Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Статистические методы оценки состояния водных объектов по комплексу экосистемных показателей для целей водоохраны

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Статистические методы оценки состояния водных объектов по комплексу экосистемных показателей для целей водоохраны"

На правах рукописи

ГНЕВАШЕВ МИХАИЛ ГЕОРГИЕВИЧ

РГЯ од

2 ц да 70110

СТАТИСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ПО КОМПЛЕКСУ ЭКОСИСТЕМНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ВОДООХРАНЫ ( НА ПРИМЕРЕ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ УРАЛА )

11.00.11. - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Екатеринбург 2000

Работа выполнена в отделе восстановления рек и водоемов Российского научно-исследовательского института комплексного использования и охраны водных ресурсов (г. Екатеринбург).

Научные руководители:

доктор технических наук Попов А.Н.

доктор географических наук Дальков М.П.

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор Яндыганов Я.Я.

доктор биологических наук Кряжимский Ф.В.

Ведущая организация:

Комитет природных ресурсов по Свердловской области

Защита состоится 12 апреля 2000г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 099.01.01 в Российском научно-исследовательском институте комплексного использования и охраны водных ресурсов (РосНИИВХ) по адресу: 620049, Екатеринбург, ул. Мира, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РосНИИВХ по адресу: 620049, г. Екатеринбург, ул. Мира, 23.

Автореферат разослан 10 марта 2000г.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620049, г. Екатеринбург, ул. Мира, 23, РосНИИВХ.

Ученый секретарь ^ ^

диссертационного совета

Д 099.01.01

Ю.С. Рыбаков

¿¿V (¿Рзе)г2, о <0 222,г, О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Современный подход к оценке и нормированию качества поверхностных вод основан на экоснстемном подходе, рассматривающем водный объект как сложную экосистему, характеризующуюся многими биотическими и абиотическими параметрами. Качество воды при этом описывается большим числом показателей, обладающих множественной качественной и количественной изменчивостью и имеющих значительное варьирование. Такая сложность породила большое разнообразие используемых показателей качества воды и эмпирических методов оценки. Многообразие их трудно использовать в практической водоохранной деятельности, поэтому актуальной является задача ограничения их количества на основе эко-системного подхода.

Существующая практика оценки качества воды основана на использовании предельно допустимых концентраций (ПДК) или на отнесении воды к тому или иному классу классификационной системы. Такие оценки строятся независимо друг от друга, хотя применяются в анализе одних и тех же вод, поэтому также актуален вопрос о их взаимном соотношении и возможности совмещения. Водные объекты в ГОСТ 19179 - 73 определены как большие, средние и малые реки, озера, водохранилища, болота, качество воды в которых формируется в соответствии с характерными для них закономерностями. Эти закономерности имеют региональные особенности, поэтому актуальна задача оценки качества воды водных объектов по конкретным ингредиентам и интегральным экосистемным показателям для выявления региональных закономерностей формирования количественных и качественных показателей стока, а также определения региональных эталонных объектов. При характеристике биоты водного объекта применяются разнообразные эвристические показатели видового состава, видового богатства, представленности видов, причем они обычно не позволяют оценивать варьирование и степень достоверности сделанных выводов о сходстве - несходстве экосистем. Поэтому актуаль-

ной является разработка статистического метода оценки сходства - несходства видовых списков.

Целью работы является разработка статистических методов оценки состояния водных объектов по комплексу экосистемных показателей для целей водоохраны.

Задачи исследования:

- разработка статистического интегрального показателя качества воды (ИПКВ) на основе классификации вод по физико-химическим и биологическим показателям, а также балловой оценки загрязнения воды (БОЗ), как показателей нагрузки на экосистему и ее отклика;

- разработка статистического метода сравнения и классификации малых рек по показателям водного и химического стока при малых выборках для оценки хозяйственной деятельности на водосборе, а также оценки стока загрязняющих веществ и приходной составляющей их баланса в водохранилищах;

- разработка статистическогЬ метода сравнения водных, околоводных и наземных экосистем по составу биоты;

г) апробация и применение разработанных показателей и методов к конкретным водным объектам Уральского региона. Научная новизна:

• впервые на основе статистических методов, экологической классификации качества воды и ПДК-перечня разработан метод оценки качества воды по комплексу биотических и абиотических факторов;

• впервые на основе статистических методов разработан метод сравнения экосистем по видовому богатству, составу, представленности видов.

Практическое значение:

• на основе разработанных методов дана оценка состояния ряда водных объектов Урала, в том числе отдельных их участков.;

• определен набор видов хозяйственной деятельности на малых водосборах, не приводящих к истощению и загрязнению водных ресурсов;

• по данным фактических наблюдений рассчитана приходная составляющая баланса азота и фосфора в водохранилищах;

• выявлены региональные эталонные водные объекты.

На защиту выносятся:

1. Методы и показатели оценки качества водных экосистем по комплексу биотических и абиотических факторов как по отдельности, так и в совокупности:

■ метод определения качества воды по интегральному показателю качества

воды (ИПКВ) и балловая оценка загрязнения воды (БОЗ); 0 метод сравнения и группировки малых рек по показателям стока при малых выборках;

В метод статистической оценки стока азота и фосфора и приходной составляющей их баланса в водохранилищах.

2. Результаты применения статистического подхода к оценке качества воды по комплексу биотических и абиотических факторов.

3. Статистический метод оценки сходства экосистем по видовому богатству, составу, представленности видов растений и животных.

Апробация работа;

Результаты работы доложены на четырех ежегодных молодежных научно-практических конференциях в Институте экологии растений и животных УНД АН СССР в 1980 - 1987 г.г., на заседании проблемного совета "Гидрология" Валдайского филиала ГГИ в 1989г., на Всесоюзной конференции "Методология экологического нормирования" в г. Харькове в 1990 г., на XXIX Всесоюзном гидрохимическом совещании "Состояние и перспективы развития методологических основ химического и биологического мониторинга поверхностных вод суши" в г. Ростове-на-Дону в 1987 г., на международной конференции "Экологическая безопасность на пороге XXI века", в г. С,-

Петербурге, в 1999 г., на VI горно-геологическом форуме "Природные ресурсы стран СНГ", в г. С.-Петербурге, 1998 г.

Объем и структура диссертации- Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Материал изложен на 138 страницах, включая 9 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 103 наименований. По материалам работы опубликовано: 15 научных работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Выбор объектов исследования. Современное состояние оценки и нормирования качества поверхностных водоисточников

При системном решении теоретических и практических задач охраны природы часто требуется рассматривать комплексную, структурно-функциональную биохорологическую единицу. Поэтому предлагается комплексный принцип: выделяемая экосистема должна обладать максимальным разнообразием абиотических и биотических факторов при минимальной площади и выраженным системообразующим градиентом. В гумидных зонах определяющим фактором является градиент увлажнения, изменяющийся обыч-нопри изменении высотных отметок от минимума на водоразделе до максимума в русле реки или озере. Такая амплитуда наблюдается уже в пределах водосбора малой реки, следовательно, водосбор малой реки (озера) отвечает предложенному выше комплексному принципу.

Каждый малый водосбор как единичная биохорологическая система имеет следующие свойства: а) - объективно определяемые границы поверхностного стока; б) - имеет единый системообразующий фактор - сток, (водный, растворённый, твёрдый, биологический, тепловой и т.д.); в) - часто включает все или многие разнокачественные экоэлементы, характерные для зоны (подзоны) - разнообразные почвы, поверхностные и грунтовые воды, суходольные, околоводные, водные сообщества растений и животных; г) - за состоянием

экосистемы водосбора можно следить по количеству и качеству поверхностных вод и составу биоты. Оценка и нормирование качества воды ведется во многих странах мира, в том числе в бывшем СССР с 30-х годов. Накоплен большой опыт санитарно-гигиенического и рыбохозяйственного нормирования на основе ПДК. Другой подход к нормированию качества воды, пока не нашедший отражения в нормативных документах, связан с разделением реально существующих вод на несколько классов по присутствию многих ингредиентов. К такому подходу можно отнести классификации В.И. Жукинско-го (1983), Л.П. Брагинского (1985). Существуют международные классификации качества воды, например: стран-членов СЭВ, стран, входящих в ЕЭК ООН. Указанные классификации являются объективными экспертными оценками физических, химических и биологических показателей для поддержания экологического благополучия водных объектов. Оценка качества воды всегда даётся в какой -то системе отсчёта. Обычным является отсчёт в непосредственно определяемых абсолютных показателях наличия ингредиентов - их концентрациях, но существуют и иные системы отсчета. Например, классификация качества воды - это отнесение ее к какому-то классу или присвоение балла в рамках установленной системы классификации. Поскольку не все концентрации приемлемы для того или иного вида водопользования, в водохозяйственной практике стали нормировать качество воды путем установления допустимых концентраций. В широких пределах концентрация ингредиентов не влияла на условия водопользования, поэтому в практических задачах водопользования пришли к простой системе нормирования: С;< нормы, ^ > нормы и оценка качества воды давалась по принципу "можно использовать - нельзя использовать" в тех или иных целях. Хотя такое нормирование можно считать антропоцентрическим, оно всегда велось с целью защиты от неблагоприятных последствий водохозяйственной деятельности какого-либо компонента экосистемы водосборного бассейна - почв, растений, животных, человека, поэтому можно считать, что элементы экологического нормирования присутствуют

уже при таком простом подходе. Любое нормирование (установление граничных концентраций) автоматически означает классификацию вод: если установлена одна граница, то получают два класса, две границы - три класса и т.д., поэтому оценка, классификация и нормирование качества вод - это взаимосвязанные элементы одного процедуры.

