фотометре КФК-3 (ПНД Ф 14.1:2.1-95). Фотометрический метод определения массовой концентрации ионов аммония основан на взаимодействии NH4+ с тетраиодомеркуратом калия в щелочной среде, переходящей в коллоидную форму. Светопоглощение раствора измеряют при X = 425 нм в кюветах с длиной поглощающего слоя 1 или 5 см. Интенсивность окраски прямо пропорциональна концентрации ионов аммония в растворе пробы;

- фосфаты определяли фотометрически по окраске восстановленной фосфорномолибденовой кислоты на фотометре КФК-3 (ПНД Ф 14.1:4.248-07 11.07.2007). Метод основан на взаимодействии ортофосфатов с молибдатом аммония в кислой среде с образованием молибдофосфорной кислоты, её восстановлением аскорбиновой кислотой с последующим фотометрическим измерением окрашенной в синий цвет восстановленной формы молибдофосфорной кислоты (молибденовой сини) при длине волны 880 - 890 нм. Определение фосфора общего проводят после предварительного гидролиза и/или минерализации всех форм фосфора до ортофосфатов. Блоксхема анализа растворенных ортофосфатов, полифосфатов и фосфора общего приведена в Приложении 1;

- содержание растворенного кислорода - йодометрическим методом (метод Винклера) (ПНД Ф 14.1 ;2.101-97). Метод основан на окислении растворенным в воде кислородом соли марганца (II) в щелочной среде до гидроксида марганца (IV), на взаимодействии последнего с йодистым калием с выделением йода и титрованием выделившегося йода раствором тиосульфата натрия. Содержание растворенного кислорода выражают в мг/дм3. Указанный метод дает возможность определить кислород при содержании его не ниже 0,2 - 0,3 мг/дм3;

- перманганатную окисляемость определяли титримитрически (ПНД Ф 14.1;2;4.154-99). Метод основан на том, что раствор перманганата калия в присутствия серной кислоты выделяет кислород, окисляющий при кипячении органические вещества. По количеству разложившегося перманганата калия вычисляют массу кислорода (в мг), расходуемого на окисление органических веществ, содержащихся в 1 дм3 воды. Реакция протекает по следующему уравнению:

2КМп04+ ЗН2804 = 50 + 2МП804 + К2804 + ЗН20.

1 мл 0,01 н раствора перманганата калия выделяет 0,08 мг кислорода

В этих условиях окисляется не все органические вещества, поэтому перманганатная окисляемость характеризует содержание только легкоокисляющихся примесей;

- ХПК определяли титриметрическим методом (РД 52.24.421-2007). Выполнение измерений основано на окисление органических веществ дихроматом калия в растворе серной кислоты при нагревании в присутствии катализатора - сульфата серебра. Избыток дихромата калия титруется (с индикатором ферроином) солью Мора и, исходя из результатов титрования, находят количество дихромата калия, израсходованного на окисление органических веществ;

- рН исследуемой воды определялось нами с помощью иономера «Эксперт 001» в системе водородного и хлорид-серебряного электродов (ПНД Ф 14.1:2:3:4.121-97);

- кислотно-нейтрализующую способность определяли титриметрически. Метод основан на титровании пробы воды стандартным раствором сильной кислоты до рН = 5,6 в присутствии индикатора метилового красного;

- общую жесткость воды определяли титриметрическии. Метод основан на титрировании анализируемой воды раствором двунатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (комплексона III, трилона Б) известной концентрации при рН 10 в присутствии индикатора эриохрома черного Т (ПНД Ф 14.1 ;2.98-97);

- общее железо в воде определяли фотометрически (ПНД Ф 14.1:2.5096). Фотометрический метод определения массовой концентрации общего железа основан на образовании сульфосалициловой кислотой или ее натриевой солью с солями железа окрашенных комплексных соединений, причем в слабокислой среде сульфосалициловая кислота реагирует только с солями железа(3+) (красное окрашивание), а в слабощелочной среде - с солями железа(2+) и (3+) (желтое окрашивание).

Оптическую плотность окрашенного комплекса для железа общего измеряют при длине волны X = 425 нм, для железа(3+), при длине волны Х = 500 нм.

