Комплексная оценка состояния и устойчивости к эвтрофикации экосистем малых водотоков урбанизированных территорий
На правах рукописи
Савельев Олег Владимирович КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ И УСТОЙЧИВОСТИ К ЭВТРОФИКАЦИИ ЭКОСИСТЕМ МАЛЫХ ВОДОТОКОВ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ Специальность 03.02.08 – экология (биология)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Владимир 2013
Работа выполнена на кафедре экологии факультета химии и экологии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ).
Научный руководитель Кандидат химических наук, доцент Чеснокова Светлана Михайловна
Официальные оппоненты:
Доктор химических наук, профессор, ФГБОУВПО «Владимирский государственный университет им. А.Г.
и Н.Г. Столетовых», профессор Амелин Василий Григорьевич кафедры химии Кандидат биологических наук, Российская академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте (Владимирский филиал), доцент кафедры информационных технологий Авдонина Александра Михайловна
Ведущая организация: Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К.А.Тимирязева
Защита состоится 22 февраля в _часов на заседании диссертационного совета Д 212.025.07 во Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу:
600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, кор. 1, ауд. 335.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВлГУ.
Автореферат разослан _ 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук, доцент О. Н. Сахно
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Водные объекты урбанизированных территорий имеют важное социально-экономическое значение, играют огромную роль в создании комфортных условий проживания населения и улучшении микроклимата городской среды. Однако в связи с непрерывным ростом городского населения они постоянно испытывают значительные техногенные нагрузки. В настоящее время малые водотоки урбанизированных территорий являются основными приемниками загрязняющих веществ, поступающих со сточными водами промышленных и сельскохозяйственных предприятий и коммунального хозяйства, а также с ливневыми и паводковыми стоками с городских территорий, промплощадок и сельхозугодий. Приоритетными компонентами этих стоков являются биогенные элементы, нефтепродукты, пестициды, синтетические поверхностно-активные вещества, органические соединения природного и антропогенного происхождения, тяжелые металлы.
Низкая устойчивость малых водных объектов к постоянным высоким антропогенным нагрузкам приводит к снижению способности гидробиоценозов к самовосстановлению. Вследствие этого, многие из них имеют высокий уровень химического и микробиологического загрязнения и не пригодны даже для хозяйственно-бытового и рекреационного использования.
Исходя из этого, комплексная оценка состояния и устойчивости к эвтрофикации экосистем малых водотоков урбанизированных территорий является необходимой и актуальной.
Цель работы – комплексная оценка экологического состояния экосистемы малой реки и ее устойчивости к эвтрофированию по гидрохимическим и гидробиологическим показателям на примере реки Каменка.
Основные задачи исследования:
1. Изучить пространственно-временную динамику загрязнения и трофности водотока по гидрохимическим показателям с использованием химических и физико-химических методов анализа.
2. Изучить динамику загрязнения (класс качества), трофности и сапробности экосистемы водотока с использованием различных методов биоиндикации.
3. Изучить уровень загрязнения донных отложений водотока соединениями фосфора и органическими веществами.
4. Оценить устойчивость водотока к эвтрофированию по подвижности фосфат-ионов в системе «вода – донные отложения».
5. Разработать шкалу устойчивости экосистем малых водотоков к эвтрофированию.
6. Изучить влияние анионных синтетических поверхностно-активных веществ (АСПАВ) – приоритетных компонентов моющих и чистящих средств на подвижность фосфат-ионов в системе «вода – донные отложения».
Научная новизна работы. В системе регионального экологического мониторинга поверхностных вод контроль за состоянием реки проводился лишь до 2006 года по одному створу – устье (д. Новоселка). Впервые проведено комплексное исследование экологического состояния и дана оценка устойчивости к эвтрофированию реки Каменка.
Впервые проведена оценка уровня трофности экосистемы водотока по гидрохимическим и гидробиологическим показателям. Установлено, что гидробиологические показатели являются более чувствительными параметрами, по сравнению с гидрохимическими показателями, при оценке уровня эвтрофикации водотока. Выявлено, что трофность экосистемы водотока за все исследуемые годы возрастает от истока к устью, что свидетельствует об увеличении поступления соединений биогенных элементов в водоток.
На основе анализа пространственно-временной динамики загрязнения экосистемы водотока соединениями фосфора предложена методика оценки устойчивости к эвтрофированию малых водотоков по подвижности фосфат ионов в системе «вода – донные отложения» и их классификация по величине показателя устойчивости к фосфат-ионам.