Исторически сложилось так, что вначале пришли к санитарно-гигиеническому нормированию путем установления предельно допустимых концентраций для питьевого водопользования (ПДКВ.). В дальнейшем эту систему распространили для рыбохозяйственного водопользования (ПДК в Р), изучая зависимости "доза - эффект" на модельных объектах (радужная форель, дафния магна и др.), а также закономерности накопления стойких загрязнителей в пищевых цепях ( Беспамятнов, Кротов (1985). Однако с экоси-стемных позиций такая система нормирования обладает рядом недостатков: ПДК ВР установлены на модельных объектах, в то время как естественные экосистемы обладают большим видовым богатством; ПДК в Р установлены в модельных физических условиях/хотя физические условия функционирования естественных экосистем имеют закономерную временную динамику и случайные отклонения от нее; ПДК в_р_ не учитывают комплексного влияния многих химических и физических факторов, действующих одновременно.

Поскольку в натурных условиях концентрации ингредиентов в поверхностных водах широко варьируют, установление одной граничной концентрации (ПДК) мало что дает для оценки качества воды, поэтому в дальнейшем перешли к более дробным классификациям, разбивая шкалу концентрации того или иного ингредиента на 5-11 классов (подклассов), например как в классификации В.Д. Романенко и др. (1990) . При этом появилась возможность в классификатор вводить не только химические показатели, для которых разработаны ПДК, но и физические и гидробиологические показатели. Соотношение между ПДК-системой нормирования и классификационными системами состоит в их взаимном дополнении: для показателей, не нормированных пе-

речнем ПДК, может применяться классификационная система; для показателей, нормированных перечнем ПДК, но не отраженных в классификационной системе может применяться ПДК-перечень.

Структура классификационной системы определяется конкретными задачами и число классов определяется исходя из опыта, или на основании экспертных оценок, как в классификации стран-членов СЭВ, или на основании какого-либо эмпирического правила. Так, И.В. Гриб и др. (1991) разработали экологическую классификацию качества воды по правилу "золотого сечения", а именно, когда соотношение показателей между классами примерно соответствует числам Фибоначчи: 1, 2, 3, 5, 8. Для ингредиентов, не отраженных в классификационных системах, но для которых установлены ПДК, р, предлагается составить систему классификации по тому же правилу "золотого сечения": считать ПДК0 р за единицу, тогда пять классов классификационной системы будут выглядеть следующим образом: С< 1ПДК - I класс; 1-2 ПДК - II класс; 2-3 ПДК - III класс; 3-5 ПДК - IV класс; 5-8 ПДК - V класс; С> 8 ПДК -VI класс.

Результатом применения классификационных систем является отнесение воды к тому или иному классу по наихудшему из показателей, но остается открытым вопрос о том, как учитывать неблагоприятное экологическое значение всего комплекса загрязняющих веществ, одновременно присутствующих в воде. Очевидно, что вода, имеющая большее число ингредиентов на уровне более высокого класса, более загрязнена. Это вопрос о свертывании многомерной гидрохимической информации и приведении ее к меньшему числу измерений, в идеале к одномерной величине. Методы свертывания гидрохимической информации разрабатывались и ранее на основе установленных ПДК. Они обладают такими же недостатками, что и сами ПДК, поскольку вся оценка качества воды строится на ограниченном объеме информации и не учитывает статистического характера материала.

В качестве общего методического требования к интегральному показателю качества воды предлагается установить требование его статистичности, поскольку анализу подвергаются случайные величины (события). Показатель должен иметь статистический смысл, учитывать статистические закономерности процессов загрязнения и очистки воды. Одной из таких закономерностей является широкое варьирование концентраций в разных пробах, связанное с неравномерностью поступления ингредиентов, разбавлением, деструкцией и многими другими причинами. В гидрохимических рядах часто не выявляется закон нормального распределения. В таких случаях необходимо переходить к свободным от распределения непараметрическим статистикам - знакам, баллам, рангам (H.A. Гавришова 1981). Поскольку они являются безразмерными величинами, то дают возможности для свертывания многомерной информации. Поэтому предлагается иной путь свертывания многомерной гидрохимической информации - оценка загрязнения в безразмерных непараметрических показателях - баллах, причем каждому классу качества воды ставится в соответствие то или иное число оценочных баллов.

Если используется классификация, разработанная на основе экологической информации, то эта информация автоматически будет включена в оценку качества воды и "степень экологичности" такой оценки целиком определяется "экологичностью" принятой системы классификации. Такой способ оценки общего загрязнения воды соответствует статистическому характеру обрабатываемого материала и позволяет оценить достоверность выводов, используя адекватные материалу непараметрические статистики.

2. Разработка методики определения состояния водных объектов по комплексу абиотических факторов

Приводится вариант интегрального показателя качества воды (ИПКВ), основанный на "Единых критериях качества воды стран - членов

СЭВ" (1982). Новый показатель допускает статистическую интерпретацию и позволяет оценить достоверность сделанных выводов.

Для интегральной оценки качества воды предлагается применять непараметрический показатель, выражающийся в баллах. Оценка в одной пробе представляется как сумма классов по всем показателям качества:

ИПКВ = е,Х К f.i., где Kf.i.- фактический класс воды по i-му показателю, i -изменяется от 1 до g, g - число исследованных показателей.

В нескольких пробах и (или) створах ИПКВ также определяется суммированием: ИПКВ = ,82 I12 ,mZ Kf.i., суммирование баллов ведется по g -показателям качества, 1 - створам, ш - числу проб в створе.

ИПКВ представляет собой число фактических баллов, поэтому можно определить долю (относительную частоту) Р, которую составляет ИПКВ от общего возможного числа элементарных случайных событий. Нужно учесть, что при анализе одной водной пробы ставится эксперимент по обнаружению 6*g баллов загрязнения - общего возможного числа случайных событий при использовании классификатора СЭВ (при использовании других классификаций множитель 6 может быть другим, если установлено другое число классов). Вт- пробах одного створа и 1 - створах эта величина составляет 6*g*l*m, тогда ИПКВ/ 6g*l*m., где Р - доля от общего возможного числа элементарных случайных событий. Остальные обозначения те же. Ошибка доли определяется обычным способом: Sp=Vp*(l-P)/6*g*l*m, где Sp - ошибка доли. Границы доверительного интервала доли загрязнения Pmin и Ртах : Pmin (max)=P±t3Mn.*Sp, где t,Mn.- критерий Стыодента для выбранного уровня значимости и имеющегося числа степеней свободы n=g*l*m. Далее, верхняя и нижняя границы доли пересчитываются в абсолютные величины ИПКВ: ИПКВ min (max)=6*g*l*m*Pmin (max), или, в расчете на одну пробу, после деления на 1, т, по формуле: ИПКВ min(max)=6*g*Pmin(max).

При малых и больших долях Р < 0,25 и Р > 0,75 рекомендуется применять ф-преобразование Фишера: ф=2агсзт/р. Ошибка угла <р:8ф=1/л/й. Границы доверительного интервала: ф=ф±1эм„ ,*8ф. Далее следует обратный пересчет к Р: Р=зт2 (ф /2) и ИПКВ: ИПКВ тш(тах) = 6*£*1*т *Р тт(тах) или в расчете на одну пробу, ИПКВ тт(тах) = 6*£*Ртт (шах).

Можно сравнить качество воды в любых двух створах (наборах створов) за произвольный период времени. Алгоритм сравнения с применением ^-преобразования Фишера: ^[ф (Р,)-ф(Р2)]*^П!*п2(п1+п2)>ета6л.; ^ определяется для к=п,+п2-2 степеней свободы, при этом п^*т,*1„ п2=£*т,*12. Наборы анализируемых показателей должны совпадать.