- содержание АСПАВ в воде определялось экстракционно-фотометрическим методом с метиленовым синим (ПНДФ 14.1:2.15-95). Метод основан на образовании окрашенного соединения при взаимодействии анионоактивных веществ с метиленовым синим, экстрагируемого хлороформом.

Отбор проб воды проводили в соответствии с ГОСТ 17.1.5.5.04 - 81 и 17.1.05.-85.

Оценка уровня трофности производилась по содержанию в воде биогенных элементов (азота и фосфора) (Гальцова, Дмитриев, 2007). Этот подход основан на сравнении осредненных за определенный отрезок времени концентрации рассматриваемых элементов и соотнесении их с предельно допустимыми (регламентированными для различного вида водопользования) значениями (ПДК) этих соединений. Такие концентрации характеризуют критическое состояние водной экосистемы, при котором она изменяет (повышает) свой трофический уровень.

Концентрацию минерального азота определяли как сумму азота аммония, нитратов и нитритов.

Ымш = Ыын; + Ыыо/ + Ымо; , где NN1// - концентрация азота аммонийного, мг/дм ; Шо3 концентрация азота нитратов, мг/дм ; Иыо} - концентрация азота нитритов, мг/дм .

2.3.2. Методы оценки состояния экосистем по гидробиологическим показателям 2.3.2.1. Модификация индекса сапробности Пантле-Букка для водоемов Европейской России

Метод измерения сапробности Пантле-Букка и его модификации (81аёесе1с, 1973) представляют собой наиболее разработанную систему биоиндикации (Макрушин, 1989). Однако, применимость его весьма ограничена по нескольким причинам: требуется определение организмов до вида (что доступно лишь немногим специалистам); необходим сбор количественных данных (что весьма трудоемко); известные списки индикаторов включают западноевропейские виды, составляющие обычно менее трети состава сообществ Европейской России (Чертопруд, 2002, 2007).

Индекс сапрбности рассчитывается по формуле: = ЕК//БЛ где S - сапробность каждого найденного в пробе индикаторного таксона (от 0 до 4), J - его индикаторный вес (от 1 до 4). Значения его, таким образом, могут варьировать также от 0 до 4 баллов, как и у исходного индекса Пантле-Букка. Обилие организмов не учитывается, что позволяет использовать для оценки сапробности качественные данные наравне с количественными.

В табл. 2.2. представлен список таксонов - индикаторов сапробности (90 индикаторных семейств).

Сапробность каждого таксона, для удобства вычисления индекса, округлена с точностью до 0.5. Во всех случаях, кроме одного (Tubificidae) индикатором является нахождение таксона в пробе, без оценки его обилия. Представителей Tubificidae предлагается учитывать (как индикатор полисапробных условий) только при наличии их «в массе» (не менее 1 экз. на 1 см2, при этом они доминируют в сообществе по численности наряду с личинками Chironomidaé).

Значения индекса, как и у индекса Пантле-Букка в классической модификации, изменяются от 0.5 до 4.0. Сапробность около 0 баллов (от 0 до

0.5) характеризует ксеносапробные условия (1-й класс качества по

Госкомгидромету, наиболее чистые воды; на практике встречаются крайне редко, обычно высоко в горах). Сапробность около 1 балла (от 0.5 до 1.5) характеризует олигосапробные условия (2-й класс качества по

Госкомгидромету, наиболее чистые природные воды в нашем регионе).

Сапробность около 2 баллов (1.5-2.5) - мезосапробные (3-й класс качества, умеренно загрязненные воды). Сапробность около 3 баллов (2.5-3.5) а-мезосапробные (4-й класс качества, загрязненные воды), около 4 баллов

3.5-4.0) - полисапробные условия (5-й класс качества, грязные воды; это самая тяжелая степень загрязнения, при которой встречаются гидробионты), более 4 баллов - гиперсапробные условия (6-й класс качества вод по Госкомгидромету, встречается в промышленных сточных водах).

Информация о работе

Савельев, Олег Владимирович
кандидата биологических наук
Владимир, 2013
ВАК 03.02.08

Диссертация

Комплексная оценка состояния и устойчивости к эвтрофикации экосистем малых водотоков урбанизированных территорий - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы