Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Оценка состояния геоэкологических систем Природных водоемов 8
1.1. Геоэкология природно-технических водных систем и их основные характеристики 8
1.2 Современное состояние и задачи развития мониторинга природно-технических водных систем 15
1.3. Динамика изменения геоэкологического статуса водоемов 27
1.4. Современные методы оценки геоэкологического состояния природно- технических водных систем 32
1.5. Интегральные характеристики состояния геоэкосистем, получаемые с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) 35
1.6. Построение формальных показателей для геоэкологической оценки на основе многомерного статистического анализа 40
Глава 2. Основные положения применения ЯМР-спектроскопии длягеоэкологической оценки состояния природных водоемов 47
2.1. Общая характеристика геоэкологического состояния водоемов 47
2.2. ЯМР-спектроскопия биоорганических соединений в природно-технических водных системах 60
2.3. Унифицированные методы анализа воды в природных водоемах 63
2.4. Особенности применения методов многомерного и линейного статистического анализа в геоэкологии 65
Глава 3. Обсуждение полученных результатов и их практическое внедрение 72
3.1. Унифицированные параметры контрастных по геоэкологическому состоянию водоемов Южного Урала 72
3.2. Результаты ЯМР-спектроскопия биоорганических соединений в воде для оценки геоэкологического состояния водоемов 80
3.3. Многомерный статистический анализ параметров контрастных по геоэкологическому состоянию озер Южного Урала 84
3.3.1 Многомерный кластерный анализ 84
3.3.3. Многомерный дискриминантный анализ 85
3.4. Ретроспективный анализ геоэкологического состояния озера Тургояк методом многомерного дискриминантного анализа с использованием ЯМР-спектроскопии 88
Выводы 91
Литература
- Геоэкология природно-технических водных систем и их основные характеристики
- Современное состояние и задачи развития мониторинга природно-технических водных систем
- Общая характеристика геоэкологического состояния водоемов
- Унифицированные параметры контрастных по геоэкологическому состоянию водоемов Южного Урала
Введение к работе
Проблема качественной и количественной оценки геоэкологического состояния водоемов в условиях их интенсивного техногенного загрязнения в настоящее время приобретает особую остроту и практическую значимость. Антропогенный фактор в формировании химического состава и биологического разнообразия водных экосистем становится по значимости в один ряд с природными геохимическими и биологическими процессами. Техногенное преобразование водосборов, трансграничные потоки, индустриальные и хозяйственно-бытовые прямые сбросы существенно и, в ряде случаев, необратимо трансформируют экологический портрет природных и искусственных водоемов, нарушают сложившееся химико-биологическое равновесие, снижают буферные свойства и стабильность водных экосистем. В силу этого, в настоящее время теряет смыл рассмотрение природных водоемов в качестве естественных и реально существующих природных гидроэкосистем, и, в практической деятельности, следует, за крайне редким исключением, вести речь о динамично изменяющихся природно-технических системах (ПТС).
Токсичные выбросы техногенной природы приводят к изменению геохимических циклов в системе водосбор-водоем, появлению широкого спектра поллютантов и их модифицированных производных в водной среде, что необратимо ухудшает экологическое состояние природных экосистем (Моисеенко, 2005).
Южный Урал находится в зоне недостаточного увлажнения и, по своему > географическому положению, имеет ограниченные водные ресурсы. Особо тяжелое положение сложилось в Челябинской области, где на одного жителя приходится в 16 раз меньше поверхностного стока рек, чем в среднем по России. По количеству воды на одного человека Челябинская область занимает последнее место в Уральском регионе. (Кривопалова, 1993; Андреева, 1996; Дерягин, 1999).
Рациональное использование водных ресурсов, сохранение естественного качества водных объектов - сложная и трудоемкая задача, особенно при современном уровне развития промышленности и сельского хозяйства. Поэтому вопросы комплексного использования и охраны водных ресурсов имеют огромное научное и практическое значение, являясь одной из острейших проблем современной инженерной и геоэкологии.
В этой связи особую актуальность приобретает задача объективной оценки геоэкологического состояния водных экосистем, существенный вклад в решение которой принадлежит Санкт-Петербургской научной школе экологического нормирования и исследования устойчивости ПТС (Фролов, 1995; Федоров, 1999; Масликов, Арефьев, 2000; Дмитриев, Фрумин, 2004). При решении задач геоэкологического мониторинга ПТС приоритетным направлением является экспресс-анализ массива рандомизированных и репрезентативных экспериментальных данных по максимально доступному количеству унифицированных параметров тестируемых водных экосистем с применением методов многомерной статистики и, в первую очередь, предлагаемому в настоящей работе ЯМР-спектроскопии (ЯМР-релаксации) образцов воды ПТС (Гаврилов, Сарапульцев, 2003; 2004; 2005).
Метод ЯМР-спектроскопии успешно применялся при анализе структурной организации биоорганических соединений (М. Aursand, F. Mabon, G.J. Martin 1997; Калабин, Калницкая, Кушнарев 2000; J. Ropp, С. Lawtence 2001; L. Chen, Т. Gro 2001; S. Pionnier, B. L. Zhang 2002; E. Brenna, G. Fronza, С Fuganti, 2003; S . Annellin, E. Brenna, G. Fronza 2004), и так же в некоторых специфических отрослях промышленности типа оценки качества и ингредиентов винной продукции (I.J. Kosir, М. Kocjancic, N. Ogrinc 2001; N. Ogrinc, (I.J. Kosir, J.E Spagenberg 2003; Калабин, Кулагина, Рыков и др. 2003). При системном анализе литературы (более 400 публикаций) был сделан вывод о том, что метод ЯМР-спектроскопии ранее не применялся при исследовании биоорганических соединений в экологических работах с природными гидроэкосистемами и, тем более, с ПТС.
Цель настоящего исследования заключалась в разработке экспресс-метода оценки качества воды в составе геоэкологического мониторинга ПТС с применением ЯМР-спектроскопии.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие конкретные задачи:
1. Провести рандомизированный и репрезентативный анализ
унифицированных
гидрологических, гидробиологических и гидрохимических данных Росгид
ромета о ПТС.
Разработать методику ЯМРспектроскопии для количественной оценки биоорганических соединений в естественных водоемах (ПТС).
Провести многомерную кластерную и дискриминантную оценку контрастных по геоэкологическому статусу озер.
Провести ретроспективный анализ динамики качества воды для оценки состояния ПТС (на примере оз. Тургояк) по гидробиологическим и гидрохимическим данным с 1979 по 2006 гг.
Объектами исследования являются природно-технические системы сформированные на основе искусственных и естественных водоемов используемых для питьевого и промышленного водоснабжения (на примере Южного Урала).
Научная новизна исследований.
Разработан экспресс-анализ на основе высокочувствительного метода
ЯМР-спектроскопии (ЯМР-релаксации), позволяющий оперативно оценивать биоорганические соединения в ПТС при геоэкологическом мониторинге водных систем.
Предложены и проведены многомерные кластерный и дискриминантный анализы унифицированных (в соответствии с Рабочими документами Росгидромета) гидрохимических и гидробиологических данных природных и искусственных водоемов (на примере Южного
Урала), установлены наиболее информативные параметры, позволяющие оперативно оценить качество воды.
Определены весовые коэффициенты дискриминантной функции для каждого унифицированного параметра, позволяющие оперативно провести количественную оценку состояния практически любого природного водоема (ПТС) при наличии достаточного массива экспериментальных данных.
Практическая значимость выполненных исследований. Разработанная методика позволяет проводить экспресс анализ качества воды для оперативного принятия мер контролирующими органами. Практическое применение метода ЯМР-релаксации может стать одним из основных при экспресс-анализе биоорганических и органических соединений в водных ПТС.
Рассчитанные коэффициенты дискриминантного анализа позволяют оперативно оценить качества воды при геоэкологическом мониторинге.
Достоверность полученных результатов подтверждена проведением оценки погрешности результатов исследований апробированными методами математической статистики, а также сопоставлением полученных данных с унифицированными и рандомизированными данными Росгидромета.
Реализация результатов решения поставленных задач. Метод определения качества воды ПТС с использованием многомерной дискриминантный функции и ЯМР-спектроскопии используется в Отделе водных ресурсов Нижне-Обского БВУ по Челябинской области (Акт о внедрении от 29.09.2006), а также при чтении курса лекций по специальности ДПП.Ф.09. «Федеральное и региональное обеспечение безопасности жизнедеятельности» в ЮУрГУ.
Положения, выносимые на защиту:
Оценка возможностей и методика применения для геоэкологического мониторинга природно-технических водных систем высокочувствительного экспресс-метода ЯМР-спектроскопии, позволяющего количественно оценивать биоорганические соединения в образцах воды естественного происхождения.
Методика оценки состояния природно-технических водных систем с помощью многомерных методов кластерного и дискриминантного анализа.
Методика проведения и результаты натурных исследований на объектах природно-технических систем сформированных на основе искусственных и естественных водоемов, используемых для питьевого и промышленного водоснабжения.
Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 108 страницах, состоит из введения, обзора литературы, результатов исследования и их обсуждения, заключения, выводов и списка литературы, содержит 7 рисунков, 15 таблиц. Список литературы содержит 175 наименований.
Апробация работы. Основные положения диссертации изложены в11 научных публикациях и представлены на следующих конференциях:
Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии: Вт. Всеросс. научн.-практич. конф. (Челябинск, 2003 г.).
Экологические проблемы Челябинской области. Обл. научн.-практич. конф. (Челябинск, 2004 г.).
Безопасность жизнедеятельности. Регион, конф., посвящ., 45-лет. каф. БЖД ЮУрГУ.
Экология и образование в Челябинской области. Обл. научн.-практ. конференция. Челябинск. 2005 г.
VII Международ, конф. «Науки о Земле», Турин. Италия. 6-7 сентября. 2006.
Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии: Ш Всеросс. научно-практич. конф. (Челябинск, 2006 г.).
Геоэкология природно-технических водных систем и их основные характеристики
Проблема объективной оценки геоэкологического состояния естественных водоемов является одной из центральных при экологическом нормировании и анализе устойчивости природных систем (Дмитриев, Фрумин, 2004; Федоров, 2005). При этом наиболее перспективными направлениями исследования принята считать: - разработку систем интегральных параметров для слежения за реакциями экосистем на антропогенные воздействия; - разработку изучение устойчивости экосистем в отношении антропогенных факторов; разработку принципов определения пороговых и критических величин параметров экосистем и разработку методик определения допустимых антропогенных нагрузок на природные территориальные комплексы. Под состоянием системы подразумевается ее характеристика на определенный момент функционирования. Оценки могут быть единичными, косвенными, комплексными, интегральными многокритериальными (Дмитриев, Фрумин, 2004).
По нашему мнению, наиболее перспективными являются комплексная (многомерная, многокритериальная) оценки, несмотря на то, что они наименее разработаны и унифицированы. Традиционно комплексные оценки включают в себя классификацию качества воды по численным значениям различных индексов, позволяющих ранжировать качества воды по 5- 6 классам от «чистой» или «очень чистой» до «грязной» или «очень грязной». Комплексна оценка природного объекта по большому количеству параметров, безусловна, имеет важное значение, однако ее использование часто не предполагает свертку информации, получение сводных показателей состояния и устойчивости объектов (Дмитриев, Фрумин, 2004), что невозможно осуществить без применения комплекса методов объективной компьютерной классификации (Гаврилов, Сарапульцев, 2004; 2005). Такие подходы основываются на байесовской модели рандомизации неопределенности, позволяющие получить случайные весовые коэффициенты и интегральные показатели тестируемой водной экосистемы методами многомерного дискриминантного и кластерного анализов (Гаврилов, Сарапульцев, 2003-2005).
Использование в исследованиях многокритериального параметрического представления гидрологического, гидрохимического, гидробиологического режимов в большинстве современных работ по водной проблематике является одним из основных акцентов исследований (Дмитриев, Фрумин, 2004).
Возрастающая потребность народного хозяйства в воде требует глубокого изучения и систематизации знаний об озерах. В течение многих лет некоторые организации ведут научно-исследовательскую работу по изучению озерных экосистем Южного Урала, их эволюции и современного состояния, формирующегося под влиянием природных и антропогенных факторов. Данная проблема чрезвычайно актуальна в связи с огромной техногенной нагрузкой и радиационным загрязнением природы (Кривопалова, 1995; Андреева, 2001). Резкое ухудшение экологического состояния водоемов в результате их хозяйственного использования, увеличение рекреационной нагрузки дает основание говорить о необходимости принятия действенных мер по спасению и сохранению многих озер.
Максимально высоким количеством озер (10-14%) отличается восточно-предгорный район, что определяется наличием многочисленных котловин, связанных с тектоническими разломами. Озера протянулись почти сплошной полосой от Чебаркульской озерной группы на юге до Синарской - на севере. В районе восточных предгорий распространены самые крупные озера Южного Урала: памятник природы России Увильды, Иртяш, жемчужина Южного Урала (уральский Байкал) глубоководный Тургояк, расположенное на территории Ильменского заповедника Б.Миассово. Характерной особенностью тектонических озер является наличие глубоких, резко выраженных котловин, максимальные глубины которых достигают 30-40 м. Например, у оз. Тургояк на расстоянии 200 м от берега глубина достигает 15-18 м. Озерные воды пресные, минерализация их изменяется от нескольких десятков до 400 мг/л, отличаются высокой прозрачность и благоприятным кислородным режимом (Андреева, 1973,2001).
Предгорные озера, обладающие большими запасами воды высокого качества, служат источниками питьевого и промышленного водоснабжения. Однако большие заборы воды для хозяйственных целей, особенно в засушливые годы, вызывают резкий спад уровней и ухудшение экологических условий в водоемах. Антропогенное воздействие наиболее резко сказалось в засушливые 70-е годы на водном режиме оз. Увильды и оз. Чебаркуль. Огромное количество чистейшей воды оз. Увильды (около 1000 млн. м ) во все времена привлекало к себе внимание. По создаваемым каналам вода оз. Увильды перебрасывалась для водоснабжения зауральских городов. Особенно большой ущерб водному режиму оз. Увильды был нанесен в 1975 - 1976 гг., когда для нужд Челябинского промышленного узла была осуществлена переброска более 200 млн. м озерной воды. В результате перекачки воды уровень оз. Увильды упал на 3,8 м (Гидрологический ежегодник, 1988). Столь значительное понижение уровня озера привело к обмелению берегов и уменьшению прибрежных глубин, расширению площади подводных зарослей мягкой растительности, развитию сине-зеленых и нитчатых водорослей. Биомасса фито- и зоопланктона начала резко возрастать, что способствовало эвтрофированию этого уникального водоема. Запасы органического вещества в прибрежной зоне осушения в настоящее время превышают 50 тыс. тонн в воздушно-сухой массе.
Высшая водная растительность произрастает в среднем до глубины 8 м. Площадь зарастания занимает более 10 км2, что составляет примерно 17% от площади водного зеркала. Макрофиты озера в течение летнего сезона продуцируют примерно 82-130 тонн азота, 11-16 тонн фосфора и более 5 тонн углерода (Андреева, 1987, 2001). Интенсивное накопление органического вещества на побережьях и в донных отложениях явилось следствием антропогенных воздействий на экологический статус озера.
На формирование качества озерной воды большое влияние оказывает рекреационная нагрузка, которая на протяжении десятков лет превышает 100 человек, при максимально допустимой нагрузке не более 4 на 1 га, т.е. перегруженность уникальной озерной экосистемы достигает 25 раз.
Сточные воды крупных санаториев «Увильды» и «Лесное озеро», а также многочисленных турбаз отводятся на очистные сооружения. Однако недостаточно очищенные сточные воды поступают в близлежащие водоемы (Акакуль, Бунчук, Косое), имеющие поверхностную или подземную связь с оз. Увильды. В результате часть поллютантов попадает обратно в оз. Увильды, что отрицательно сказывается на показателях качества воды (Светличный, 1986). Из 70 баз отдыха и детских лагерей только 55 имеют канализацию, остальные являются прямым источником загрязнения оз. Увильды. Жилые поселки и дачи на берегах дают дополнительную антропогенную нагрузку.
С повышением уровня деструкционных процессов у оз. Увильды нарушился кислородный режим. В зимние месяцы отмечается недостаток кислорода по всей толще воды. Наибольший дефицит кислорода приходится на глубинные слои, где его запасы составляют не более 50-70% от нормы. Рост дефицита Ог с глубиной свидетельствует об увеличении трофности озера. В поверхностном слое в летнее время наблюдается перенасыщение воды кислородом до 180-200%, что связано с активизацией процессов фотосинтеза при интенсивном развитии фитопланктона (Андреева, 1983, 2001). Под влиянием антропогенных факторов изменяется химический состав воды, повышается содержание основных ионов, а также концентраций аммония, меди, цинка и нефтепродуктов. Концентрации этих поллютантов превышают предельно допустимые нормы в 2-4 раза (Ежегодные данные 1994).
Современное состояние и задачи развития мониторинга природно-технических водных систем
Метод наблюдения — способ познания, основанный на длительном целенаправленном и планомерном восприятии предметов и явлений окружающей действительности, издавна применяется в различных видах научной и практической деятельности человека. Все возрастающая опасность отрицательного воздействия интенсификации промышленного и сельскохозяйственных производств на здоровье людей и на состояние окружающей природной среды в целом привело к необходимости разработки системы предупреждения, контроля и прогнозирования состояния наиболее значимых природных объектов. Такая информационная система наблюдения и анализа состояния этих объектов, в первую очередь наблюдения уровней загрязнения и эффектов, вызываемых ими, получила название мониторинга.
Термин «мониторинг» предложен американским ученым Р. Маном, который подразумевал под ним систему повторных наблюдений одного или более элементов окружающей среды в пространстве и во времени с определенными целями и в соответствии с заранее подготовленной программой. Позднее Ю.А. Израэль (1991) уточнил эту формулировку, определив мониторинг как систему наблюдений за антропогенными изменениями природной среды, оценки и прогноза ее состояния на фоне естественных изменений. В задачи мониторинга входит сбор информации о состоянии объектов окружающей природной среды (атмосферного воздуха, почв, водных объектов) и уровнях ее загрязнения в пространстве и во времени по определенной программе.
В соответствии со ставшим уже каноническим определением, экологический мониторинг — это информационная система наблюдений, оценки и прогноза изменений в состоянии окружающей среды, созданная с целью выделения антропогенной составляющей этих изменений на фоне природных процессов (Дмитриев, 2002; Дмитриев, Фрумин, 2004).
Как система наблюдения и контроля над состоянием природных объектов мониторинг состоит из трех ступеней: наблюдение, оценка состояния и прогноз возможных изменений. Система экологического мониторинга должна накапливать, систематизировать и анализировать информацию: - о состоянии окружающей среды; - о причинах наблюдаемых и вероятных изменений состояния, источниках и факторах воздействия; - о допустимости изменений и нагрузок на среду в целом; - о существующих резервах биосферы.
Важнейший элемент мониторинга водных объектов — оценка их состояния. Этапами этой оценки являются выбор показателей и характеристик объектов и их непосредственное измерение. Набор параметров должен отвечать на вопрос, каково состояние изучаемых водных объектов. Построение прогноза подразумевает знание закономерностей изменений уровня загрязнения и состояния водных объектов, наличие соответствующих моделей и возможностей численного расчета. Проблема прогнозирования состояния водных экосистем условно может быть разделена на три взаимосвязанные группы: 1. Сбор и анализ эмпирической информации, необходимой для прогнозирования. 2. Проблема конструирования предиктора, адекватно решаемой задаче (предиктор — математическая модель, с помощью которой строится прогноз). 3. Эксплуатация предиктора.
В соответствии с приведенными выше определениями и возложенными на систему функциями мониторинг включает три основных направления деятельности: - наблюдение за факторами воздействия и состоянием среды; - оценку фактического состояния среды; - прогноз состояния окружающей природной среды и оценку прогнозируемого состояния.
Особо отметим, что система мониторинга не включает деятельность по управлению качеством природной среды, но является источником информации, необходимой для принятия экологически значимых решений.
Термин контроль, нередко употребляющийся для описания аналитического определения тех или иных параметров (например, контроль качества воды водных объектов), следует использовать только в отношении деятельности, предполагающей принятие активных регулирующих мер. (Дмитриев, Фрумин, 2004).
Для целей государственного экологического контроля объектов окружающей среды сформирована самостоятельная система природоохранной нормативной документации (ПНД). В рамках этой деятельности подготовлены проекты основополагающих нормативных документов системы, регламентирующие требования и правила формирования блока взаимосвязанных актуализированных природоохранных нормативных документов. С целью обеспечения единства измерений и достоверности аналитической информации в системе государственного надзора, контроля и экологического мониторинга в рамках системы ПНД создан «Государственный реестр методик количественного химического анализа и оценки состояния объектов окружающей среды», допустимых для экологического контроля и мониторинга. Методам, включенным в реестр, присваивается статус национальных стандартов в области охраны окружающей среды (Жмур, 1997).
Начало целенаправленной широкомасштабной деятельности по стандартизации и нормированию неблагоприятных воздействий может быть датировано первой половиной 1970-х гг., когда началось формирование структур управления природопользованием в развитых странах мира (Воробейчик и др., 1994). Наряду с охраной вод первоочередными объектами стали леса и их компоненты. Были установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) для наиболее загрязняющих веществ в воздухе (Гудерман, 1979; The air quality..., 1986; Воробейчик и др., 1994). В Европе получил развитие расчет критических нагрузок веществ-загрязнителей (Танканаг, 1997). При таком подходе расчет нагрузок производится на основе уравнений нединамического масс-баланса, включающих в себя количественную оценку большого числа параметров, характеризующих круговорот загрязнителей в экосистемах.
Общая характеристика геоэкологического состояния водоемов
В огромном многообразии озер (более трех тысяч) Челябинской области особого внимания заслуживают три водоема с исключительными экологическими параметрами - это жемчужины Южного Урала оз. Тургояк, оз. Увильды и оз. Б. Миассово в Государственном Ильменском заповеднике. Контрастными по экологическому статусу являются озера, расположенные на территории крупного промышленного центра - г. Челябинска - оз. Смолино и оз. Первое с многолетним интенсивным техногенным использованием их биологических ресурсов.
Оз. Увильды относится к немногим редким водным памятникам России. Это очень большое бессточное озеро тектонического происхождения, т. е. образовалось оно, как и большинство озер Кыштымского округа, много миллионов лет назад в трещинах (разломах) земной коры. Его общая площадь -более 68 км . Наибольшая длина озерного зеркала 14, ширина 9 км. Расположено озеро на высоте 2275 метров над уровнем моря (Андреева, 1973, 2001).
Общий объем воды (при полном заполнении котловины) более одного миллиарда кубометров. Из всех российских озер по объему воды ближе всех к оз. Увильды является оз. Селигер. Колебания уровня воды около одного метра. Большое и глубокое озеро прогревается очень медленно и вода в нем круглый год холодная. В летнее время температура воды понижается на каждые десять метров примерно на 2-2,5С. Зимой же, наоборот, температура с глубиной повышается, достигая на 15-метровой отметке +2,5С, а на больших глубинах - до +4С. При этом у поверхности температура воды стабильная - около +2С (Андреева, 1973, 2001, 2003). Вода оз. Увильды пресная, чистая и прозрачная. На глубине 8-Ю м видна донная растительность и другие обитатели озера. Дно разнообразное: имеются горные кряжи, глубокие впадины, песчаные отмели, мшистые равнины. Замечательной особенностью озера являются его многочисленные острова (около 50).
Огромные просторы, чистейшая вода, горный, приятный воздух, разнообразная растительность, сравнительно мягкое лето - все это делает оз. Увильды одним из самых любимых мест отдыха. В настоящее время на его живописных берегах построены и действуют около сотни санаториев, домов отдыха, баз, детских и спортивно-молодежных лагерей. Все перечисленные объекты сбрасывают в озеро сточные воды, которые ухудшают качество воды, но из-за большого объема и большой глубины озеро способно справляться с антропогенной нагрузкой.
Оз. Увильды нередко называют «Голубой жемчужиной Урала». О нем написано немало очерков и рассказов. Однако за последние 60-80 лет уровень воды оз. Увильды понизился на три с лишним метра. В настоящее время насчитывается 48 островов общей площадью около семи квадратных километров, то есть они занимают одну десятую часть всей озерной площади (Андреева, 2003).
Таким образом, оз Увильды имеет индексы 1 (объем более 1000 км3 и максимальная глубина более 50 м) и 3 (площадь 68 км )
Научные исследования «уральского Байкала» - оз. Тургояк имеют почти вековую историю, однако они всегда были посвящены решению одной задачи — рыбохозяйственному освоению водоема. Тем не менее, эти работы содержат ценную экологическую информацию, позволяющую проследить многолетние изменения в озерной экосистеме (Андреева и др., 1998; Андреева, 2003).
Водосборный бассейн оз. Тургояк принадлежит Восточно-Предгорному лимнологическому району. Бассейн озера имеет наибольшую протяженность — 12 км с севера на юг и 9 км — с востока на запад. Площадь водосбора составляет 72 км , она асимметрична по отношению к озеру и простирается в пределах верхней части Восточного склона Уральского хребтах (Андреева, 1973). Прикрывающий гранитные массивы слой почвы маломощный (0,3-0,5 м), по составу неравномерно подзолистый, а в речных долинах — с примесью серозема (Андреева, 1998).
Гидрографическая сеть водосборного бассейна развита слабо — всего шесть рек и ручьев общей протяженностью 17 км. Болот на его территории нет, а третья часть площади занята озером. Вся поверхность водосбора покрыта хвойным и смешанным лесом с преобладанием сосны. В результате снижения уровня воды в озере в 1985-1990-е гг. обнажилась прибрежная часть мелководий на площади около 200 га. На 10—15 % этой площади возникла древесно-кустарниковая растительность (77). В настоящее время площадь озера составляет 26,4 км , длина - 6,9 км, наибольшая ширина - 6,3 км, длина береговой линии - 27 км. Озеро расположено на высоте 320 м над уровнем моря. Это наиболее глубокое озеро на Южном Урале. Максимальная глубина достигает 34 м, а средняя — 19,2 м (2).
Озерная котловина тектонического происхождения. Она не имеет определенно выраженной геометрической формы, относительно округленная, с большой вмятиной с запада. Дно котловины неровное, расчленено выходами подводных гряд и отдельных гольцов, которые поднимаются в виде островов (Веры, Чайки). На юго-востоке и северо-востоке береговая линия ровно изогнутая, без заливов, на западе и северо-западе — волнистая, где местами выделяются глубокие заливы. Сразу от уреза воды начинается резкое увеличение глубины. На расстоянии около 200 м от берега глубина озера достигает 15-18 м (Светличный, 1961 -1986).
В соответствие с малыми размерами водосбора роль поверхностного стока в водном питании озера невелика. Общая протяженность водостоков в пределах водосбора не превышает 20 км. В питании озера заметную роль играют грунтовые воды. Питание всех водоносных горизонтов происходит путем инфильтрации атмосферных осадков, что сказывается на качестве воды и гидрохимической специфичности.
Таким образом, в соответствии с классификацией водоемов по физико-географическим и морфометрическим признакам оз. Тургояк относится к водоемам с индексом 1 (объем более 74 км ), 2 (максимальная глубина 34 м) и 3 (площадь поверхности 26 км ) (см. табл. 1.1).
Оз. Б. Миассово является центральным звеном Кисегач - Миассовской озерной системы и крупнейшим водоемом Ильменского заповедника. Оно собирает воды всего восточного склона Ильменского хребта, объединяет посредством проток ближайшие озера - Бараус, Б. Таткуль, Савакуль. Можно сказать, что это озеро связывает всю центральную часть Ильменскеого заповедника. Уже поэтому оно вызывает особый интерес. На северном берегу озера издавна расположен научный стационар заповедника, основанный известным русским ученым Н.В. Тимофеевым-Ресовским. Экосистеме озера и прилегающей территории посвящено большое количество научных работ, дающих интересный материал. Экологическое состояние оз. Б. Миассово, безусловно, отражает положение в центральной части, да и во всем заповеднике. Этим обстоятельством и обусловлен интерес к озеру. (Рогозин и ДР, 2000).
Унифицированные параметры контрастных по геоэкологическому состоянию водоемов Южного Урала
При анализе гидрологического статуса озер Южного Урала мы изначально поставили задачу исключительно унифицированной оценки параметров, утвержденных Рабочими документами Госкомгидромета РФ. В противном случае произвольный выбор методов оценки гидрологических параметров неизбежно приведет к неоднозначной трактовке исходной информационной базы данных.
К водоемам с заведомо высоким уровнем геоэкологическогосостояния мы включили жемчужины Южного Урала - оз. Тургояк («Уральский Байкал» -глубоководное озеро с исключительно чистой водой), оз. Увильды - «Голубая жемчужина», один из редких памятников озер России (Андреева, 1973, 2000; Волков, 2001) и оз. Большое Миассово, при исследовании которого было «воспитано» современное поколение специалистов-озерологов различных научных центров России. Оз. Б Миассово расположено на территории Ильменского Государственного заповедника, курируется научными подразделениями УрО РАН и, в силу своего исключительного «заповедного» статуса, практически не испытывает антропогенного воздействия.
С другой стороны, мы использовали гидрологическую информацию о водоемах Южного Урала, которые испытывают огромную техногенную нагрузку в силу их расположения в черте крупного мегаполиса - г. Челябинска - с населением более миллиона человек. К таким крупным водным экосистемам относятся оз. Смолино, окруженное сетью крупных промышленных предприятий (см. гл. 1, 2) и оз. Первое, являющееся фактически «очистными» сооружениями Челябинского тракторного и других заводов. Третьим объектом нашего исследования явилось вдхр. Шершни -основной источник питьевой воды для миллионного города - с неопределенным геоэкологическим статусом (см. гл. 1, 2).
Основные гидрологические, гидрохимические и гидробиологические параметры контрастных по геоэкологическому статусу озер Южного Урала представлены в табл. 3.1.
При анализе общепринятых для исследования гидрологических показателях, таких как рН, 02, минерализация, БПК5, СПАВ и биомасса фитопланктона практически невозможно с помощью обычных методов логического и линейного статистического анализа сделать обоснованные выводы об экологическом статусе водоемов.
Другой тип репрезентативной информации по экологическому статусу озер Южного Урала касается концентрации неорганических соединений, определяемым по унифицированным методикам согласно РД 52.24.486 -95, РД 52.24.486 -95, РД 52.24.493 -95, РД 52.24.387 -95, РД 52.24.380 -95, РД 52.24.381 -95, РД 52.24.406 -95.
При высокой информативности данных табл. 3.2. представляется сложным достоверно дифференцировать контрастные по геоэкологическому статусу озера Южного Урала.
Сопоставление табл. 3.1 и 3.2 с табл. 1.2 позволяет провести классификацию загрязненности исследованных нами водных объектов по химическим параметрам (табл. 3.3).
Первое следует отнести к водоемам с низким уровнем геоэкологического состояния с умеренным уровнем загрязнения, в отличие от озер Увильды, Б. Миассово и Тургояк с высоким геоэкологическим статусом и относящихся к классу «чистых». Вдхр. Шершни занимает промежуточное положение.
В табл. 3.4 представлены данные о концентрации микроэлементов и нефтепродуктов в воде контрастных по экологическому статусу озерах. Концентрация ионов железа максимальна в оз. Увильды и вдхр. Шершни, а минимальна - в оз. Б Миассово. Концентрация ионов меди, как и следовало ожидать, достаточно высока в оз. Смолино и оз. Первое, с очевидным поступлением этого элемента в результате техногенных нагрузок.
Концентрации хроматов приблизительно равны у всех исследованных озер, поэтому не могут быть отнесены к информативным показателям.
Концентрации нефтепродуктов оказались максимальными в образцах воды вдхр. Шершни и оз. Увильды, что очевидно, связано с огромной рекреационной нагрузкой на эти водоемы, большим количеством автомобилей «экологически не грамотных» отдыхающих.
Мы не считаем необходимым выделять высокую (0,88) корреляционную связь между концентрациями Рми„ и Р0бщ,,, поскольку при аналитическом определении этих параметров невозможно провести четкую грань между критериями их разделением. В тоже время, представляет особый интерес высокая корреляционная связь (0,83) между концентрацией ионов железа и нефтепродуктами в тестируемых водных экосистемах. Одновременно представляет интерес корреляция между ионами Si и кислотными остатками, ионами металлов, что согласуется с представлениями о кремнии как о комплексообразующим соединении (Черняева, 1977; Светличный, 1986; Семенова, 1977).
Таким образом, при анализе независимой выборки экологических данных об озерах Южного Урала мы столкнулись с рядом серьезных проблем:
1. С отсутствием в официальной отчетной документации (рабочих документах Госкомгидромета) прецизионных методов - экспресс-анализа биоорганических соединений в водных экосистемах (например, определение БПК5.20 требует от 5 до 20 суток), наиболее перспективным из которых оказалась использованная нами ЯМР-спектроскопия образцов воды естественного происхождения, ранее не применяемая в геоэкологи;
2. С необходимостью применения методов многомерной статистики (кластерного и дискриминантного анализов) при исследовании репрезентативного и рандомизированного массива экспериментальных данных, характеризующих экологический статус природных водоемов.
В связи со сложностями, возникшими при анализе биоорганических соединений в пробах воды озерных экосистем, мне пришлось 1,5 года уделить освоению метода ЯМР-спектроскопии, где неоценимую помощь оказал доктор физико-математических наук, профессор, академик РАН РФ В.П. Габуда (г. Новосибирск), предложивший для анализа концентраций биоорганических соединений использовать метод ЯМР-спектроскопии высокого разрешения, в частности одну из редко используемых на практике методику ЯМР-релаксации (Габуда, 2004).
