Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Особенности формирования качества вод и мониторинг водохранилищ (Обзор литературы)
1.1. Водохранилища, их специфика, влияние на окружающую среду 14
1.2. Особенности формирования качества поверхностных вод 16
1.3. Самоочищение водоемов как элемент формирования качества воды
1.4. Система мониторинга поверхностных вод 23
1 .4. 1 Международная система мониторинга 23
1.4.2. Биологический мониторинг поверхностных вод 26
1.4.2.1. Понятия экологического статуса и состояния водного объекта
1.4.2.2. Принцип речного бассейна 28
1.4.2.3. Выбор метрики для оценки экологического статуса 28
1.4.2.4. Выбор эталонных створов 35
1.4.2.5. Международные стандарты для оценки состояния вод
1.4.2.6. Индексы, используемые в биомониторинге поверхностных вод
ГЛАВА 2. Характеристика объекта исследования. Материалы и методы
2.1. Характеристика объекта исследования 60
2.2. Виды хозяйственной деятельности в бассейне Куйбышевского водохранилища
2.3. Гидрологический режим Куйбышевского водохранилища 62
2.3.1. Гидрологический режим Средней Волги до и после зарегулирования ее стока системой водохранилищ и создания каскада водоемов замедленного водообмена
2.3.2. Характерные уровни воды Куйбышевского водохранилища за 1995 -2001 гг.
2.4. Гидрохимическая характеристика и качество воды Куйбышевского водохранилища
2.4.1. Основные этапы формирования качества воды 68
2.5. Отбор проб, химический и биологический анализ 70
2.6. Статистическая обработка результатов 75
ГЛАВА 3 Динамика ионного состава и кислотные свойства атмосферных осадков на территории Республики Татарстан
3.1. Динамика ионного состава атмосферных осадков, вклад антропогенной составляющей 76
3.2. Потенциальная закисляющая способность осадков 82
ГЛАВА 4 Гидрохимические и гидробиологические характеристики Куйбышевского водохранилища в пределах вод РТ
4.1 Оценка качества воды Куйбышевского водохранилища в пределах вод РТ
4.1.1 Гидрохимический состав воды 89
4.2 Характеристика экологического состояния Куйбышевского водохранилища по показателям фитопланктонного сообщества
4.3 Характеристика экологического состояния Куйбышевского водохранилища на территории РТ по показателям зоопланктонного сообщества
4.3.1. Характеристика зоопланктона по соотношению количества видов и их численности
4.3.2 Характеристика зоопланктона по индексу видового разнообразия
4.3.3 Характеристика зоопланктона по индексу сапробности 99
4.3.4. Характеристика зоопланктона по показателю трофности 99
4.3.5 Характеристика зоопланктона по коэффициенту трофии 100
4.3.6 Характеристика зоопланктона по отношению биомасс ракообразных и коловраток
4.4 Характеристика зообентоса Куйбышевского водохранилища в пределах вод РТ
4.5. Параметры биохимического самоочищения воды Куйбышевского водохранилища
ГЛАВА 5 Выявление взаимосвязи между различными показателями, используемыми в мониторинге Куйбышевского водохранилища
5.1 Взаимосвязь между химическими показателями качества воды
5.2 Взаимосвязь между биологическими и химическими показателями
ГЛАВА 6. Моделирование процессов стокоформирования (на примере воднобалансовой модели р. Менш)
6.1. Водный баланс бассейна р. Меши (topmodel) 118
6.1.2 Расчет топографического индекса 119
Выводы 122
Список литературы 125
- Водохранилища, их специфика, влияние на окружающую среду
- Динамика ионного состава атмосферных осадков, вклад антропогенной составляющей
- Оценка качества воды Куйбышевского водохранилища в пределах вод РТ
Введение к работе
тип природно-техногенных водных экосистем, функционирующих в
условиях интенсивного регулирования человеком. В результате чего они
отличаются динамичностью внутриводоемных процессов и меньшей
устойчивостью по отношению к антропогенному влиянию.
Мониторинг водохранилищ проводится по единой программе в
соответствии с методическими руководствами Роскомгидромета,
ответственного за фоновый мониторинг окружающей среды в
стране, и других ведомств (Руководство по гидробиологическому мониторингу..., 1992; Организация и проведение..., 1992; Экологический мониторинг..., 1998, 2000). Последующий анализ данных для целей экологического контроля водохранилищ решает следующие взаимно дополняющие, но не заменяющие друг друга задачи: 1) индикация экологического состояния природных объектов на шкале "норма-патология"; 2) диагностика, т.е. выявление и ранжирование причин, нарушающих экологическое благополучие; 3) нормирование воздействий на экосистемы; 4) прогноз экологического состояния систем на основе предполагаемых значений потенциальных абиотических воздействий; 5) управление качеством нарушенных экосистем (Булгаков и др., 2003).
Для индикации экологического состояния природных объектов, в т.ч. водохранилищ, используют два основных подхода: химический и биологический. В первом применяют такие расчетные показатели как индекс загрязнения воды (ИЗВ, УК'ИЗВ), которые базируются на применении предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ (ПДК). Второй подход учитывает состояние биотической составляющей экосистемы. Для реализации биотического подхода необходим набор методов получения оценок состояния сообществ, с помощью которых можно было бы отличить экологически благополучную экосистему от экосистемы, в которой произошли существенные изменения, вызванные
внешними (в первую очередь — антропогенными) воздействиями (Булгаков и др., 2003).
Общепринятый подход к оценке экологического состояния природных объектов в мировой практике экологического контроля отсутствует. Существующие методы различны для различающихся биотопов и программ мониторинга (Воробейник и др., 1994; Булгаков, 2002; Семенченко, 2004, 2006). Наиболее употребительны способы индикации, основанные на экспертных оценках. Классификатор качества пресных вод, используемый в системе экологического контроля Роскомгидромета, оперирует балльными индексами (индекс сапробности, биотический, олигохетный индексы и др.), которые в свою очередь являются экспертными оценками экологического качества вод для отдельных групп организмов.
При всем различии перечисленных индексов их объединяет общий принцип: в основе каждого из них лежит анализ распределения организмов по градиенту загрязнения (в первую очередь, по градиенту органических веществ в воде). При этом какие-либо допустимые пределы для измеряемых переменных не устанавливаются, но вместо этого вводятся экспертные оценки в баллах, значениях сапробности, номера классов качества вод. Естественно, что при практическом использовании такого подхода возникают разнообразные недоразумения, многократно обсуждавшиеся в литературе. В частности нередки случаи, когда оценки, полученные по разным биотическим идентификаторам, не совпадают и приходится создавать методы расчета т.н. интегральных оценок, что порождает "индексы загрязнения", число которых растет от года к году.
Упомянутые выше показатели объединяет и их общий недостаток: при их построении игнорируются биотические отношения между популяциями в реальных сообществах, такие как конкуренция, мутуализм и др. На основе представлений, развиваемых В.А. Абакумовым (1991, 1992) предложены градации состояния водных экосистем: фоновое состояние,
состояние антропогенного экологического напряжения, состояние антропогенного экологического регресса и состояние антропогенного метаболического регресса. Этот подход, несомненно, более "экологичен", и поэтому представляется более обоснованным, нежели система сапробности или разнообразные биотические индексы, баллы и т.п. (Булгаков и др., 2003).
Другая группа методов должна обеспечить выявление тех физико-химических характеристик экосистемы, которые ответственны за изменение состояния сообщества и его выход за установленные границы стабильного существования. Это должны быть математические методы анализа, позволяющие выделить в многомерном пространстве экологических факторов область экологического благополучия. Значительный интерес представляет также данные гидрологического мониторинга, о транспирации и сумме выпадающих осадков, которые могут послужить основой для создания воднобалансовых моделей.
Таким образом, совершенствование и поиск новых обобщенных показателей, достоверно характеризующих качество среды обитания, остается важнейшей задачей на пути повышения информативности данных мониторинга.
Цель данной работы - анализ информативности биотических и абиотических показателей в системе мониторинга водохранилищ на примере крупнейшего в Волжском каскаде Куйбышевского водохранилища и создание модели водного баланса бассейна крупного притока (р. Меша) для оценки его воздействия на.водохранилище.
Задачи исследования:
1. Выявить особенности формирования ионного состава атмосферных
осадков в бассейне Куйбышевского водохранилища, найти подход
и оценить антропогенную составляющую в общем уровне
загрязнения осадков; оценить вклад атмосферных осадков в
формирование качества поверхностных вод Куйбышевского
водохранилища.
Оценить вклад приоритетных загрязняющих веществ в формирование величины интегрального показателя ИЗВ и информативность последнего для характеристики экологического состояния водохранилища.
На основе анализа многолетних данных об изменчивости биотических и абиотических показателей качества вод с использованием методов математической статистики выявить характер отклика показателей биотических сообществ (фито-, зоопланктон, бентос) на уровень химического загрязнения воды водохранилища и причинно-следственные связи между ними.
Путем экспериментальной апробации обосновать выбор обобщенного показателя самоочищающей способности водной экосистемы в условиях различной антропогенной нагрузки для внедрения в систему мониторинга водохранилищ.
Построить модель водного баланса бассейна р. Меши, впадающей в Куйбышевское водохранилище, для оценки воздействия притоков с различным гидрологическим режимом на водохранилище.
Данная работа выполнена в рамках госбюджетной темы "Развитие теоретических и прикладных основ экологического мониторинга", ГР № 01.98.0006937 код ГСНТИ 87.43.21.
Научная новизна. На основе результатов многолетнего исследования состава региональных атмосферных осадков оценен антропогенный вклад хлорид- (0-63 %) и сульфат-ионов (93-98 %) в ионный состав атмосферных осадков, выпадающих в акватории Куйбышевского водохранилища. Выявлено наличие устойчивого тренда повышения содержания оксидов азота в атмосферном воздухе и нитрат-ионов в составе атмосферных осадков, согласующееся с отмеченной общей тенденцией к росту содержания нитрат- и нитрит-ионов в воде водохранилища.
На основе анализа результатов многолетних данных о качестве воды Куйбышевского водохранилища по гидрохимическим показателям выявлена недостаточная информативность интегрального показателя ИЗВ (и УКИЗВ), базирующегося на существующей системе санитарно-гигиенического нормирования качества поверхностных вод, не учитывающего региональных геохимических особенностей и не связанного с откликом биотической составляющей. Показана информативность для характеристики экологического состояния водохранилища интегрального показателя - БПК5, адекватно отражающего процессы деструкции органического вещества в воде и вносящего вклад в величину численности фитопланктона, что доказывается соответствующими уравнениями регрессии.
Показано отсутствие информационной самодостаточности различных принятых в системе мониторинга и использованных в работе биотических индексов в силу противоречивости интерпретации результатов на их основе.
По отклику фито- и зоопланктонного сообществ экологическое состояние Куйбышевского водохранилища характеризуется усилением эвтрофирования с элементами экологического регресса (по Абакумову). Последнее согласуется с найденной зависимостью структурных показателей фито- и зоопланктона от содержания биогенных элементов в воде водохранилища, традиционно не используемых при расчете показателя ИЗВ. В отличие от планктонных организмов для структурных показателей бентоса выявлен и количественно описан достоверный отклик на присутствие в воде приоритетных токсичных компонентов, учитываемых в расчете величины ИЗВ (медь, цинк, железо, нефтепродукты, фенолы, СПАВы).
На основе полученных в работе экспериментальных данных показана более низкая способность воды Куйбышевского водохранилища к
самоочищению в сравнении характерной для некоторых его крупных притоков.
С использованием современных ГИС технологий создана математическая модель водного баланса бассейна р. Меши, впадающей в Куйбышевское водохранилище, которая достаточно хорошо согласуется с исходными гидрологическими данными, данными о транспирации и сумме выпадающих осадков. Созданная модель пригодна для оценки воздействия других притоков на Куйбышевское водохранилище в отсутствие гидрологического поста в их акватории.
Практическая значимость. Полученные в работе данные могут быть использованы при разработке программ мониторинговых исследований водохранилищ и для оценки воздействия притоков на водохранилище. Индекс биохимического самоочищения Куйбышевского водохранилища и его крупных притоков внедрен в практику мониторинга УГМС РТ. Созданная модель может быть тиражирована для других притоков Куйбышевского водохранилища в отсутствие гидрологического поста в их акватории. Отдельные разделы диссертационной работы используются в учебном процессе Казанского государственного университета.
На защиту выносятся следующие положения:
- Особенности формирования, характеристика трендов ионного
состава атмосферных осадков в бассейне Куйбышевского водохранилища,
предложенный подход и оценка вклада антропогенной составляющей в
концентрацию основных ионов в атмосферных осадках.
- Данные о согласованности увеличения во времени доли оксидов
азота в атмосферном воздухе и нитрат-ионов в атмосферных осадках и
общей тенденции к росту содержания нитрат- и нитрит-ионов в воде
Куйбышевского водохранилища.
- Выявленное усиление эвтрофирования воды Куйбышевского
водохранилища с элементами экологического регресса (по Абакумову).-
Выявленные математическими методами причинно-следственные связи и анализ отклика структурных показателей гидробионтов на содержание биогенных и приоритетных загрязняющих веществ в воде водохранилища. Оценка информативности различных принятых в системе мониторинга биотических индексов и обобщенных показателей загрязнения воды.
- Воднобалансовая модель бассейна притока (р. Меши), пригодная для оценки воздействия других притоков на водохранилище в отсутствие гидрологического поста в их акватории.
Водохранилища, их специфика, влияние на окружающую среду
Одним из ведущих факторов изменения окружающей среды за последние 50 лет во всех странах являются водохранилища. Появилось большое количество новых водных объектов, которые играют большую роль в преобразовании общего процесса стока (в количественном и качественном отношениях) как азональные антропогенные образования. Созданные (независимо от времени их создания) водные объекты отличаются от естественных своим генезисом, процессами формирования, а также спецификой гидрологических и всех других внутриводоемных процессов, характером взаимодействия с окружающей средой.
Водохранилища - очень сложные и внутренне противоречивые водные объекты, режим которых находится под влиянием многих природных и особенно антропогенных факторов. Своеобразие режима каждого водохранилища затрудняет их исследование и формирование общих научных представлений об этой категории водных объектов, а без них нельзя решать многие проблемы, связанные с проектированием, созданием, эксплуатацией, комплексным использованием и охраной водных ресурсов водохранилищ (Матарзин, Китаев и др., 1989).
Гидротехническое строительство в 50-70 гг. XX ст. в нашей стране являлось одной из крупнейших отраслей строительной индустрии, способной обеспечить создание все новых искусственных водоемов. Как справедливо отмечает А.В. Авакян (1998 а), в настоящее время водохранилища являются неотъемлемой чертой ландшафта и важным элементом национального богатства.
Однако сегодня мы говорим об экологическом влиянии водохранилищ не только на те участки рек, которые видоизменяются в результате образования подпора, но и на нижерасположенные участки рек, протяженность которых достигает сотен километров, и водоприемники- моря, части океана. Учитывая размеры этого влияния, мы вправе говорить о бассейновых, региональных, государственных, континентальных и глобальных последствиях массового создания водохранилищ, о необходимости пересмотра наших представлений.
Поволжье и, прежде всего, восточная часть Татарстана располагает значительными водными ресурсами, но в то же время этот регион испытывает трудности в связи с их неравномерным распределением по территории. В результате осуществляются интенсивные поиски наиболее рациональных путей комплексного использования водных ресурсов и их охраны. Широко внедряются водосберегающие технологии, постепенно снижается забор из поверхностных водоисточников (Авакян, 1998 а; Авакян, 1998 б).
Снижение обеспеченности народного хозяйства местными водными ресурсами вызывало и вызывает необходимость регулирования речного стока. Одно из наиболее существенных водохозяйственных мероприятий по преобразованию гидрологического режима рек с целью выравнивания естественной неравномерности стока во времени - создание искусственных водоемов. Влияние этих водоемов на сток рек проявляется во внутригодовом и многолетнем перераспределении водности, смене русловых процессов, изменении особенностей затопления русл и пройм рек, режима насосов, теплового стока рек и ледовых условий.
Наиболее распространено сезонное регулирование стока, основанное на задержании в водохранилище и использовании в первую очередь весенних расходов.
Создание водохранилищ, включая Куйбышевское, и регулирование ими стока значительно преобразуют естественный гидрологический режим рек, что влечет за собой целый ряд негативных последствий, прежде всего, изъятие из сельскохозяйственного оборота большого количества высокопродуктивных пойменных лугов, пастбищ и других сельскохозяйственных угодий. А.Б. Авакян и В.М. Шаронов (1990) выделяют ряд видов влияния водохранилищ на окружающую среду:
1. Изменение природы непосредственно под воздействием водохранилища на прилегающих к нему территориях. Ареал распространения этого вида влияния обычно довольно ограничен, а его размеры связаны с географической зональностью. Чаще всего площадь систематического влияния на север и в центре Европейской территории России соизмерима с площадью водоема. Хотя эта территория, охватываемая непосредственным воздействием водохранилища, относительно невелика, ее важно учитывать хозяйственных проектах, поскольку обычно она интенсивно используется, особенно после создания водоема;
2. Изменение окружающей среды долины реки ниже гидроузла и его плотины. В отдельных случаях такое влияние распространяется по длине на десятки километров;
Динамика ионного состава атмосферных осадков, вклад антропогенной составляющей
Анализ химического состава атмосферных осадков производили по основным ионам: S042", CI , НС03", N03", NH/, К+, Na+, Са2+, Mg2+, средневзвешенные за год концентрации которых представлены в табл. 3.1.
Содержание многих ионов в атмосферных осадках в значительной степени зависит от географического положения. Однако независимо от этого, важным источником обогащения осадков ионами является вынос морских аэрозолей. Для выявления доли ионов неморского (континентального или антропогенного) происхождения учитывалось отклонение, приведенной к реперному иону (Na+) концентрации данного иона (X) для атмосферных осадков (CX/CNS) атм. от аналогичного отношения массовых концентраций (Cx/CNa)M. в морской воде (табл. 3.1).
Удаленность от морского побережья обусловливает довольно низкую абсолютную концентрацию ионов натрия в осадках (0.59 - 1.5 мг/л). С другой стороны, континентальное положение приводит к пылевому выносу в атмосферу кальция, калия и магия и довольно высокому содержанию их ионов в дождевой воде (кальция - 2.06 - 4.43, калия - 0.45 -1.0 и магния - 0.46 -1.23 мг/л).
Значительная часть ионов кальция и магния в атмосферных осадках формируется, вероятно, и за счет промышленных выбросов в атмосферу городов Казани и Зеленодольска, т.к. концентрация их в осадках, отобранных в Высокогорском районе РТ (в северной, наиболее удаленной от промышленных центров части), составила в 1996 г. в среднем 2.1 мг/л и 0.12 мг/л соответственно. Снижение концентрации двухвалентных катионов с увеличением расстояния от промышленных центров свидетельствует о том, что они переносятся в атмосфере в виде сухих и влажных аэрозолей, а поэтому обладают ограниченной подвижностью.
Содержание гидрокарбонат-ионов в осадках примерно на порядок превосходит то, которое могло бы образовываться за счет растворения диоксида углерода, содержащегося в атмосфере при наблюдаемых значениях рН осадков (4.98-6.19). Поэтому можно предположить, что
основным источником гидрокарбонатов в осадках является процесс выветривания карбонатных пород.
Это подтверждается, с одной стороны, совпадением сезонной динамики гидрокарбонат-ионов и катионов кальция за весь период наблюдения, а с другой - тем фактом, что максимумы среднесезонных концентраций этих ионов приходятся, как правило, на весенне-летний и осенний периоды, когда отсутствует снежный покров и интенсифицируется процесс выветривания пород.
Наиболее серьезные сезонные колебания претерпевает концентрация катионов аммония в атмосферных осадках. Это связано, вероятно, с интенсивным распадом и биотрансформацией азотсодержащих удобрений в летний период и активизацией атмосферной составляющей одного из важнейших биогенных элементов - азота.
Источниками обогащения атмосферных осадков хлорид- и сульфат-ионами, кроме морских аэрозолей, могут являться выбросы промышленных предприятий. Причем вклад их, по-видимому, весьма существенен, учитывая несоответствие наблюдаемых соотношений между величинами (CCi/CNa) и ( ю /CNa) в атмосферных осадках и принятыми в качестве стандарта отношениями в морских аэрозолях (табл. 3.1).
Отклонения экспериментального отношения (Ссі/Ска)атм. в осадках от стандартного (Сс/Сма)м. позволили рассчитать долго антропогенных хлоридов в осадках (табл.3.2), изменяющуюся за рассматриваемый период от 0 до 63% от их общего содержания.
Оценка качества воды Куйбышевского водохранилища в пределах вод РТ
В соответствии с программой гидромониторинга в воде Куйбышевского водохранилища было исследовано содержание следующих компонентов и приоритетных загрязняющих веществ: растворенного кислорода (02), азота аммонийного (ЫНД нитритного (N02), нитратного (NO3), металлов (Fe, Си, Zn, Сг-6), фенолов, нефтепродуктов, СПАВ и некоторых обобщенных показателей (БПК5, ИЗВ). Из всех показателей, характеризующих гидрохимический состав воды на всех пунктах наблюдения (Зеленодольск, Казань, Чистополь, Тетюши), можно выделить наиболее динамичные - цинк, медь, аммонийные соли, нитраты и нефтепродукты, содержание которых значительно изменялось в отдельные годы. Анализ изменения гидрохимического состава воды Куйбышевского водохранилища во времени (1994-2004 гг.) показывает, что содержание кислорода, аммонийных солей, фенолов и СПАВ значительно не менялось. Для отдельных компонентов (ионов цинка, меди, железа) и для интегрального показателя загрязнения (ИЗВ) характерен минимум значений их концентраций, приходящийся на 1996-1998 гг., на графиках (рис. 4.1) это временное снижение выглядит в виде седловиной впадины.
Для следующей группы показателей - БПК5, нитриты, нитраты, хром (6+), нефтепродукты - характерно достоверное увеличение либо уменьшение содержания в воде водохранилища на всех станциях в пределах вод РТ (рис. 4.2). Из указанной группы показателей отмечен рост во времени содержания нитратных и нитритных форм азота, что согласуется с тенденцией увеличения суммарной концентрации соединений азота в атмосферных осадках на территории РТ, как было показано нами в Главе 3. В то же время для легкоокисляемых форм органических соединений и в меньшей степени для нефтепродуктов и хрома имеется тенденция к снижению их содержания в воде водохранилища за период исследования.
