Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические основы геоэкологической оценки водного рекреационного потенциала региона интенсивного хозяйственного освоения 11
1.1. Геоэкологические принципы оценки качества рекреационных ресурсов 11
1.2. Основы оценки водного рекреационного потенциала региона 18
1.3. Нормирование качества природных вод в современном водопользовании 21
Выводы 26
Глава 2. Методические основы региональной оценки состояния территорий рекреационного водопользования 27
2.1. Общая схема организации и этапы исследования 27
2.2. Методы оценки ландшафтного рекреационного потенциала региона 33
2.3. Анализ антропогенного влияния на объекты рекреационного водопользования 31
2.4. Аналитические методы оценки эколого-гигиенической ситуации объектов водной и прибрежной рекреации 36
2.4.1. Органолептический анализ качества природных вод 45
2.4.2. Гидрохимическая экодиагностика природных вод 49
2.4.3. Методы микробиологических исследований состояния поверхностных вод и донных отложений 64
2.4.4. Методы биотестирования состояния поверхностных вод и донных отложений 69
2.5. Оценка медико-географического риска на территории региона 72
2.6. Геоэкологическая оценка условий социально-культурного сервиса 74
2.7. Вероятностно-статистические методы и геоинформационное картографирование 79
Выводы 84
Глава 3. Гидрохимическая и микробиологическая экодиагностика объектов рекреационного водопользования Воронежской агломерации 86
3.1. Общая геоэкологическая характеристика территории 86
3.2. Гидрохимическая оценка качества природных поверхностных вод 92
3.3. Оценка уровня загрязнения водных объектов колиморфными бактериями 98
3.4. Геоэкологическая характеристика качества источников питьевого водоснабжения на территории региона 106
Выводы 115
Глава 4. Оценка состояния объектов рекреационного водопользования методами биотестирования 118
4.1. Оценка общей токсичности поверхностных водных объектов 118
4.2. Оценка генотоксичности объектов водопользования 121
Выводы 125
Глава 5. Типизация территории по качеству рекреационного водопользования и мероприятия по повышению водного рекреационного потенциала 127
5.1. Рейтинговая оценка и интегральное зонирование территории по качеству рекреационного водопользования 127
5.2. Статистический анализ взаимообусловленности критериев геоэкологической оценки качества участков рекреации 145
5.3. Типизация территории по сходству критериев природной экологической комфортности и социально-культурного сервиса 151
5.4. Геоэкологические основы региональной водохозяйственной политики для обеспечения рационального водопользования 156
Выводы 161
Заключение 163
Список литературы 168
Приложения 191
Приложение 1. Типичные участки территорий различной водной рекреационной комфортности (фотоматериалы) 192
Приложение 2. Справочник объектов отбора проб поверхностных природных вод и донных отложений 195
Приложение 3. Результаты аналитических исследований качества объектов водной рекреации 199
Приложение 4. Результаты ранжирования объектов водной рекреации по степени геоэкологической комфортности 220
- Нормирование качества природных вод в современном водопользовании
- Гидрохимическая экодиагностика природных вод
- Оценка уровня загрязнения водных объектов колиморфными бактериями
- Статистический анализ взаимообусловленности критериев геоэкологической оценки качества участков рекреации
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Состояние окружающей среды на урбанизированных территориях формируется под влиянием комплекса природных и техногенных факторов. Территория Воронежской городской агломерации испытывает значительное давление со стороны агропромышленного, в первую очередь, со стороны сельскохозяйственного сектора экономики. Важным условием, определяющим характер хозяйственной деятельности на территории муниципальных районов области, является водный фактор, который одновременно является важнейшим рекреационным ресурсом в жизнедеятельности населения региона. В связи с этим особую актуальность приобретают геоэкологические исследования, связанные с оценкой водного рекреационного потенциала и экологическим обоснованием региональной водохозяйственной политики в урбанизированных регионах.
Степень разработанности проблемы. Теоретические основы геоэкологической оценки природных ресурсов и уровня рекреационного потенциала обоснованы во многих классических трудах отечественных и зарубежных ученых по геоэкологии, региональному водопользованию, а также теории экологических рисков (Бережной А.В.,2012; Беспалова Л.А.,2010; Веденин Ю.А.,1969; Деркачева Л.Н.,2000; Евстропьева О.В.,2001; Закруткин В.Е., 2010; Жердев В.Н.,2006; Ивлиева О.В., 2016; Котлярова Е.А.,1978; Куролап С.А., 2016; Ла-зицкая Н.Ф.,2014; Мазитова Д.В.,2010; Мамчик Н.П.,1995; Преображенский В.С.,1974, 1986; Нестеров Ю.А.,2009; Онищенко Г.Г., 2002; Рощевкин Р.С.,2013; Смирнова А.Я., 1995; Саранча М.А.,2005; Федотов В.И.,2001; Хованский А.Д., 2016; Glavan V.,2006; Mazilu M., 2010; Smazak D.,2013). Однако в литературе отсутствует комплексное исследование уровня химических и микробных загрязнений поверхностных водоемов территории Воронежской городской агломерации в местах повышенной антропогенной, в том числе рекреационной нагрузки, а также оценка экологического риска для здоровья населения, связанная с летним отдыхом у водных объектов.
Цели и задачи исследования. Целью исследований является комплексная геоэкологическая оценка качества водных объектов, природно-экологического потенциала и услуг сервиса на территории рекреационных зон Воронежской городской агломерации, а также зонирование территории для оптимизации использования водного рекреационного потенциала в условиях интенсивной урбанизации.
Для достижения цели поставлены и решены следующие основные задачи.
-
Составление реестра участков (пунктов) водной и прибрежной рекреации на территории Воронежской городской агломерации (санаториев, туристических баз, баз отдыха, систематически посещаемых неорганизованных мест пляжной рекреации вблизи населенных пунктов и садово-дачных кооперативов, потенциальных зон рекреации кратковременного и многофункционального назначения вблизи районов перспективного градостроительного освоения).
-
Разработка методики балльно-рейтинговой геоэкологической оценки состояния мест водной и прибрежной рекреации на территории региона.
-
Оценка роли факторов природного характера, формирующих качество мест водной и прибрежной рекреации.
-
Проведение аналитических и микробиологических исследований качества поверхностных водных ресурсов и донных отложений на участках водной и прибрежной рекреации.
-
Исследование качества поверхностных вод и донных отложений методами биотестирования.
-
Оценка эколого-эпидемиологического риска участков рекреационного водопользования.
-
Сравнительный анализ качества социально-культурного сервиса на участках водной и прибрежной рекреации.
-
Комплексная геоэкологическая диагностика участков водной и прибрежной рекреации на основании статистической оценки связей в системе «комфортность природных условий – качество вод – состояние донных отложений – эпидемиологический риск – комфортность услуг социально-культурного сервиса».
-
Типизация районов по интегральным критериям состояния рекреационного водопользования с применением вероятностно-статистического анализа и геоинформационного картографирования.
Объект исследования – участки территории Воронежской городской агломерации водной и прибрежной рекреации (р. Дон, р. Воронеж, Воронежское водохранилище, р. Усмань, р. Ольшанка, р. Ведуга, р. Девица, р. Хава, р. Рос-сошка, р. Еманча, пруды и озера региона).
Предметом исследования является геоэкологическая оценка уровня химического и микробного загрязнения поверхностных вод и донных отложений, природных, экологических и социально-культурных условий рекреации, а также эпидемиологической безопасности населения на основе комплекса аналитических, микробиологических, статистических, геоинформационных методов исследования.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Тема диссертационной работы соответствует паспорту специальности 25.00.36 - «Геоэкология»: п. 1.8. «Природная среда и геоиндикаторы ее изменения под влиянием урбанизации и хозяйственной деятельности человека: химическое и радиоактивное загрязнение почв, пород, поверхностных и подземных вод и сокращение их ресурсов, наведенные физические поля, изменение криолитозоны»; п. 1.10. Разработка научных основ рационального использования и охраны водных, воздушных, земельных, рекреационных, минеральных, энергетических ресурсов Земли, санация и рекультивация земель, ресурсосбережение; п. 1.17. «Геоэкологическая оценка территорий. Современные методы геоэкологического картирования, информационные системы в геоэкологии. Разработка научных основ государственной экологической экспертизы и контроля».
Защищаемые положения
1. Разработан методический подход к комплексной геоэкологической оценке состояния территорий рекреационного водопользования крупного урбанизированного региона. Водный рекреационный потенциал территорий рассчи-
тан с помощью интегральной балльно-рейтинговой оценки качества среды, антропогенной нагрузки, комфортности природных условий, величины эпидемиологического риска, уровня социально-культурного сервиса.
2. Экодиагностика качества вод выявила превышение санитарно-
гигиенических нормативов по гидрохимическим показателям, а также высокий
уровень микробного загрязнения поверхностных вод и донных отложений. Не
удовлетворительное состояние водных объектов объясняется высокой антропо
генной и рекреационной нагрузкой.
3. Итоговая интегральная оценка территорий позволила расположить му
ниципальные территории в следующем последовательном ряду по снижению
уровня общей геоэкологической комфортности: Новоусманский > Рамонский >
Нижнедевицкий > Семилукский > Каширский > Верхнехавский > Хохольский
районы > городской округ город Воронеж.
Научная новизна работы определяется применением оригинального геоэкологического подхода к качественной оценке условий водной и прибрежной рекреации с применением аналитических, микробиологических методов и методов биотестирования, статистических связей в системе «комфортность природных условий – качество вод – состояние донных отложений – эпидемиологический риск – комфортность услуг социально-культурного сервиса», с применением методов геоинформационного картографирования. Впервые выполнена интегральная типизация территории Воронежской городской агломерации по уровням экологического риска, связанного с качеством рыбохозяйственного и рекреационного водопользования. Впервые осуществлена балльно-рейтинговая оценка участков водной рекреации и разработана система мероприятий по оптимизации водопользования, а также снижению экологического риска для населения, обусловленного водным фактором.
Практическая значимость определяется возможностью использования результатов исследования для совершенствования региональной водохозяйственной политики и индивидуального предпринимательства, повышения экологической безопасности и комфортности водопользования в регионе. Результаты работы являются информационной базой региональной политики в области охраны поверхностных вод, повышения качества водопользования и внедрены в виде методических рекомендаций в деятельность региональных природоохранных служб и туристских организаций (Центр гигиены и эпидемиологии в Воронежской области).
Методология и методы исследования. Методология исследования осно
вана на трудах ведущих отечественных и зарубежных ученых в области геоэколо
гии, регионального водопользования и теории экологических рисков. В работе
применялись методы экологической гидрохимии и микробиологии, биотестиро
вания, ландшафтно-экологического анализа, оценки эпидемиологического риска,
социально-экологического оценивания, многомерного вероятностно-
статистического анализа в MS EXCEL, STADIA и геоинформационного картографирования в среде MapInfo Professional.
Фактический материал. Исходными материалами при решении поставленных задач явились результаты практических работ: натурных наблюдений, ла-
бораторно-инструментальных исследований качества объектов рекреационного водопользования, анализа проб природных поверхностных вод и донных грунтов, статистической обработки аналитических исследований, полученные лично автором в период 2014 - 2016 гг. В анализе качества вод, состояния хозяйственно-питьевого водоснабжения региона и распространении природно-очаговых болезней использованы фондовые данные Центра гиены и эпидемиологии в Воронежской области.
Достоверность научных исследований обеспечена использованием значительного объема репрезентативных данных, отобранных в соответствии с действующими государственными и отраслевыми стандартами; применением современных аналитических, статистических и геоинформационных методов обработки и анализа исходного материала, осуществленных на базе аттестованной эколого-аналитической лаборатории факультета географии, геоэкологии и туризма ВГУ (свидетельство об аттестации измерений № 217.0001/11 от 10.05.2016г.), а также выполненных с применением лицензионных программных средств (EXCEL, STADIA, MapInfo).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 13 научных работах, в том числе 5 статей опубликованы в ведущих рецензируемых журналах перечня ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертация изложена на 231 странице машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, заключения и выводов, библиографического указателя, включающего 200 источников, в том числе 21 источник иностранной литературы, приложения на 40 страницах. Диссертация в основном тексте иллюстрирована 28 таблицами и 28 рисунками.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.г.н., профессору С.А. Куролапу, а также доцентам: к.б.н. Е.Ю. Ивановой, к.х.н. Т.И. Прожориной, к.г.н. Н.В. Кавериной и к.г.н. Ю.А. Нестерову за методическую помощь в обработке фактического материала.
Нормирование качества природных вод в современном водопользовании
Составным элементом мероприятий по охране природных вод является нормирование допустимых значений показателей ее состава и свойств, в пределах которых обеспечиваются стабильные показатели здоровья населения, состояния окружающей среды и благоприятные условия водопользования. Для оценки качества воды анализируется ее химический состав, физические свойства и уровень микробного загрязнения. Перечень гидрохимических показателей и характеристик определяется в зависимости от особенностей геологического строения, растительности, климата данной территории, специфики технологических процессов объектов хозяйства, назначения водного объекта.
Приоритетные загрязнители природных поверхностных вод тесно связаны с содержанием элементов в земной коре, которые вымываются в подземные воды. Высокая концентрация тех или иных элементов сказывается на качестве поверхностных водоемов, особенно в летнее время, когда осуществляется преимущественно грунтовое питание водных объектов. Климатические характеристики влияют на процессы испарения с поверхности водного зеркала, на показатели ледостава в зимнее время. Количество снега оказывает воздействие на процесс разбавления природных поверхностных вод.
Нормы качества природных поверхностных вод включают в себя общие требования к составу и свойствам проб поверхностных вод для различных видов использования. Оценочные показатели для установления качества вод подразделяются на три большие группы, представленные в таблице 1.1.
Согласно СанПиН 2.1.5.980-00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод» в зависимости от основной функциональной цели различают водные объекты хозяйственно-питьевого и рыбохозяйственного назначения [146]. Существующие санитарно-гигиенические нормативы предельно допустимых концентраций (ПДК) различаются в зависимости от категории вод. ПДК в воде хозяйственно-питьевого использования устанавливается нормативными документами таким образом, чтобы загрязняющее вещество не оказывало прямого или косвенного влияния на организм человека в течение всей его жизни и на здоровье последующих поколений, и не ухудшало гигиенические условия водопользования [119]. Помимо гидрохимических и микробиологических характеристик для вод хозяйственно-питьевого назначения нормируются и органолептические показали, влияющие на запах и вкус воды.
Нормативы ПДК загрязняющих веществ для вод рыбохозяйственного назначения предъявляют, как правило, более строгие требования к качеству воды, так как нормируют негативное влияние на популяции гидробионтов (в том числе промысловых видов рыб), которые имеют более высокую чувствительность к качеству среды обитания [146].
Нормирование качества воды состоит в установлении совокупности допустимых значений показателей ее состава и свойств, в пределах которых надежно обеспечиваются здоровье населения, благоприятные условия водопользования и экологическое благополучие водного объекта.
Предельно допустимая концентрация вещества в воде устанавливается:
а) для хозяйственно-питьевого назначения с учетом трех показателей вредности: органолептического, общесанитарного, санитарно токсикологического;
б) для рыбохозяйственного использования с учетом следующих показателей вредности: органолептического, санитарного, санитарно токсикологческого, токсикологического [146]. Органолептический показатель вредности характеризует способность вещества изменять органолептические свойства воды; общесанитарный -определяет влияние вещества на процессы естественного самоочищения вод за счет биохимических и химических реакций с участием естественной микрофлоры. Санитарно-токсикологический показатель характеризует вредное воздействие на организм человека, а токсикологический показывает токсичность вещества для живых организмов, населяющих водный объект. Рыбохозяйственный показатель вредности определяет порчу качества промысловых рыб.
Рыбохозяйственные ПДК должны удовлетворять ряду условий, при которых не должны наблюдаться: гибель рыб и кормовых организмов для рыб; постепенное исчезновение видов рыб и кормовых организмов; ухудшение товарных качеств обитающей в водном объекте рыбы; замена ценных видов рыб на малоценные.
Воздействие на поверхностные воды обусловлено природными и антропогенными причинами. Природные факторы воздействия обычно вызваны катастрофами – вулканами, селям, землетрясениями, пожарами естественного происхождения. Антропогенные факторы вызваны непосредственно действиями человека [115].
В результате различных воздействий происходит:
1) загрязнение водных объектов – сброс или поступление иным способом в водные объекты загрязняющих веществ, а также образование в них новых вредных соединений, которые ухудшают качество поверхностных и подземных вод, ограничивают их использование или негативно влияют на состояние дна и берегов водных объектов;
2) засорение водных объектов – сброс или поступление иным способом в водные объекты предметов или взвешенных частиц, ухудшающих состояние и затрудняющих их использование;
3) истощение водных объектов – устойчивое сокращение запасов и ухудшение качества поверхностных и подземных вод [155].
Согласно рекомендациям Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) вода считается загрязнённой, если в результате изменения её состава или состояния она становится менее пригодной для любых видов использования, в то время как в природном состоянии воды соответствовали предъявляемым требованиям. Определение касается физических, химических и биологических свойств, а также наличия в воде посторонних жидких, газообразных, твёрдых и растворённых веществ.
Допустимая степень загрязнения определяет пригодность водного объекта для всех видов водопользования населения практически без каких-либо ограничений [2].
Умеренная степень загрязнения свидетельствует об известной опасности для населения культурно-бытового водопользования на водном объекте. Его использование как источника хозяйственно-питьевого водоснабжения без снижения уровня химического загрязнения на очистных водопроводных сооружениях может привести к появлению начальных симптомов интоксикации у части населения, особенно при наличии в воде веществ 1 и 2 классов опасности
Высокая степень загрязнения указывает на безусловную опасность культурно-бытового водопользования на водном объекте. Недопустимо использование такого водного объекта как источника хозяйственно-питьевого водоснабжения из-за сложности удаления токсических веществ в процессе водоподготовки на водопроводных сооружениях. Употребление в питьевых нуждах воды, имеющей высокую степень загрязнения, может привести к появлению у населения симптомов интоксикации и развитию отдаленных эффектов, особенно в случае присутствия в воде веществ 1 и 2 классов опасности.
Чрезвычайно высокая степень загрязнения водного объекта определяет его абсолютную непригодность для всех видов водопользования [2]. С гигиенической точки зрения загрязнение является экстремально высоким и даже кратковременное использование водного объекта опасно для здоровья населения.
Гидрохимическая экодиагностика природных вод
Гидрохимическая экспресс-диагностика качества природных вод проведена нами по комплексу общепринятых показателей в системах экологического мониторинга вод на основе использования стандартных методик, описанных ниже.
Водородный показатель представляет собой отрицательный логарифм концентрации водородных ионов в растворе: рН=-lg(Н+)
pH воды - один из важнейших рабочих показателей качества воды, во многом определяющий характер химических и биологических процессов, происходящих в воде. В зависимости от величины pH может изменяться скорость протекания химических реакций, степень коррозионной агрессивности воды, токсичность загрязняющих веществ. Для всех водных живых организмов (за исключением некоторых кислотоустойчивых бактерий) минимально возможная величина рН равна 5. Пониженное значение рН характерно для болотных вод за счет повышенного содержания гуминовых и других природных кислот. Измерение рН при контроле качества природной и питьевой воды проводится практически повсеместно. Для определения рН используется метод рН-метрии, измерения проводятся с помощью стационарных лабораторных приборов – рН-метров. Норматив для вод хозяйственно-питьевого назначения – 6,0 - 9,0, для вод рыбохозяйственного назначения – 6,5 – 8,5. В зависимости от уровня рН воды можно условно разделить на несколько групп, представленных в таблице 2.7 [86, 94].
Жесткость воды – одно из важнейших свойств, имеющее большое значение при водопользовании. Жесткость воды обусловлена присутствием растворимых и малорастворимых солей-минералов, главным образом кальция и магния. Кроме указанных, к солям жесткости относят также соли стронция, цинка и другие, однако в поверхностных и грунтовых природных водах из перечисленных катионов в заметных концентрациях присутствуют практически исключительно кальций и магний. При жесткости до 4 ммоль/л вода считается мягкой; от 4 до 7 ммоль/л – средней жесткости; от 7 до 10 ммоль/л – жесткой; более 10 ммоль/л – очень жесткой. Величина жесткости воды может варьировать в широких пределах в зависимости от типа пород и почв, слагающих бассейн водосбора, а также от сезона года и погодных условий.
Из всех солей, относящихся к солям жесткости, выделяют гидрокарбонаты, сульфаты и хлориды. Содержание других растворимых солей кальция и магния в природных водах обычно очень мало. Жесткость, придаваемая воде гидрокарбонатами, называется гидрокарбонатной или устранимой (временной), так как гидрокарбонаты при температуре более 60С разлагаются с малорастворимых карбонатов [107].
Соли магния в природных водах встречается реже, чем соли кальция, так как магнезитовые породы мало распространены. Поэтому в пресных водах преобладает так называемая кальциевая жесткость.
Жесткость, обусловленная хлоридами или сульфатами, называется неустранимой (постоянной), так как эти соли устойчивы при нагревании и кипячении воды. Суммарная жесткость воды, то есть общее содержание растворимых солей кальция и магния, получила название общей жесткости.
Для определения общей жесткости нами использовался объемный трилонометрический метод, который относится к числу комплексонометрических. Определение суммарного содержания ионов кальция и магния основано на способности трилона Б образовывать прочные комплексные соединения в щелочной среде с этими ионами, замещая свободные ионы водорода на двухвалентные катионы кальция и магния.
Общую жесткость пробы вычисляют по итоговой формуле, учитывающей нормальность раствора трилона Б, поправочный коэффициент к нормальности раствора трилона Б, объем анализируемой пробы, а также количество раствора трилона Б, пошедшего на титрование [86].
Кальций – довольно распространенный ион природных вод, один из главнейших ионов наряду с гидрокарбонат–ионом. В соленых водах встречается преимущественно в виде сульфатов и хлоридов.
Широкое распространение получил трилонометрический метод определения кальция, который основан на применении трилона Б в присутствии индикатора мурексида, представляющего собой аммониевую соль пурпурной кислоты.
Метод определения массовой концентрации катиона кальция аналогичен методу определения общей жесткости с трилоном Б с той разницей, что анализ проводится в сильнощелочной среде (при рН 12–13) в присутствии индикатора мурексида. Титрование проводят до появления четко выраженной лиловой окраски от одной капли раствора трилона Б [90].
Количество магния определяется расчетным методом как разница величины общей жесткости и кальция. Пересчет содержания магния из ммоль/л в мг/л производят умножением на эквивалентный вес магния, равный 12,16 [107].
Биогенными элементами или биогенами традиционно считаются элементы, входящие в значительных количествах в состав живых организмов. Круг элементов, относимых к биогенным, достаточно широк: это азот, фосфор, сера, железо, кальций, магний, калий и другие.
Вопросы контроля качества воды и геоэкологической оценки водоемов внесли в понятие биогенных элементов более широкий смысл: к ним относят соединения (точнее, компоненты воды), которые, во-первых, являются продуктами жизнедеятельности различных организмов и, во-вторых, являются «строительным материалом» для живых организмов. В первую очередь, к ним относятся соединения азота (нитраты, нитриты, органические и неорганические аммонийные соединения), а также фосфора (ортофосфаты, полифосфаты, органические эфиры фосфорной кислоты и др.) [107].
Катионы аммония являются продуктом микробиологического разложения белков животного и растительного происхождения. Образовавшийся таким образом аммоний-ион вновь вовлекается в процесс синтеза белков, участвуя тем самым в биологическом круговороте веществ (цикле азота). По этой причине аммоний-ион в небольших концентрациях обычно присутствует в природных водах.
Существуют два основных источника загрязнения окружающей среды аммонийными соединениями. Аммонийные соединения в больших количествах входят в состав минеральных и органических удобрений, избыточное и неправильное применение которых приводит к соответствующему загрязнению водоемов. Кроме того, аммонийные соединения в значительных количествах присутствуют в органических отходах, фекальных массах. Не утилизированные должным образом нечистоты могут проникать в грунтовые воды или смываться поверхностными стоками в водоемы. Стоки с пастбищ и мест скопления скота, сточные воды от животноводческих комплексов, а также бытовые и хозяйственные стоки всегда содержат большие количества аммонийных соединений. Опасное загрязнение грунтовых вод хозяйственными и бытовыми сточными водами происходит при разгерметизации системы канализации. По этим причинам повышенное содержание аммонийного азота в поверхностных водах обычно является признаком хозяйственно-фекальных загрязнений.
Для определения концентрации аммоний-иона в пробах вод используют фотоколориметрический метод. В щелочном растворе аммиак реагирует с тетраиодомеркуратом (II) калия (реактивом Несслера), образуя окрашенные желто-коричневые соединения, выпадающие в осадок или переходящие в коллоидные растворы при малых концентрациях. ПДК аммоний-иона в воде водоемов составляет 2,0 мг/л по аммонийному азоту для вод хозяйственно-питьевого назначения и 0,5 мг/л для вод рыбохозяйственного назначения. Лимитирующий показатель вредности – общесанитарный [88].
Нитритами (NO2-) называются соли азотистой кислоты. Нитрит-анионы являются промежуточными продуктами биологического разложения азотсодержащих органических соединений. Нитрифицирующие бактерии превращают аммонийные соединения в нитриты в аэробных условиях. Некоторые виды бактерий в процессе своей жизнедеятельности также могут восстанавливать нитраты до нитритов, однако это происходит уже в анаэробных условиях.
Благодаря способности превращаться в нитраты, нитриты, как правило, отсутствуют в поверхностных водах. Поэтому наличие в анализируемой воде повышенного содержания нитритов свидетельствует о загрязнении воды, причем с учетом частично прошедшей трансформации азотистых соединений из одних форм в другие.
Метод определения нитритов основан на реакции нитрат-аниона в среде азотистой кислоты с реактивом Грисса (смесью сульфаниловой кислоты и -нафтиламина). При этом протекают реакции диазотирования и азосочетания, в результате которых образуется азосоединение (азокраситель), имеющее пурпурную окраску.
ПДК нитритов в хозяйственно-питьевых водах составляет 3,3 мг/л и 0,08 мг/л для вод рыбохозяйственого назначения (по NO2-) [96].
Нитраты (NO3-) являются солями азотной кислоты и обычно присутствуют в воде. Нитратобразующие (нитратфиксирующие) бактерии превращают нитриты в нитраты в аэробных условиях. Под влиянием солнечного излучения атмосферный азот (N2) превращается также преимущественно в нитраты посредством образования оксидов азота. Многие минеральные удобрения содержат нитраты, которые при избыточном или нерациональном внесении в почву приводят к загрязнению водоемов. Источниками загрязнения нитратами являются также поверхностные стоки с пастбищ, скотных дворов, молочных ферм.
Оценка уровня загрязнения водных объектов колиморфными бактериями
Воронежская область – регион, специализирующийся на сельском хозяйстве. Водные ресурсы подвержены биологическому загрязнению, поступающему вместе со смывами с сельскохозяйственных полей, животноводческих ферм, бытовыми стоками.
Одним из важнейших показателей качества питьевых и природных вод является коли-индекс – количество кишечной палочки в 1 л воды (в 1 кг для донных грунтов). Альтернативным показателем является коли-титр - наименьший объем анализируемой воды в мл или почвы в кг, в котором обнаруживается хотя бы одна кишечная палочка. Кишечная палочка (Escherichia Соїї) проникает в поверхностные водные объекты чаще всего в результате сброса фекальных вод из устаревших или неоптимальных канализационных конструкций, а также в случае, если водные объекты активно применяются для водопоя сельскохозяйственных животных.
Существенное увеличение количества кишечной палочки обычно наблюдается в теплое время года, в период купального сезона. Активное размножение термофильной бактерии происходит при повышении температуры воды. Патогенные разновидности кишечной палочки могут провоцировать развитие различных патологических состояний, таких как кишечные отравления или гемолитико-уремический синдром, становящийся причиной поражения почек. При попадании кишечной палочки в мочеполовую систему возможно развитие цистита, вульвовагинита или уретрита.
Общую обсемененность водоема микроорганизмами позволяет оценить параметр общего микробного числа (в 1 л исследуемой воды или 1 кг донного грунта). Результаты исследования уровней микробного загрязнения поверхностных вод приведены в приложении 3.4. Исходя из результатов микробиологического анализа, поверхностные воды были проранжированы с последующим присвоением определенной категории качества в соответствии с классификацией С. М. Драчева (таблица 3.2, рисунок 3.4) [38].
На основании анализа показателя общего микробного числа установлено, что большая часть поверхностных вод Воронежской агломерации относится к категории «загрязненные» - 47,5% от общего количества проб воды; к категории «умеренно загрязненные» относится 37,5 %; а категории «грязные» соответствует 15% проб.
Причем, наиболее высокие показатели микробного числа в среднем характерны для вод Верхнехавского, Хохольского, Нижнедевицкого, Семилукского муниципальных районов, а также г.о.г. Воронеж. В данных районах большая часть поверхностных вод относится к категориям «загрязненные» и «грязные». К умеренно загрязненным можно отнести большую часть вод Новоусманского, Каширского и Рамонского районов. Диапазон значений микробного числа в поверхностных водах варьирует от 1 103 до 2105 [79].
В среднем более высокие значения показателя микробного числа донных отложений были выявлены на территориях Верхнехавского, Семилукского районов, а также г.о.г. Воронеж. Наименее загрязненными стали донные отложения Рамонского муниципального района. Значения показателя составили от 2103 до 4106.
Достоверность полученных результатов подтверждается достаточно высоким значением коэффициента корреляции между показателем общего микробного числа в пробах природных поверхностных вод и донных отложений (r=0,34).
Согласно данным центра гигиены и эпидемиологии Воронежской области в 2015-2016 гг. на территории области отмечен рост инфекций с фекально-оральным путем передачи, 59,7% из которых составляют случаи острой кишечной инфекции (ОКИ) неизвестной этиологии. В 2016 году заболеваемость ОКИ превышает среднемноголетний уровень заболеваемости на 6,0%; в целом, отмечен рост заболеваемости ОКИ на 2,8% (4929 случаев; 481,5 на 100 тыс. населения) к уровню 2015 года (4753 или 468,5). Анализ возрастной структуры заболевших ОКИ свидетельствует, что основная доля заболеваемости приходится на возрастную группу «дети до 17 лет» – 3696 случая или 2383,7 на 100 тыс. населения, что составляет 75,0% от всех заболевших. В возрастной группе до 14 лет зарегистрировано 3657 случаев (74,2%) к 3548 случаям (75,0%) в 2015 году. Взрослое население составило 25,0% [37].
В 2016 году на 14,4% увеличилось количество заболеваний ОКИ бактериальной этиологии. В целом, бактериальные возбудители являются причиной ОКИ в 39,8% случаев по данным на 2016 год (43% на 2015 год). В 76,8% случаев возбудителями ОКИ являлись эшерихии (73,9% по состоянию на 2015 год) [37].
Для Воронежского региона характерен высокий уровень загрязнения вод бактериями группы кишечной палочки, что объясняется хозяйственной специализацией территории на животноводстве и сельском хозяйстве. Фекальные отходы попадают в поверхностные воды во время выпаса скота, от домашних и диких водоплавающих птиц, со смывами органических удобрений и отходов с сельскохозяйственных полей и животноводческих ферм. Наши данные свидетельствуют, что в соответствии с показателем загрязненности колиморфными бактериями воды большинства рекреационных участков региона относятся к категории «грязные» (рисунок 3.5).
Максимальные значения коли-индекса были установлены для вод Нижнедевицкого и Хохольского муниципальных районов, однако в среднем поверхностные воды районов соответствуют категории «загрязненные». Наименьший уровень загрязнения вод бактериями группы кишечной палочки выявлен для поверхностных вод Каширского и Рамонского районов.
Общий вывод о загрязненности объектов рекреационного водопользования колиморфными бактериями был сделан на основании анализа полученных значений коли-индекса для природных поверхностных вод и донных отложений. В целом, на исследуемой территории выявлен высокий уровень загрязнения вод бактериями группы кишечной палочки. Общий уровень загрязненности вод колиморфными бактериями представлен в виде рангов на рисунке 3.6 (с увеличением значения ранга увеличивается уровень загрязнения объектов водной рекреации колиморфными бактериями).
В целом наиболее высокий уровень загрязнения природных вод бактериями группы кишечной палочки характерен для водоемов Хохольского, Семилукского, Верхнехавского и частично Нижнедевицкого районов, испытывающих высокую нагрузку со стороны сельскохозяйственного сектора. Большая часть территорий данных районов распахана и занята сельскохозяйственными угодьями, с которых в поверхностные водные объекты поступают сточные воды, содержащие органические удобрения. В Верхнехавском районе располагаются лаборатории крупного научно-исследовательского института овощного хозяйства. Вблизи объектов водопользования осуществляется выпас скота. В связи с этим часто не соблюдается особый режим водоохранной зоны, домашние животные заходят на территорию поймы на водопой. Помимо животных, на территориях большое количество домашних и диких водоплавающих птицы. Для районов характерна интенсивная частная застройка, не имеющая централизованной канализационной системы.
Средний уровень загрязнения вод колиморфными бактериями выявлен для водных объектов г.о.г. Воронеж, территорий Каширского и частично Новоусманского района. Воронежское водохранилище – эвтрофированный водных объект, испытывающий влияние промышленности, бытовых и канализационных стоков. Процесс роста и размножения микроорганизмов интенсифицируется в районе Вогрессовского моста на левом берегу города, где в водохранилище сбрасывает свои подогретые воды ТЭЦ-1. Дополнительную нагрузку на водохранилище осуществляет воронежский сафари-парк «Червленый Яр», располагающийся в районе плотины в левобережной части города около микрорайона «Таврово». В сафари-парке содержат бизонов, зубров, северных оленей, японских свинок, овец и коз.
Каширский район не испытывает высокой антропогенной нагрузки. Это наименее населенный район территории Воронежской агломерации. Большинство водоемов находится на удалении от жилой застройки и сельскохозяйственных угодий. Район не является привлекательным местом летнего отдыха среди рекреантов, на данной территории находится небольшое количество водных объектов, поэтому интенсивной нагрузки воды района не получают [79].
Статистический анализ взаимообусловленности критериев геоэкологической оценки качества участков рекреации
Для выявления взаимосвязей между параметрами состояния окружающей среды, величиной антропогенной нагрузки и уровнем сервиса была проведена статистическая обработка результатов натурных исследований с помощью статистического корреляционного анализа. Наиболее значимые показатели корреляционного анализа приведены в таблице 5.2.
О достоверности результатов свидетельствует достаточно большое количество (58% от общего числа) коэффициентов ранговой корреляции, превышающих пороговое значение статистической достоверности (r=±0,20). Для повышения репрезентативности результатов из исследования были исключены значения корреляции, превышающие r=±0,90 для устранения эффекта мультиколлинеарности и искусственного завышения показателей тесно связанными параметрами. Анализ коэффициентов корреляции между критериями геоэкологической и социально-экономической оценки позволил выявить некоторые закономерности.
Уровень ландшафтного рекреационного потенциала территории во многом определяет качество природных поверхностных вод (коэффициент корреляции составил +0,55). Основными антропогенными причинами загрязнения водоемов в области является смыв с сельскохозяйственных угодий, выпас скота в припойменных территориях, отсутствие централизованной канализационной системы. Организация нового строительства, устройство посевных площадей требует вырубки древесных насаждений. Соответственно, облесенные территории сохранились лишь на некотором удалении от населенных пунктов и хозяйственно освоенных территорий, в местах с меньшей антропогенной нагрузкой, в том числе и на водные объекты. Наличие древесных насаждений на территории поймы препятствует попаданию в поверхностные воды в полном объеме смывов в период половодья, паводков, полива сельскохозяйственных площадей. Уровень дигрессии пляжей напрямую свидетельствует о величине рекреационной нагрузки и хозяйственной освоенности территории. Комфортность мест рекреации для купания, то есть ширина и глубина водного объекта, позволяет сделать предварительную ориентировочную оценку качества поверхностных вод. Чем больше площадь водного зеркала и глубина объекта, тем интенсивнее процессы разбавления в водной экосистеме, следовательно, меньше концентрации основных загрязняющих веществ. Главной проблемой водных объектов области является процесс эвтрофикации вследствие высокого содержания органических веществ, азотистых соединений. Чем больше объем водного объекта, тем ниже вероятность замора гидробионтов. Устойчивая связь прослеживается между возможностью въезда автомобильного транспорта в пойму и качеством водных объектов. Возможность неограниченного въезда обуславливает большую рекреационную нагрузку на территорию, что становится причиной замусоренности и дигрессии зон рекреации.
Высокий уровень сервиса позволяет сохранить удовлетворительное качество водных объектов (коэффициент корреляции между показателями составил +0,44). Организованная парковка автотранспорта и ограничение въезда автомобилей на территорию пляжа помогает избежать интенсивной дигрессии. В целом, качественный сервис в местах рекреации обуславливает чистоту пляжей и более высокие показатели ландшафтного потенциала. Коэффициент корреляции между параметрами ландшафтного рекреационного потенциала и социально-культурными условиями составил +0,54. Туристические базы, как правило, находятся на удалении от сельскохозяйственных полей и частного сектора, поэтому в местах с высоким уровнем сервиса отмечается меньшее микробное загрязнение водных объектов, в том числе колиморфными бактериями. В целом места с более высоким сервисом характеризуются чистотой, ограничением движения автотранспорта. Водные объекты испытывают меньшую нагрузку, качество вод удовлетворительное. Территории являются более привлекательными для освоения, в том числе для целей экологического туризма, так как имеют высокий ландшафтный рекреационный потенциал.
Коэффициент корреляции между социально-культурными условиями и пригодностью для экотуризма составил +0,52. Однако, с другой стороны, наиболее комфортные для отдыха зоны являются местами концентрации рекреантов, что провоцирует более высокую эпидемиологическую опасность. Коэффициент корреляции между социально-культурными условиями и эпидемиологической опасностью составил +0,42.
Выявлена определенная закономерность между обнаружением патогенных и условно патогенных микроорганизмов и близостью расположения сельскохозяйственных полей (коэффициент корреляции составил +0,38). В пробах донных отложений были обнаружены стафилококки (Staphylococcus), энтерококки (Enterococcus), стрептококки (Streptococcus), которые содержатся в микрофлоре кишечника и кожных покровов человека и животных и могут попадать в воды вместе со смывами с животноводческих ферм или в процессе водопоя животных.
Высокий показатель корреляционной связи выявлен для параметров транспортной доступности и эпидемиологической опасностью (r= +0,75). Высокая транспортная доступность и большая протяженность дорог с твердым покрытием обуславливают высокую рекреационную нагрузку. Эпидемиологическая опасность также связана с общей численностью населения муниципальных районов. В местах с большей плотностью населения более развитая инфраструктура, в том числе и показатели транспортной доступности.
Корреляционный анализ позволил выявить взаимосвязь между генотоксичностью поверхностных вод, донных отложений и близостью сельскохозяйственных угодий (r= +0,25). Параметр генотоксичности позволяет с помощью методов биотестирования установить величину канцерогенной активности анализируемой среды. Мутагенный эффект проб поверхностных вод и донных отложений может быть обусловлен содержанием пестицидов в смывах с сельскохозяйственных площадей, попадающих в поверхностные водные объекты [22].
О достоверности полученных данных позволяют судить достаточно высокие коэффициенты корреляции, полученные для результатов органолептических, аналитических, микробиологических исследований.
Например, коэффициент корреляции между показателями общей токсичности для поверхностных вод и донных отложений составил +0,80; для параметра генотоксичности поверхностных вод и донных грунтов - +0,85; для уровней загрязнения поверхностных вод и донных отложений колиморфными бактериями - +0,33. Параметр общей токсичности с водорослью хлорелла в качестве тест объекта тесно связан с химическим загрязнением поверхностных вод.
Коэффициент корреляции между гидрохимическими показателями и токсичностью поверхностных вод/донных отложений составил +0,40/+0,33.
Наибольшие уровни отмечены в местах с максимальными концентрациями аммоний-иона, нитритов, нитратов.