Данные по пространственно-временной динамики степени загрязнения, качества, трофности и сапробности вод экосистемы р. Каменка свидетельствуют об относительной устойчивости к существующему уровню антропогенной нагрузки и слабой самоочищающей способности.
Защищаемые положения.
1. Комплексная оценка состояния и устойчивости к эвтрофикации экосистем малых водотоков урбанизированных территорий включает изучение пространственно-временной динамики основных гидрохимических и гидробиологических показателей, а также корреляционных зависимостей между основными гидрохимическими и гидробиологическими параметрами.
2. Уровень эвтрофикации малых водотоков урбанизированных территорий зависит, главным образом, от концентрации фосфат-ионов, поступающих с коммунальными и ливневыми стоками и определяется процессами равновесия между донными отложениями и жидкой фазой.
3. Устойчивость к эвтрофикации экосистем зависит от подвижности фосфат-ионов в системе «вода – донные отложения».
Результаты оценки Практическая значимость работы.
пространственно-временной динамики гидрохимических и гидробиологических показателей и устойчивости экосистем малых водотоков урбанизированных территорий к эвтрофикации могут быть использованы при проведении экологических экспертиз территорий водосборных бассейнов, степени их трансформации, оценке влияния различных антропогенных источников загрязнения на экосистемы малых водотоков.
Результаты диссертационной работы также могут быть использованы в учебном процессе при подготовке магистров по дисциплине «Экологический мониторинг».
Апробация работы. Материалы диссертационной работы были представлены на международных конференциях «Экология речных бассейнов», Владимир, 2009, 2011 гг., IV Всероссийской научно-практической конференции «Научные проблемы использования и охраны природных ресурсов России», Самара, 2012 г., IV Международной научно-практической конференции «Экология регионов», Владимир 2012 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них статей в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на страницах, включает таблиц и рисунка;
состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы, включающего наименования (из них _ на английском языке) и приложений.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю профессору кафедры экологии ВлГУ Чесноковой Светлане Михайловне за постоянное внимание к работе, ценные советы и рекомендации на всех этапах исследования. Особую благодарность автор выражает заведующему кафедрой экологии ВлГУ профессору Трифоновой Татьяне Анатольевне за оказанную поддержку и полезные советы. Огромную признательность автор выражает всему коллективу кафедры экологии ВлГУ, а также родным и близким.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР Данная глава посвящена обзору литературных данных о гидрохимических и гидробиологических показателях вод, отражающих уровень загрязнения и эвтрофировании водотоков (Алекин, 1953;
Цыцарин,1988;
Никаноров,2001;
Михайлов, Добровольский, Добролюбов, 2007;
Фрумин, 1998;
Хрисанов, Осипов, 1993;
Дмитриев, 1995, 2000;
Гольцова, Дмитриев, 2007;
Науменко, 2007;
Гусева и др., 2000;
Дьячков, 1984;
Алимов, 1989, 1994;
Криволуцкий, 1990;
Соколов и др., 1990;
Chaphekar, 1991;
Aviles, 1992;
Шуйский, 1997;
Шуйский, Максимова, Петров, 2002;
Абакумов, 1983;
Knopp, 1954;
Pantle, Buck, 1955;
Zelinka, Marvan, 1961, 1966;
Sladecek, 1973, Яковлев, 1984, 1988, 1998, Макрушин, 1974, Чертопруд, 2002, Николаев, и др.), о последствиях антропогенного эвтрофирования водотоков и их устойчивости к эвтрофированию (Михайлов, Эдельштейн,1996;
Цветкова и др.,1988;
Дмитриев В.В., 1995, 1997, 2000, 2004;
Даценко Ю.С., 2007). В ней также рассмотрены источники поступления фосфат ионов и их влияние на водные экосистемы.
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ В главе дана характеристика объекта исследования, методические аспекты химических и биологических методов оценки трофности, сапробности, класса качества воды, устойчивости водотока к эвтрофированию, а также представлена разработанная нами методика по оценке самоочищающей способности экосистем от фосфат-ионов и предложена классификация водных объектов по их устойчивости к эвтрофированию, изучено влияние АСПАВ на подвижность фосфат-ионов в системе «вода-донные отложения».
Объект исследования – река Каменка правый приток р. Нерль, протекает по территории Суздальского района Владимирской области. Свое начало река берет севернее села Новокаменское, а впадает в реку Нерль возле села Новоселка. Длина водотока – 41 км. Площадь водосборного бассейна – 312 км2. В Каменку впадают реки Тумка, Бакалейка и Мжара, а так же многочисленные ручьи. Река загрязняется стоками с сельхозугодий СПК «Стародворский», «Гавриловское», «Тарбаево», ГНУ Владимирский научно исследовательский институт сельского хозяйства (ГНУ Владимирский НИИСХ) и коммунально-бытовыми стоками г. Суздаля и сельских поселений. Такие стоки, как правило, содержат соединения биогенных элементов и органические вещества, что вызывает эвтрофикацию водотоков, заиливание дна, смену видового состава гидробионтов и деградацию экосистемы водоема.
Усугублению этих процессов способствует нарушение гидрологического режима реки. На реке Каменка в начале 80-х годов прошлого столетия были построены две плотины в черте г. Суздаля и две плотины от истока до города.
При проведении исследований водоток был разделен от истока до устья на 12 створов: 1. исток (близ с. Новокаменское);
2. с. Губачево;
3. близ с.
Вышеславское;
4. до устья р.Бакалейка;
5. до устья р.Тумка;
6. после устья р.Тумка;
7. близ с. Янево;
8. до верхней городской плотины;
9. около Спасо Евфимиева монастыря;
10. после нижней городской плотины;
11. до очистных сооружений г.Суздаля;
12. устье (с.Новоселка) (рис. 1).
Рис. 1. Бассейн реки Каменка (1-12 места отбора проб) Методы исследования Оценка состояния водотока по гидрохимическим показателям В ходе работы было проведено комплексное исследование основных гидрохимических показателей воды: концентрации нитратного и нитритного азота определяли потенциометрически с использованием нитрат- и нитритселективных электродов (ГОСТ 29270-95) на универсальном иономере «Эксперт-001», аммонийный азот определяли фотометрически по окраске комплекса с реактивом Несслера на фотометре КФК-3 (ПНД Ф 14.1:2.1-95), фосфаты – фотометрически по окраске восстановленной фосфорномолибденовой кислоты на фотометре КФК-3 (ПНД Ф 14.1:4.248- 11.07.2007), содержание растворенного кислорода – йодометрическим методом (метод Винклера) (ПНД Ф 14.1;
2.101-97).
Показателями загрязненности вод органическими веществами является их окисляемости. В практике для природных малозагрязненных вод определяют перманганатную окисляемость, а в более загрязненных водах - как правило, бихроматную окисляемость (называемую также ХПК - "химическое потребление кислорода"). Перманганатную окисляемость и ХПК определяли титриметрическим методом (ПНД Ф 14.1;
2;
4.154-99 и РД 52.24.421-2007).
Оценка уровня трофности производилась по содержанию в воде биогенных элементов (азота и фосфора) (Гальцова, Дмитриев, 2007). Этот подход основан на сравнении осредненных за определенный отрезок времени концентрации рассматриваемых элементов и соотнесении их с предельно допустимыми (регламентированными для различного вида водопользования) значениями (ПДК) этих соединений. Такие концентрации характеризуют критическое состояние водной экосистемы, при котором она изменяет (повышает) свой трофический уровень.
Концентрацию минерального азота определяли как сумму азота аммония, нитратов и нитритов.
Nмин = NNH4+ + NNO3- + NNO2-, где NNH4+ – концентрация азота аммонийного, мг/дм3;
NNO3- – концентрация азота нитратов, мг/дм3;
NNO2- – концентрация азота нитритов, мг/дм3.
Все анализы выполнены в аккредитованной лаборатории физико химических методов анализа кафедры экологии Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых (ВлГУ).
Оценка состояния водотока по гидробиологическим показателям На основе анализа литературных источников для оценки класса качества, уровня трофности и сапробности экосистемы водотока нами выбраны индекс сапробности Пантле-Букка в модификации Чертопруда (2007) и метод Николаева С.Г. по определению класса качества вод (1993).
При определении класса качества вод методом Николаева С.Г.
использован принцип построения индикаторной системы, учитывающий особенности типа обследуемого водоема, наличие, условную значимость и разнообразие индикаторных организмов и дающий оценку экологической и хозяйственной значимости вод по шести классам.
Оценка устойчивости экосистемы к эвтрофированию Под устойчивостью водного объекта понимается способность экосистемы сохранять постоянными свои свойства и параметры режимов в условиях действующих природных и антропогенных факторов.
Так как главной причиной эвтрофирования р. Каменка является загрязнение соединениями фосфора, для оценки устойчивости экосистемы к эвтрофированию нами предлагается показатель устойчивости (ПУ) экосистемы к фосфат-ионам, характеризующий способность системы переводить фосфат ионы из жидкой фазы в донные отложения. Показатель устойчивости рассчитывали по формуле:
ПУ = lg (ПН/КПр), где ПН – показатель накопления фосфат-ионов в донных отложениях, равный отношению концентраций фосфат-ионов в донных отложениях (СPO43- д.о., мг/кг ) к их концентрации в воде (СPO43- в., мг/дм3 ).
ПН = СPO43- д.о. / СPO43- в. ;
КПр – кратность превышения рыбохозяйственного ПДК фосфат-ионов в исследуемой воде, КПр = СiPO43- / ПДКPO43- р. ;
Для классификации экосистем водотоков по устойчивости к эвтрофикации, то есть по самоочищающей способности от фосфат-ионов, нами предлагается десятибалльная шкала устойчивости (табл. 1), по которой все водотоки по величине ПУ делятся на 5 классов.
Таблица Классификация водных объектов по устойчивости к эвтрофикации Класс качества Характеристика устойчивости ПУ I Очень устойчивые 10- II Устойчивые 8- III Умеренно-устойчивые 5- IV Слабо-устойчивые 3- V Неустойчивые Оценка уровня загрязнения донных отложений Содержание фосфат-ионов в донных отложениях определяли фотометрически по окраске восстановленной фосфорномолибденовой кислоты, после их экстрогирования азотной кислотой, на фотометре КФК- (ПНД Ф 14.1:4.248-07 11.07.2007), органический углерод донных отложений определяли по методу Тюрина (ГОСТ 26213-91).
Моделирование процессов миграции фосфат-ионов под влиянием АСПАВ Так как основными источниками загрязнения экосистемы р. Каменка фосфат-ионами являются стоки с сельхозугодий и с территорий сельских и городских поселений, содержащих синтетические поверхностно активные вещества, представляло интерес изучение влияния АСПАВ – приоритетных компонентов моющих и чистящих средств – на подвижность фосфат-ионов в системе «вода – донные отложения».
Для исследований использовали додецилсульфат натрия (ДДС). Влияние ДДС на миграцию фосфат-ионов из донных отложений проводили в модельных экспериментах в стеклянных емкостях на 11 дм с речной водой и донными отложениями р. Каменка. В каждый сосуд вводили определенное количество АСПАВ. Содержание в воде фосфат-ионов определяли через дней экспонирования.
ГЛАВА 3. ДИНАМИКА ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВОДЫ 3.1. Оценка уровня загрязнения воды соединениями биогенных элементов Приоритетными загрязнителями экосистемы реки являются соединения азота и фосфора. В таблице 2 представлены результаты определения концентраций фосфат-ионов, аммонийного азота и нитрат-ионов в экосистеме р. Каменка за 2009-2011 гг.
Таблица Концентрация биогенных элементов водах р. Каменка за 2009-2011 гг.
Азот № Фосфат-ионы, мг/дм3 Нитрат-ионы, мг/дм аммонийный,мг/дм ство ра 2009 г. 2010 г. 2011 г. 2009 г. 2010 г. 2011 г. 2009 г. 2010 г. 2011 г.
нет нет нет 1 0,114 0,21 0,24 0,2 0,05 0, дан. дан. дан.
нет нет нет 2 0,124 0,29 0,152 0,25 0,44 0, дан. дан. дан.
нет нет нет 3 0,116 0,24 0,288 0,25 0,111 0, дан. дан. дан.
нет нет нет 4 0,112 0,19 0,212 0,26 0,088 0, дан. дан. дан.
5 1,95 0,132 0,24 0,42 0,336 0,27 1,2 0,041 0, 6 3,3 0,116 0,35 0,68 0,272 0,27 1,96 0,049 0, 7 3,4 0,145 0,34 0,68 0,12 0,26 1,83 0,056 1, 8 3,7 0,147 0,24 0,68 0,164 0,26 1,56 0,088 0, 9 3,5 0,136 0,26 0,68 0,248 0,24 1,96 0,004 0, 10 3,7 0,159 0,37 0,7 0,22 0,28 1,96 0,14 1, 11 3,7 0,152 0,35 0,68 0,32 0,32 1,96 1,772 1, 12 3,95 0,269 2,13 0,85 0,444 0,41 1,96 1,111 0, Из таблицы 2 следует, что уровень загрязнения экосистемы р. Каменка по всем биогенными элементами и во все годы наблюдений возрастает от истока к устью, что связано со значительным влиянием хозяйственно-бытовых и ливневых стоков г. Суздаля и сбросом сточных вод с очистных сооружений.