Если установлены региональные (бассейновые) нормативы качества воды в виде установленных классов качества (Куст |), то можно определить величины: ИПКВуст=1,8 *Е,га*Ку(:т.1 и Руст..=ИПКВуст./6*ё+1*ш. Общее загрязнение воды относительно установленных нормативов может быть выражено величиной: БОЗ=£,8]£1Т1т(Кф1. - К^О, где БОЗ - балловая оценка загрязнения воды. При Кф I < КуС1л, ингредиент в данной пробе в характеристику загрязнённости воды не включается. Статистический анализ БОЗ выполняется аналогично ИПКВ.

3. Методика сравнения и группировки малых рек ло показателям стока при малых выборках

Для оценки водного и химического стока малых рек предложена стати-

стическая модификация метода бассейнов-аналогов. Суть модификации состоит в том, что первоначально все малые реки региона (бассейна) считаются аналогами. Далее проводятся гидрологические и гидрохимические наблюде-

ния и реки классифицируются с помощью непараметрического показателя -

модифицированного критерия знаков. Суть модификации состоит в том, что

вычисляют долю и сравнивают ее с генеральной Р"=0,5, кото-

рая должна наблюдаться при отсутствии различий между реками, при помощи I-критерия после преобразования долей Р ; в углы (р по методу Фишера: Ф = 2 агсБт V р.. Анализ проводится по алгоритму:

1э=[ф(Р !)-(Р(0,5)]*^(2++2 )>11а6л.1ак, к - число степеней свободы: 1.

Предлагаемый критерий имеет большую разрешающую способность чем обычный критерий знаков поскольку после нормализующего преобразования Фишера применятся более мощный критерий Стьюдента. Если для получения достоверных различий на 5%-ном уровне значимости по обычному Ъ-критерию требуется не менее шести пар наблюдений, то при анализе с помощью модифицированного срг-метода требуется четыре пары. При анализе трех пар наблюдений может быть достигнут уровень значимости различий 12,3%. Реки, в какой-либо маловодный или многоводный период имеющие не различающиеся по (рг-критерию модули стока, относили в одну граппу рек-аналогов. Внутри групп получали более нагруженные оценки модуля стока.

Снижение числа необходимых для анализа наблюдений имеет важное значение при анализе кратковременных маловодных и многоводных периодов, когда получить большое число наблюдений практически невозможно. Оно позволяет также разбить весь период наблюдений на более мелкие отрезки и тем самым детализировать извлекаемую информацию и модели формирования стока.

Получены оценки водного и химического стока для малых рек в окрестностях г. Екатеринбурга. Разработаны модели формирования стока в зависимости от лесистости и видов хозяйственной деятельности на водосборе.

При малых выборках возможно получить адекватные оценки некоторых показателей водного стока малых рек и оценить степень их загрязнения по показателю БОЗ, используя разработанную статистическую модификацию метода бассейнов-аналогов. Наилучшее качество воды по показателю БОЗ наблюдается в малых реках южно - -таежной подзоны (при модулях водного стока 2,5 - 8 л/(сек*км2). Наиболее низкое значение БОЗ наблюдается в группе рек

при отсутствии гидромелиоративного вмешательства с долей лесной площади более 50% (2,44<3,26<3,96). Таким образом, все малые реки в той или иной степени загрязнены не менее чем на 2,5 балла БОЗ. Наиболее высокое значение БОЗ наблюдается в группе рек с осушением водосборной площади (4,97<6,26<7,69), что, по-видимому, связано с избыточным сверхнормативным осушением. Существует обратная линейная зависимость между показателем БОЗ и долей лесной площади на водосборе в группе рек с гидромелиоративным вмешательством (осушение, орошение, пруды, присутствующие одновременно). Сток при отсутствии водохозяйственно-мелиоративной деятельности линейно возрастает при увеличении лесной площади от 5 до 100%. Осушение снижает модуль водного стока в конце зимней межени даже при создании дополнительных влагозапасов на водосборе за счет прудов и орошения, а также исключает влияние на водность лесистости водосбора. По минимальным значениям модуля стока летне - осенней межени малые реки - левые притоки р. Исети распределились на четыре класса, на уровне значимости 5% раз-

<

личающиеся друг от друга. Таким образом, как по качественным, так и по количественным показателям стока оптимальными для региона следует считать водосборы с долей лесной площади более 50% при отсутствии осушения. Наличие прудов и орошаемых площадей не уменьшает минимальный сток.

4. Методика оценки приходной составляющей баланса ингредиентов в водохранилищах на примере азота и фосфора. Взаимосвязь нагрузки на экосистему и ее отклика

Помимо изложенных в предыдущем разделе результатов гидролого-гидрохимические данные о малых реках позволяют оценить сток загрязняющих веществ к разным створам средней реки, в том числе фактическое их поступление в водохранилища. Методика и апробация таких расчетов приведены на примере Верхне-Макаровского и Волчихинского водохранилищ. Строили регрессионные зависимости стока азота и фосфора от расхода реки в

тог или иной момент наблюдения. Величины , полученные из соответствующей регрессионной модели, в дальнейшем использовали для расчета выноса загрязняющих веществ для каждого года и месяца в соответствии с внутриго-довым распределением стока. Использовали достоверные на 95% уровне значимости модели с F-отношением 4,0 и выше. Анализ результатов показал, что основным потоком, с которым в верхний бьеф Верхне-Макаровского водохранилища поступают загрязняющие вещества (азот и фосфор), является р.Чусовая с притоками - pp. Северушкой, Раскуишкой, Красногоркой, Курган-кой. Из них наиболее загрязнены р. Чусовая и р. Северушка.

Полученные значения выноса фосфора и азота, позволяют проанализировать малые реки по этим показателям, располагая их в порядке возрастания. Всего проанализированы 22 реки. Установлено, что размах варьирования показателя стока фосфора составляет 0.0000571-0,00459 г/сек*км2, то есть около двух порядков. Оказалось, что возрастание модуля стока фосфора в анализируемой группе малых рек не линейно. Визуальный анализ показывает, что в начале кривой у четырех рек наблюдается возрастание показателя стока фосфора от 0,0000571 до 0.000255 г/сек*км2. Далее у 14 рек идет примерно постоянный уровень, при котором происходит возрастание от 0,000298 до 0,000864 г/сек*км2, и далее, в третьей группе из трех рек, происходит возрастание показателя стока фосфора от 0,001399 до 0,004590 г/сек*км2. Четыре реки первой группы в порядке возрастания это p.p. Круглая, Ревда ( в створе п. Краснояр), Ельчевка, Далека. Из них p.p. Круглая, Ревда, Далека являются притоками Но-во-Мариинского, а р. Ельчевка - Волчихинского водохранилищ, причем водосборные площади первых трех рек практически не подвержены хозяйственной деятельности и залесенность их близка к 100% при отсутствии болот. Водосбор р. Ельчевки, напротив, имеет значительную антропогенную нагрузку, кроме того, сама река принимает хозбьгговые сточные воды г. Дегтярска, а также шахтные воды. Казалось бы, река с такой антропогенной нагрузкой не может иметь низкий показатель стока иона фосфора, но ниже по течению соз-

дан большой и глубокий Ельчевский пруд-отстойник, который успешно acci милирует поступающие загрязнения. Получены фактические значения вынос общего азота и фосфора к разным створам в бассейне р.Чусовой. Из двадцат двух изученных створов малых рек наименьшие показатели стока азота фосфора имеют p.p. Ревда (в створе п. Краснояр) и Круглая, поэтому они мс гут быть выбраны в качестве эталонов для бассейна р. Чусовой. Существующие системы классификации, построенные для разных целей, ж пользуют разные наборы показателей. Так, в эколого-санитарной классифик: ции используются три гидрофизических, восемь гидрохимических, пять гш робиологических, три бактериологических показателя, а также индекс сапро( ности. В классификации стран-членов СЭВ для проточных вод учитываютс семнадцать общефизических показателей и показателей по неорганически веществам, шесть общих показателей по органическим веществам, шести; дцать показателей неорганических веществ, три показателя органически промышленных загрязняющих веществ, четыре биологических показател) показатели и нормативы качества' непроточных вод включают одиннадцат показателей. Показатели, используемые в той и другой классификации, совш дают лишь частично.

Зарегулировакность многих малых и средних рек водохранилищами с( зонного и многолетнего регулирования определяет проточный на речных уч: стках и малопроточный гидрологический режим на участках водохранилии На нижележащих по течению после водохранилищ участках рек гидрохнч» ческий и гидробиологический режимы в значительной степени определяете внутриводоемными процессами расположенных выше по течению водоемо] то есть в целом для реки значение имеют и показатели проточных и непрото1 ных вод, поэтому все они должны быть включены в состав анализируемы показателей. Поэтому классификации стран-членов СЭВ и эколого-санитарнг совмещены в единую классификацию для более полного описания качестЕ воды, причем использованы все показатели качества как для проточных, так

для ненроточных вод. Все показатели двух классификаций разделены на две группы, а именно, биологические и физико-химические. В первую группу отнесены биомасса фитопланктона, фитомасса нитчатых водорослей, валовая продукция фитопланктона, индекс самоочищения, индекс сапробности, концентрация хлорофилла "а". Во вторую группу отнесены все другие показатели гагрязнения, учтенные в двух классификациях. Такое разделение позволяет определить соотношение между биологическими и физико-химическими по-сазателями качества воды. Баллы физико-химического и биологического за-■рязнений в данном случае равнозначны, так как они соответствуют одной и гой же системе классификации. В результате анализа 10-ти водоемов установлю: 1. Все исследованные водоемы в той или иной степени загрязнены по юказателю БОЗ, но степень их загрязнения существенно различна. 2. Физико-симическое и биологическое загрязнения взаимосвязаны с высоким значением шпроксимации. 3. По физико-химическому и биологическому загрязнениям шследованные водоемы могут быть классифицированы в три группы. Группу : наименьшим загрязнением по показателю БОЗ можно считать региональным >риентиром при нормировании качества воды. Это озеро Таватуй и Ново-Иариинское водохранилище.

5. Методика статистического сравнения водных, околоводных и суходольных экосистем по составу растений и

животных

В экологических исследованиях сравнение сообществ по составу расте-гай и животных часто осуществляется путем математического описания их :ходства и (или) различия для последующего распознания и классификации кластеризации). Существующие способы математического сравнения основа-ш на частных, эмпирических закономерностях распределения растений и жи-ютных в пространстве, на интуитивных предположениях о факторах измен-швости сообществ, которые справедливы не всегда. Использование для систематизации сообществ всех существующих эвристических показателей их

взаимного соответствия, таких как коэффициенты подобия, сходства, различия, меры включения, расстояния, индексы подобия и других показателей, выбираемых по произволу, нерационально потому, что приводит к несопоставимости разных исследований по применяемому математическому аппарату при полной сопоставимости первичного материала. Поэтому существует задача выбора единых показателей, чтобы сравнение любой пары сообществ по составу разными исследователями приводило бы к совпадающим или достаточно близким оценкам сходства и (или) различия, как это бывает, например, при сравнении тех же сообществ по количественным признакам с использованием наилучших (в статистическом смысле) оценок. Специфика списков как формы представления биологической информации заключается в том, что биологическая переменная - вид не имеет численного выражения, а выборочные совокупности - биохорологические объекты и полученные на них видовые списки имеют множественную качественную изменчивость. Статистический подход, адекватный применяемому при составлении списков выборочному методу, позволяет разрешить существующие противоречия с помощью постановки задачи в общепринятых статистических понятиях. Списки рассматриваются как множества элементарных случайных событий. Коэффициенты сходства и несходства конструируются как наилучшие в статистическом смысле оценки вероятностей событий на списках, аналогично выборочным долям. Число видов в списках определяет объем выборки и степени свободы -величины, которые не могут быть произвольно изменены или вообще исключены из рассмотрения по желанию исследователя. Такие ограничения значительно сужают разнообразие коэффициентов сходства и несходства, поскольку такими свойствами обладают только коэффициенты совпадающие по форме с относительными частотами (долями) совпадающих и не совпадающих видов. Статистический подход, являясь достаточно разработанным математическим средством определяет необходимость, предпочтительность, использования только некоторых коэффициентов, обладающих набором необходимых

•.татистических свойств. Достигается возможность использования обычных юказателей варьирования долей - дисперсии и доверительного интервала, а акже мощных критериев I и И, как критериев достоверности для сходства и [есходства списков. Объективная особенность видовых списков, как способа [редставления информации, состоящая в том, что списки могут иметь одина-овое и разное число видов, то есть быть сходными и несходными по видово-1у богатству, не учитывающаяся при "нестатистических" характеристиках ходства, находит отражение в существовании собственного статистического оказателя. Предлагаемая методика сравнения списков получена при одном редположении: обнаружение растения или животного того или иного вида на аданном участке растительного покрова или в пробе можно рассматривать ак элементарное случайное событие. Остальные выкладки - это результат риложения стандартных моделей и методов статистического подхода.

Статистический подход адекватен объекту - изменчивому растительно-[у покрову и выборочному методу исследования, поэтому, как следует из риведенных примеров, он обладает большей разрешающей способностью, ем любой из известных. Кроме того, применяемые оценки в отличие от про-звольно выбираемых показателей имеют очевидный (вероятностный) физи-еский смысл, что облегчает восприятие и интерпретацию результатов срав-ения. Статистические коэффициенты сходства оценивают вероятность сов-адения списков, а коэффициенты несходства - вероятность их несовпадения; ругие коэффициенты сходства являются абстрактными мерами и не допус-ают простой физической интерпретации. В результате проведенного анализа становлено следующее. 1. При сравнении видовых списков должно оцени-аться варьирование показателей сходства-несходства, так как анализу подергаются случайные величины. 2. Применение статистического подхода на-агает ограничения на разнообразие коэффициентов сходства и несходства: аилучшими оценками для степени сходства простых видовых списков является коэффициенты Симпсона и Браун-Бланке, как индивидуальные показа-

тели сходства каждого списка с другим, а также коэффициент Чекановского Съеренсена как интегральный (усредненный) показатель сходства двух спи сков. Дополнительные к ним коэффициенты - есть наилучшие оценки степеш несходства (различия). Для сравнения нагруженных видовых списков используются аналоги этих коэффициентов. 3. Важной самостоятельной статистической оценкой является сходство и несходство списков по видовому богатству 4. Статистический анализ сходства-несходства списков часто позволяет извлечь дополнительную информацию, так как обладает большей разрешающей способностью, определенностью и наглядностью по сравнению с традиционными, что связано с переходом к стандартной физико-математической величине - вероятности и ее наилучшим оценкам вместо разнообразных абстрактных мер.

ВЫВОДЫ

1. Многомерность оценки качества воды приводит к необходимости использования интегральных показателей. На основе экологической классификации качества воды и статистического подхода разработаны и апробированы интегральный показатель качества воды (ИПКВ) и на его основе балловая оценка загрязнения воды (БОЗ) как показатели нагрузки на экосистему и ее отклика.

2. Разработан и апробирован метод сравнения и группировки малых рек по показателям стока при малых выборках для изучения и определения бассейнов -аналогов. По фактическим данным.

3. Разработан и апробирован метод статистической оценки ингредиентов и приходной составляющей их баланса в водохранилищах.

4. Разработан и апробирован статистически строгий метод оценки сходства- несходства экосистем по видовому богатству, видовому составу, представленности видов растений и животных.

5. На основе разработанных методов определены оптимальная лесистость и набор видов водохозяйственной деятельности на малых водосборах

юдзон южной гайгн и предлесостепи Уральского региона, не приводящие к 1Стощению и загрязнению водных ресурсов; ранжированы десять водоемов Среднего Урала по показателям нагрузки на экосистему и ее отклика; получе-!Ы оценки приходной составляющей баланса азота и фосфора в Волчихин-:ком и Верхне-Макаровском водохранилищах; среди малых рек выбраны эта-юнные для региона объекты.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Вероятностный метод оценки сходства - различия видовых списков // "езисы докладов областной научно-практической конференции молодых уче-ых и специалистов "Экология, человек и проблема охраны природы" -Свердловск, 1983 - С. 40-41.

2. К методике анализа сходства - различия в палеонтологии и биострати-рафии // Информационные материалы. Ежегодник 1982 , АН СССР УНЦ Ин-титут геологии и геохимии. - Свердловск, 1983 - С. 21 .(Соавтор: Амон Э.О.).

3. Статистический метод сравнения видового состава сообществ // Тези-ы докладов областной конференции молодых ученых и специалистов Научные основы охраны природы Урала и проблемы экологического мони-оринга в соответствии с решениями XXVI съезда КПСС" - Свердловск, 1985. С.11.

4. Статистический метод оценки сходства сообществ // Материалы Все-оюзной конференции "Методология экологического нормирования" - Харь-ов, 1990.-С.29.

5. Формирование химического и гидробиологического состава вод Вол-ихинского и Верхне-Макаравского водохранилищ // Охрана природных вод оссии - Екатеринбург, 1992. - С.155 - 175. (Соавторы: Браяловская В.Л., Бер-ышева Г.В., Попов А.Н.).

6. Природное и антропогенное загрязнение тяжелыми металлами pei Миасс // Тезисы докладов 2-й областной конференции молодых учень "Проблемы рационального водопользования Урала" - Свердловск, 1989. - < 25. (Соавторы: Федоров Ю.С., Атнашев В.Б.)

7. Методические рекомендации по народнохозяйственной оценке боле

- Свердловск, 1987. - 39 С. (Соавторы: Гусев В.П., Федоров Ю.С. Калачихш Т.Е.)

8. Гневашев М.Г. К методике мониторинга БГЦ - покрова II Тезисы до] ладов областной молодежной научно - практической конференци "Экологические системы Урала: изучение, охрана, эксплуатация" - Свер; ловск, 1987.-С. 15.

9. Народнохозяйственная оценка болот и их охрана в пределах Свер; ловско-Челябинской ОВХС // Тезисы докладов Всесоюзного совещани "Совершенствование системы управления и контроля использования и oxpi ной вод в СССР на базе объединенных региональных ВХС" - Свердлове] 1987 - С. 160. (Соавтор: Федоров К5.С.).

■-, . х 10. Методика мониторинга малых рек ОВХС II Тезисы докладов Всесс юзного совещания "Совершенствование системы управления и контроля и< пользованием и охраной вод СССР на базе объединенных региональных ВХС

- Свердловск, 1987. - С.78. (Соавтор: Гусев В.П.).

11.0 гидролого-гидрохимическом мониторинге малых рек на Средне] Урале // Тезисы докладов XXIX Всесоюзного гидрохимического совещания. Ростов-на-Дону, 1987. - Т. 1. - С. 33. (Соавтор Абрамова Т.А.).

12. Определение комплексного целевого показателя поэтапного досят жения экологически приемлемого качества воды // Тезисы докладов междунг родной конференции "Экологическая безопасность на пороге XXI века", - С Петербург, 1999. - С. 146. (Соавтор Попов А.Н.).

13. Интегральный показатель качества воды II Тезисы докладов VI горно-геологического форума "Природные ресурсы стран СНГ", - С.Петербург, 1998.-221 с.

14. Гневашев М.Г., Попов А.Н. Комплексный целевой показатель эколо-чески приемлемого качества воды // Водное хозяйство России, 1999, т. 1, № ■ с. 275-285.

15. Гневашев М.Г. Статистическое сравнение водных, околоводных и земных сообществ по видовому составу // Проблемы региональной эколо-и. Специальный выпуск, 1999 - С. 5-17

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Гневашев, Михаил Георгиевич

ВВЕДЕНИЕ

1. ВЫБОР ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ. 11 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ОЦЕНКИ И НОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДОИСТОЧНИКОВ

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СО- 28 СТОЯНИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ПО КОМПЛЕКСУ АБИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ОСНОВЕ СТАТИСТИЧЕСКОГО ПОДХОДА

2.1. ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ КАЧЕСТВА 28 ВОДЫ И БАЛЛОВАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДЫ

2.2 ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ РЕКИ МИАСС ПО 34 ПОКАЗАТЕЛЮ БАЛЛОВОЙ ОЦЕНКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ (БОЗ)

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СРАВНЕНИЯ И ГРУП- 38 ПИРОВКИ МАЛЫХ РЕК ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ СТОКА ПРИ МАЛЫХ ВЫБОРКАХ

3.1. МЕТОДИЧЕСКИЙ ПОДХОД

3.2. СТАТИСТИЧЕСКОЕ СРАВНЕНИЕ И ОЦЕНКА 41 ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВОДНОГО СТОКА ПРИ МАЛЫХ ВЫБОРКАХ

3.3. АПРОБАЦИЯ МЕТОДИКИ СРАВНЕНИЯ И 43 ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВОДНОГО И ХИМИЧЕСКОГО СТОКА НА ПРИМЕРЕ МАЛЫХ РЕК СРЕДНЕГО УРАЛА

3.4. СТАТИСТИЧЕСКОЕ СРАВНЕНИЕ И ОЦЕНКА 43 ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ВОДЫ МАЛЫХ РЕК

4. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ПРИХОДНОЙ СОСТАВ- 60 ЛЯЮЩЕЙ БАЛАНСА ИНГРЕДИЕНТОВ В ВОДОХРАНИЛИЩА НА ПРИМЕРЕ АЗОТА И ФОСФОРА. ВЗАИМОСВЯЗЬ НАГРУЗКИ НА ЭКОСИСТЕМУ ВОДОЕМА И ЕЕ ОТКЛИКА

4.1. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СТАТИСТИЧЕСКОЙ 60 ОЦЕНКИ СТОКА АЗОТА И ФОСФОРА И ПРИХОДНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ИХ БАЛАНСА В ВОДОХРАНИЛИЩАХ

4.2. ОЦЕНКА ВЗАИМОСВЯЗИ НАГРУЗКИ НА ЭКО- 71 СИСТЕМУ ВОДОЕМА И ЕЕ ОТКЛИКА, ВЫБОР РЕГИОНАЛЬНОГО ЭТАЛОННОГО ВОДОЕМА

5. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СТАТИСТИЧЕСКОГО 78 СРАВНЕНИЯ ВОДНЫХ, ОКОЛОВОДНЫХ И СУХОДОЛЬНЫХ ЭКОСИСТЕМ ПО СОСТАВУ РАСТЕНИЙ И ЖИВОТНЫХ

5.1. СРАВНЕНИЕ ВИДОВЫХ СПИСКОВ, ВЫПОЛ- 83 НЕННЫХ БЕЗ УЧЕТА ПРЕДСТАВЛЕННОСТИ ВИДОВ

5.2. ОБСУЖДЕНИЕ ОСНОВНЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ

5.3. СООТВЕТСТВИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОНЯТИЙ 90 И СТАТИСТИЧЕСКИХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ. ОГРАНИЧЕНИЯ НА РАЗНООБРАЗИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ

5.4. ОБОБЩЕННЫЕ СТАТИСТИЧЕСКИЕ КОЭФФИ- 94 ЦИЕНТЫ СХОДСТВА И НЕСХОДСТВА

5.4.1. Статистический вариант коэффициента Жакка

5.4.2. Статистический вариант коэффициента Чека- 97 новского-Съеренсена

5.4.3. Противоречие коэффициентов Жаккара и Че- 99 кановского - Съеренсена в статистической форме

5.5. ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ СТАТИСТИЧЕСКИЕ ОЦЕН- 102 КИ СХОДСТВА И НЕСХОДСТВА КАЖДОГО СПИСКА С ДРУГИМ

5.5.1 Статистическое сравнение списков по видовому 103 богатству

5.5.2. Сравнение списков по совпадению видов

5.6. СРАВНЕНИЕ ВИДОВЫХ СПИСКОВ, ВЫПОЛ- 107 НЕННЫХ С УЧЕТОМ ПРЕДСТАВЛЕННОСТИ ВИДОВ

5.7. АПРОБАЦИЯ СТАТИСТИЧЕСКОГО МЕТОДА 110 СРАВНЕНИЯ СПИСКОВ В ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАЧАХ

Введение Диссертация по географии, на тему "Статистические методы оценки состояния водных объектов по комплексу экосистемных показателей для целей водоохраны"

Актуальность исследования. Характерной особенностью современного подхода к оценке и нормированию качества поверхностных вод является экосистемный подход, рассматривающий водный объект как сложную экосистему, характеризующуюся многими биотическими и абиотическими параметрами (Экосистемный подход в водохозяйственной деятельности. Доклад Европейской Экономической Комиссии, 1989; Беляев, Черняев, 1998 а, б 1999, Захаров, Кларк, 1993).

Неопределенность пространственных границ экосистемы означает актуальность определения единичного биохорологического объекта - элементарной экосистемы, и описания его характерных свойств (Сукачев, 1966; Тимофеев-Ресовский, 1973; Ретеюм, 1972).

Качество воды описывается большим числом показателей, характеризующих как биотические (Павлюк, 1998, 1999; Pavluk, 1997, Alba-Tercedor & Sanchez-Ortega, 1988, Chandler, 1970, De Pauw, Vanhooren, 1983, Woodiwiss, 1964, Getti, 1995, Вудивисс, 1977) так и абиотические (ГОСТ 2761-84, Беспамятнов, Кротов, 1985, Справочник по гидрохимии, 1989 и др.) составляющие, причем и те и другие характеризуются множественной качественной и количественной изменчивостью, а также имеют значительное варьирование. Такая сложность породила большое разнообразие эмпирических методов оценки и показателей качества воды, все многообразие которых трудно использовать в практической водоохранной деятельности, поэтому актуальной является задача ограничения их количества. Требуется на основе экосистемного подхода определить показатели, интегрально характеризующие состояние водного объекта (Былинкина и др., 1962, Вельнер, и др., 1975, Белогуров, Лозанский, Песина, 1984, Караушев, и др., 1975, Амбразене, 1984).

Существующая практика оценки качества воды основана на использовании предельно допустимых концентраций (ПДК) или на отнесении воды к тому или иному классу классификационной системы (Амбразене, 1984, Жукинский и др., 1981, 1983, Единые критерии качества вод СЭВ, 1982, Верниченко, 1984, 1987, Емельянова и др. 1980, 1982, 1983). Такие оценки строятся независимо друг от друга, хотя применяются к анализу одних и тех же вод, поэтому актуален вопрос о их взаимном соотношении и возможности совмещения в единую оценку.

Разнообразные водные объекты классифицированы: большие, средние, малые реки, озера, водохранилища, болота (ГОСТ 19179-73), качество воды в которых формируется в соответствии с характерными закономерностями. Эти закономерности могут иметь региональные особенности, поэтому актуальна задача оценки качества воды водных объектов: малых рек, озер, водохранилищ, как по конкретным ингредиентам, так и по интегральным экосистемным показателям с целью выявления региональных закономерностей формирования водного и химического стока, а также определения региональных эталонных объектов.

При характеристике биоты водного объекта применяются разнообразные эвристические показатели видового богатства, видового состава, представленности видов, по численности и по биомассе, причем они обычно не позволяют оценивать варьирование и определять степень достоверности сделанных выводов о сходстве - несходстве экосистем (Андреев, 1980, Зайцев, 1984, Песенко, 1982). Поэтому актуальной является разработка метода оценки сходства - несходства видовых списков исходя из статистического подхода, то есть рассматривая видовые списки как множество элементарных случайных событий.

Целью исследования является разработка статистических методов оценки состояния водных объектов по комплексу экосистемных показателей (на примере водных объектов Урала).

В качестве конкретных задач выступают: а) разработка статистического интегрального показателя качества воды (ИПКВ) на основе классификации вод по физико-химическим и биологическим показателям, а также балловой оценки загрязнения воды (БОЗ), как показателей нагрузки на экосистему и ее отклика; б) разработка статистического метода сравнения и классификации малых рек по показателям водного стока ингредиентов при малых выборках для оценки хозяйственной деятельности на водосборе, а также оценки стока загрязняющих веществ и приходной составляющей их баланса в водохранилищах; в) разработка статистического метода сравнения водных, околоводных и суходольных экосистем по составу биоты; г) апробация и применение показателей и методов к конкретным водным объектам Уральского региона.

Объектом исследования являются водные объекты Среднего и Южного Урала.

Предметом исследования являются физико-химические и биологические простые и комплексные показатели качества воды малых и средних рек, озер, водохранилищ.

Область исследования охватывает часть Среднего и Южного Урала.

Методы выполнения: логический и статистический анализ существующих подходов к оценке и нормированию показателей водных экосистем, как по нагрузке так и по отклику. Общепринятые частные гидрологические, гидрохимические, гидробиологические методы при натурных полевых исследованиях, с дополнениями и модификациями.

Исходные материалы: исследования основаны на многолетних натурных гидрологических, гидрохимических гидробиологических наблюдениях на малых реках и их водосборных площадях в радиусе около 100 км от г. Екатеринбурга в бассейнах рек Пышмы, Исети, Чусовой, а также на многолетних гидрохимических и гидробиологических наблюдениях на озерах Таватуй, Аятское и водохранилищах Волчихинском, Верх-Нейвинском, Верхне-Макаровском, Нейво-Рудянском, Ново-Мариинском, Ревдинском. Использованы также данные Гидрометслужбы по гидрохимическим показателям рек Миасс и Чусовая.

Научная новизна:

1. На основе статистического подхода и экологической классификации разработан метод оценки качества воды по комплексу биотических и абиотических факторов.

2. На основе статистической методологии разработан метод сравнения экосистем по видовому богатству, составу, представленности видов.

На защиту выносятся: 1. Методы оценки и показатели качества водных экосистем по комплексу биотических и абиотических факторов как по отдельности, так и в совокупности: метод определения качества воды по интегральному показателю качества воды (ИПКВ) и балловая оценка загрязнения воды (БОЗ); метод сравнения и группировки малых рек по показателям стока при малых выборках; метод статистической оценки стока на примере азота и фосфора и приходной составляющей их баланса в водохранилищах

2. Результаты применения статистического подхода к оценке качества воды по комплексу биотических и абиотических факторов.

3. Статистический метод оценки сходства экосистем по видовому богатству, составу, представленности видов растений и животных.

Практическое значение:

1. На основе разработанных методов дана оценка состояния ряда водных объектов Среднего и Южного Урала, в том числе отдельных их участков.

2. Определена структура угодий и набор видов хозяйственной деятельности на малых водосборах, не приводящие к истощению и загрязнению водных ресурсов.

3. По данным фактических наблюдений рассчитана приходная составляющая баланса азота и фосфора в Верхне-Макаровском и Волчихин-ском водохранилищах.

4. Выявлены региональные эталонные водные объекты.

Апробация работы:

Результаты работы апробированы на четырех ежегодных молодежных научно-практических конференциях в Институте экологии растений и животных УНЦ АН СССР с 1980 до 1987 г.г., на заседании проблемного совета "Гидрология" в Валдайском филиале ГГИ в 1989г., на Всесоюзной конференции "Методология экологического нормирования" в г. Харькове в 1990 г., на XXIX Всесоюзном гидрохимическом совещании "Состояние и перспективы развития методологических основ химического и биологического мониторинга поверхностных вод суши" в г. Ростове-на-Дону в 1987 г, на конференции "Природные ресурсы стран СНГ "в г. Санкт - Петербурге в 1998 г.,на международной конференции "Экологическая безопасность на пороге XXI века" в г. Санкт- Петербурге в 1999 г.

10

По теме работы опубликовано 15 работ, которые цитированы в тексте и перечислены в списке литературных источников.

Работа выполнена: в соответствии с Государственным координационным планом научных работ в РосНИИВХ с 1982 по 1999 гг. при непосредственном участии автора на всех этапах, начиная от полевых работ, обработки полученного материала и заканчивая защитой результатов.

Заключение Диссертация по теме "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов", Гневашев, Михаил Георгиевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Многомерность оценки качества воды приводит к необходимости использования интегральных показателей. На основе экологической классификации качества воды и статистического подхода разработаны и апробированы интегральный показатель качества воды (ИПКВ) и на его основе балловая оценка загрязнения воды (БОЗ) как показатели нагрузки на экосистему и ее отклика.

2. Разработан и апробирован метод сравнения и группировки малых рек по показателям стока при малых выборках для изучения варьирования и определения бассейнов -аналогов по фактическим данным.

3. Разработан и апробирован метод статистической оценки стока и приходной составляющей баланса ингредиентов в водохранилищах.

4. Разработан и апробирован статистически строгий метод оценки сходства - несходства экосистем по видовому богатству, видовому составу и представленности видов растений и животных.

5. На основе разработанных методов определены оптимальная лесистость и набор видов водохозяйственной деятельности на малых водосборах подзон южной тайги и предлесостепи Уральского региона не приводящие к истощению и загрязнению водных ресурсов; ранжированы десять водоемов Среднего Урала по показателям нагрузки на экосистему и ее отклика; получены оценки приходной составляющей баланса азота и фосфора в Волчихинском и Верхне - Макаровском водохранилищах; среди малых рек и водоемов выбраны эталонные для региона объекты.

Библиография Диссертация по географии, кандидата географических наук, Гневашев, Михаил Георгиевич, Екатеринбург

1. Амбразене Ж.П. О принципах построения классификации качества поверхностных вод // Комплексные оценки качества поверхностных вод -Л.: Гидрометеоиздат, 1984 с. 48-60

2. Андреев В.Л. Классификационные построения в экологии и систематике М.: Наука, 1980 - 141 с.

3. Базилевич В.М., Якуненко O.K. Применение показателя видового разнообразия зоопланктона для оценки качества воды в водотоках // Самоочищение и биоиндикация загрязненных вод М.: Наука, 1980 - с.232

4. Белогуров В.П., Лозанский В.Р., Песина С.А. Применение обобщенных показателей для оценки уровня загрязненности водных объектов // Комплексные оценки качества поверхностных вод Л.:, Гидрометеоиздат, 1984- с. 33 -43.

5. Беляев С.Д., Черняев A.M. Государственная водная политика: обеспечение постоянного и планомерного снижения вредных воздействий на водные объекты // Водное хозяйство России. Проблемы, технологии, управление, 1999, т. 1, № 2 с.З.

6. Беляев С.Д., Черняев A.M. (а) Целевые показатели состояния водных объектов как основа регулирования водохозяйственной деятельности // Тезисы докладов VI горно-геологического форума "Природные ресурсы стран СНГ" С.-Петербург, 1998 - с.202

7. Беляев С.Д.,Черняев A.M. (б) Концепция водохозяйственной политики Свердловской области (Проект) Екатеринбург: изд-во "Виктор". 1998-45 с.

8. Берг Л.С. Предмет и задачи географии // Известия РГО, 1915 т. 51, вып. 6.

9. Беспамятнов Г.П., Кротов Ю.А Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде JL: "Химия", 1985 - 528 с.

10. Брагинский Л.П. Некоторые принципы классификации пресноводных экосистем по уровням токсической загрязненности // Гидробиологический журнал, 1985 т. 21, № 6 - с. 65-74

11. Браяловская В.Л., Бердышева Г.В., Гневашев М.Г., Попов А.Н. Формирование химического и гидробиологического состава вод Волчи-хинского и Верхне-Макаравского водохранилищ //Охрана природных вод России Екатеринбург, 1992 - с. 155 - 175

12. Былинкина A.A., Драчев С.М., Ицкова А.И. О приемах графического изображения аналитических данных о состоянии водоемов // Материалы 16-го Гидрохимического совещания Новочеркасск, 1962 - с. 8-15.

13. Василевич В.И. Статистические методы в геоботанике Л.: Наука, 1969 - 232 с.

14. Верниченко A.A. Классификации поверхностных вод, основывающиеся на оценке их качественного состояния // Комплексные оценки качества поверхностных вод Л.: Гидрометеоиздат, 1984 - с 14 -24.

15. Воробейчик Е.Л., Садыков О.Ф., Фарафонтов М.Г. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем (локальный уровень) Екатеринбург: УИФ "Наука", 1994 - 280 с.

16. Вудивисс Ф. Биотический индекс р. Трент. Макробеспозвоночные и биологическое обследование. // Научные основы контроля качества вод по гидробиологическим показателям: Тр. Сов.-Англ. семинара: Л., 1977 С. 132-161.

17. Временные рекомендации по выбору метода восстановления и мелиорации водоема Свердловск, 1986, 30 с.

18. Гавришова Н.А. Методика расчета комплексного рангового показателя качества воды // Гидробиологический журнал 1981 - 17, № 1 - с95-98.

19. Гневашев М.Г. Вероятностный метод оценки сходства различия видовых списков // Тезисы докладов областной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Экология, человек и проблема охраны природы" - Свердловск, 1983 - с. 40-41

20. Гневашев М.Г. К методике мониторинга БГЦ покрова // Тезисы докладов областной молодежной научно - практической конференции " Экологические системы Урала : изучение, охрана, эксплуатация", г. Свердловск 1987 - с. 15.

21. Гневашев М.Г. Статистический метод оценки сходства сообществ // Материалы Всесоюзной конференции "Методология экологического нормирования " Харьков 1990 с.29

22. Гневашев М.Г. Интегральный показатель качества воды // Тезисы докладов конференции " Природные ресурсы стран СНГ г. Санкт- Петербург, 1998 с.221.

23. Гневашев М.Г. Статистическое сравнение водных, околоводных и наземных сообществ по видовому составу // Проблемы региональной экологии. Специальный выпуск, 1999 с. 5-17

24. Гневашев М.Г., Абрамова Т.А. О гидролого-гидрохимическом мониторинге малых рек на Среднем Урале // Тезисы докладов XXIX Всесоюзного гидрохимического совещания Ростов-на-Дону, 1987 - т.1 - с. 33

25. Гневашев М.Г., Амон Э.О. К методике анализа сходства различия в палеонтологии и биостратиграфии // Информационные материалы. Ежегодник 1982 г. - Свердловск, АН СССР УНЦ Институт геологии и геохимии, 1983 - с. 21

26. Гневашев М.Г., Гусев В.П. Методика мониторинга малых рек ОВХС // Тезисы докладов Всесоюзного совещания " Совершенствование системы управления и контроля использованием и охраной вод СССР на базе объединенных региональных ВХС " Свердловск, 1987 с.78

27. Гневашев М.Г., Попов А.Н. Комплексный целевой показатель экологически приемлемого качества воды // Водное хозяйство России, 1999, т. 1, № 3 с. 275-285.

28. Гневашев М.Г., Федоров Ю.С., Атнашев В.Б. Природное и антропогенное загрязнение тяжелыми металлами реки Миасс //Тезисы докладов 2-й областной конференции молодых ученых "Проблемы рационального водопользования Урала " Свердловск 1989 - с. 25

29. Грейг-Смит П. Количественная экология растений М.: Мир, 1967-459 с.

30. Гриб И.В. О периодичности характеристик в экологической классификации качества поверхностных вод // Гидробиологический журнал -1993 29, № 3 - с.38-48

31. Гриб И.В., Якубовский К.Б., Дунская Е.Д., Малафеев В.В. Оценка качества поверхностных вод в комплексной экологической индексации ландшафтов // Гидробиологический журнал 1991 - 27, № 5 - с. 42-49

32. ГОСТ 2761-84 Классификация качества питьевой воды М.: Госкомитет СССР по стандартам, 1984

33. ГОСТ 19179-73 Гидрология суши. Термины и определения М.: Госкомитет СССР по стандартам, 1973

34. Гурарий В.И., Шайн A.C. Комплексная оценка качества воды // Проблемы охраны вод Харьков, 1975, вып. 6 - с. 143-150

35. Дюран Б., Оделл П. Кластерный анализ М.: Статистика, 1977128 с.

36. Единые критерии качества вод М.: СЭВ (Совещание руководителей водохозяйственных органов стран-членов СЭВ), 1982 - 69 с.

37. Емельянова В.П., Данилова Г.Н., Колесникова Т.Х. Обзор методов оценки качества поверхностных вод по гидрохимическим показателям // Гидрохимические материалы, 1982, т. 81-с. 121-131.

38. Емельянова В.П., Данилова Г.Н., Колесникова Т.Х. Оценка качества поверхностных вод суши по гидрохимическим показателям // Гидрохимические материалы, 1983, т. 88 с. 119-129.

39. Емельянова В.П., Данилова Г.Н., Родзиллер И.Д. Об использовании общесанитарного индекса для оценки качества воды // Гидрохимические материалы, 1980, т. 77 с. 88-98.

40. Жданова Г.А., Иванов А.И., Скорик JI.B., Шерстюк C.J1. Сравнительная оценка санитарно-гидробиологического состояния водохранилищ днепровского каскада методом биоиндикации //Самоочищения и биоиндикация загрязненных вод М.: Наука, 1980 - с.264

41. Жукинский В.Н., Оксиюк О.Н., Олейник Г.Н. Кошелева С.И.

42. Принципы и опыт построения экологической классификации качества поjверхностных вод суши // Гидробиологический журнал, 1981, т. 17, № 2 с. 38-49.

43. Жукинский В.Н., Оксиюк О.Н. Методологические основы экологической классификации качества поверхностных вод суши // Гидробиологический журнал, 1983, т. 19, № 2 с. 59-67.

44. Зайцев Г.И. Математическая статистика в экспериментальной биологии М.: Наука, 1984 - 339 с.

45. Захаров В.М., Кларк Д.М. Биотест. Интегральная оценка здоровья экосистем и отдельных видов Москва, 1993 - С 68.

46. Калугина-Гутник JI.A. Динамика видового состава водорослей при оценке качества морских вод // Самоочищение и биоиндикация загрязненных вод М. Наука, 1980 - с. 126

47. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы М.: Наука, 1984 -831с.

48. Кузьмин Г.В. Видовой состав и обилие // Методика изучения биогеоценозов внутренних водоемов М.: Наука, 1975 - с. 84

49. Лакин Г.Ф. Биометрия М: Высшая школа, 1980 - 291 с.

50. Лозанский В.Р. Проблема комплексных оценок качества поверхностных вод и пути ее решения // Комплексные оценки качества поверхностных вод Л. Гидрометеоиздат 1984 - с. 6-14.

51. Любищев A.A. О применении математической статистики к практической систематике // Прикладная математика в биологии М.: Изд-во Московского университета, 1979 - с. 12

52. Марголина С.М., Рохлин Г.М. О комплексной оценке степени загрязнения водоемов // Труды Института прикладной геофизики, 1977, № 35-с. 99-110.

53. Мардия К., Земрич П. Таблицы F-распределений ираспределений, связанных с ними. М.: Наука, 1984 - 55 с.

54. Методические основы оценки антропогенного влияния на качество поверхностных вод / Под ред. A.B. Караушева Л.: Гидрометеоиздат, 1981 - 175 с.

55. Методические рекомендации по народнохозяйственной оценке болот Свердловск, 1987 - 39 с.

56. Методические указания по разработке нормативов предельно допустимых сбросов вредных веществ в поверхностные водные объекты. -МПР Москва, 1998. 19 с.

57. Миркин Б.М., Розенберг Г.С. Фитоценология. Принципы и методы-М.: Наука, 1978-211 с.

58. Миронов О.Г. Биологическая индикация углеводородов в море // Самоочищение и биоиндикация загрязненных вод М.: Наука, 1980 - с. 129

59. Музалевский A.A., Родионов В.З. Методология формирования индексов для контроля и оценки экологического состояния и качества водных объектов // Тезисы докладов VI горно-геологического форума "Природные ресурсы стран СНГ" С.-Петербург, 1998 - с. 226.

60. Новиков Ю.В., Плитман С.И., Ласточкина К.О., Хвастунов В.М. Использование комплексных показателей при разработке гигиенической классификации водоемов по степени их загрязнения. // Гигиена и санитария, 1984, № 6 с. 11-13.

61. Носаль А.П. Использование бассейнового подхода при нормировании сброса сточных вод // Тезисы докладов VI горно-геологического форума "Природные ресурсы стран СНГ" С.-Петербург, 1998 - с.208.

62. Носаль А.П. Предложения по разработке региональных краткосрочных целевых показателей качества воды // Тезисы докладов международной конференции "Экологическая безопасность на пороге XXI века" -С.-Петербург, 1999 с. 131.

63. Охраняемые природные объекты Свердловской области. Карта -М.: Федеральная служба геодезии и картографии России, 1993

64. Павлюк Т.Е. Использование трофической структуры сообществ донных беспозвоночных для оценки экологического состояния водотоков // Диссертация на соискание ученой степени к.б.н. Екатеринбург, 1998 -204 с.

65. Павлюк Т.Е. Направление структурных изменений донных биоценозов реки Салды под воздействием загрязнения медью // Проблемы региональной экологии. Специальный выпуск, 1999 с.31-47

66. Песенко Ю.Л. Принципы и методы количественного анализа фаунистических исследований М.: Наука, 1982 - 281 с.

67. Плохинский И.А. Биометрия М.: Изд-во Московского университета, 1970 - 143 с.

68. Попов А.Н., Браяловская В.Л., Бердышева Г.В., Гневашев М.Г. Разработка биоинженерной системы очистки подотвальных вод в зоне Ба-кальских карьеров // Проблемы рациональной экологии. Специальный выпуск, 1999-с. 113-117

69. Попов А.Н., Гневашев М.Г. .Водосборный бассейн системная структурно-функциональная биохорологическая единица оболочки Земли // Тезисы докладов международной конференции "Экологическая безопасность на пороге XXI века, г. С.-Петербург, 1999 - с.145.

70. Правила охраны поверхностных вод. Госкомприроды РСФСР, 1991.-35 с.

71. Прогноз качества воды водохранилищ системы водоснабжения г. Новоуральска при различной антропогенной нагрузке: Отчет о НИР / Рос-НИИВХ; Руководитель А.Н.Попов;. Екатеринбург, 1998. - 282 с.

72. Раменский Л. Г. Проблемы и методы изучения растительного покрова. Избранные работы. Л.: Наука, 1971 - 334 с.

73. Рекомендации по применению обобщенного показателя для оценки уровня загрязненности природных вод коэффициента загрязненности (КЗ). - ВНИИВО: Харьков, 1982 - 10 С.

74. Ресурсы поверхностных вод. том 11, Средний Урал и Приуралье -Л.: Гидрометеоиздат, 1979 848 С.

75. Ретеюм А.Ю. Физико-географические исследования и системный подход // Системные исследования М.: Наука, 1972 - с. 90-110

76. Розенберг Г.С. Ошибка выборочное™ трансформированного коэффициента Дайса // Статистические методы классификации растительности и оценка ее связи со средой. Уфа, 1975 - с. 223-227

77. Романенко В.Д. Оксиюк О.П. Жукинский В.Н. и др. Экологическая оценка оценка воздействия гидротехнического строительства на водные объекты Киев : Наукова думка 1990. - 246 с.

78. Система мероприятий и информационное обеспечение управления качеством воды на водосборе: Отчет о НИР / УралНИИВХ; Руководитель А.М. Черняев. Свердловск, 1989. 75 е.: ил. - Отв. исполнит. М.Г. Гневашев - 75 с.

79. Сочава В.Б. Структурно-динамическое ландшафтоведение и географические проблемы будущего // Доклады Института географии Сибири и Дальнего Востока, 1967, т.16

80. Справочник по гидрохимии JL: Гидрометеоиздат, 1989 - 391с.

81. Сукачев В.Н. Основные понятия о биогеоценозах и общее направление их изучения // Программа и методика биогеоценотических исследований М.: Наука, 1966 - с.7-19

82. Тимофеев-Ресовский Н.В., Яблоков A.B., Глотов Н.В. Очерк учения о популяции М.: Наука, 1973 - с. 17

83. Титов И.А. Взаимодействие растительных сообществ и условий среды М.: 1961 - 165 с.

84. Уиттекер Р. Сообщества и экосистемы М.: Прогресс, 1980 - с.296

85. Фрей Т.Э.-А. О статистическом уровне при сравнении видового состава ценозов // Применение математических методов в биологии. Л., 1969, вып. 4, с. 105-109.

86. Шайн A.C. Интегральные оценки и их использование при долгосрочном прогнозировании качества воды // Комплексные оценки качества поверхностных вод. JI:, 1984 с. 24-33.

87. Экосистемный подход в водохозяйственной деятельности. Доклад Европейской Экономической Комиссии. // Экономический и Социальный совет ООН, Рабочая группа по водным проблемам (третья сессия, 1114 декабря 1989 г.)

88. Alba-Tercedor J.& Sanchez-Ortega A. Un metodo rapido y simple para evaluar la calidad biologica de las aguas corrientes basado en el de Hellawell (1978) // Limneticf, 1988.- 4.- S. 51-56.

89. Armitage P.D., Moss D., Wright J.F. & Fuse M.T. The performance of a new biologicfl water quality score system bassed on macroinvertebrates over a wide range of unpolluted running-water sites // Water Res., 1983.- 17.- S. 333347.

90. Braun-Blanquet J. Hlant sociology: The study of plant cjmmunities. N.Y.: McGraw-Hill, 1932,439 p.

91. Chandler J.R. A biologicfl approach to water quality management // Wat. Poll. Control, 1970. 69.- 415.- 22 s.

92. De Pauw N, Vanhooren G. Method for biologicfl quality assessment of watercourses in Belgium // Hydrobiologia, 1983.- 100.- 153.- 68 s.

93. Ghetti P.F. Manuale di applicazione: Indice Biotico Esteso -1 macro-invertebrati nel controllo della qualita degli ambienti di acque correnti // Provin-cif Autonoma di Trento, 1995.

94. Jaccard P. Distribution de la flore alpine dans le Bassin de Dranses et dans quelques regions voisines. // Bull. Soc. vaudoise sei. Natur., 1901, t. 37, N 140, p. 241-272.

95. Pantle R. and H. Buck. Die biologische Überwachung der Gewässer und die Darstellung der Ergebnisse // Gas Wasserfach, 1955.- 96.- S.604.

96. Pavluk T. The trophic structure of macroinvertebrate communities as an approachfor estimation of river ecosystem condition // Research contract № RI-1811 Ekaterinburg, 1997 - 63 p.

97. Simpson G.G. Mammals and the nature of continents // Amer. J. Sei., 1943, vol. 241, N l,p. 1-31.138

98. Woodiwiss F.S. The biological system of stream classification used by the Trent River Board // Chemistry and Industry, 1964. 14 - S. 443-447.