3.2. Оценка степени загрязнения воды органическими соединениями Состав органических веществ в природных водах формируется под влиянием многих факторов. К числу важнейших относятся внутриводоемные биохимические процессы продуцирования и трансформации, поступления из других водных объектов, с поверхностными и подземными стоками, с атмосферными осадками, с промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами. Показателями загрязнения поверхностных вод органическими веществами является их окисляемость. На рис. 2 представлены значения перманганатной окисляемости, на рис. 3 – бихроматной окисляемости (ХПК).
Рис. 2. Перманганатная окисляемость Рис. 3. Бихроматная окисляемость вод вод р. Каменка р. Каменка.
Из рис. 2 и 3 следует, что основной вклад в загрязнение водотока вносят трудноокисляемые органические вещества. Уровень загрязнения легко окисляемыми органическими веществами (ПО) и трудноокисляемыми веществами (ХПК) увеличивается от истока к устью. На рис. 3 отчетливо видно значительное увеличение содержания трудноокисляемых органических веществ в черте города Суздаля (створы 8-10) и после очистных сооружений (створ 12), что связано с поступлением в водоток органических веществ антропогенного происхождения и свидетельствует о низкой эффективности работы очистных сооружений г. Суздаля.
3.3. Оценка кислородного режима водотока Концентрация кислорода определяет величину окислительно восстановительного потенциала и в значительной мере направление и скорость процессов химического и биохимического окисления органических и неорганических соединений. Определение кислорода в поверхностных водах необходимо для оценки условий обитания гидробионтов. На рис. 4 показана степень насыщения воды кислородом (СНК).
Рис. 4. Степень насыщения воды р. Каменка кислородом На протяжении всего периода наблюдений СНК вод до городской черты был выше 65%. В черте г. Суздаля (створы 8-9) наблюдалось некоторое снижение содержания растворенного кислорода в воде, что можно объяснить наличием двух капитальных плотин, препятствующих естественному самоочищению реки и накоплению в данном участке большого количества органических веществ. В устьевом створе наблюдалась наименьшая концентрация кислорода (в 2011 г. около 40%), что связано с большим влиянием очистных сооружений.
3.4. Оценка класса качества, уровня загрязнения и трофности вод экосистемы р. Каменка по гидрохимическим показателям Расчет уровня загрязнения и трофности производился по таким гидрохимическим показателям как: степень насыщения воды кислородом (СНК), азот аммонийный, нитрат-ионы, фосфат-ионы (табл. 3).
Результаты оценки качества и уровня загрязнения вод по соединениям азота и фосфора удовлетворительно согласуются между собой. Наиболее чувствительным из гидрохимических показателей качества и уровня загрязнения вод оказался фосфор минеральный.
В таблице 4 представлены результаты определения уровня трофности вод р. Каменка по уровню загрязнения фосфором (минеральным) и азотом аммонийным.
Таблица Класс качества и уровень загрязнения вод экосистемы р. Каменка по гидрохимическим параметрам (2011 г.) № Кл.качест. Кл.качест. Кл.качест. Кл.качест.
NH4+, NO3- РО43-, СНК, ство- и ур-нь и ур-нь и ур-нь и ур-нь мг/дм3 мг/дм3 мг/дм % ра загряз. загряз. загряз. загряз.
1 83,3 2, чист. 0,20 2, чист. 0,31 3, ум. загр. 0,21 5, гряз.
2 70,0 3, ум. загр. 0,25 3, ум. загр. 0,29 3, ум. загр. 0,29 5, гряз.
3 67,9 4, загр. 0,25 3, ум. загр. 0,31 3, ум. загр. 0,24 5, гряз.
4 75,5 3, ум. загр. 0,26 3, ум. загр. 0,28 3, ум. загр. 0,19 5, гряз.
5 76,1 3, ум. загр. 0,27 3, ум. загр. 0,14 2, чист. 0,24 5, гряз.
6 70,0 3, ум. загр. 0,27 3, ум. загр. 0,31 3, ум. загр. 0,35 6, оч. гряз.
7 67,9 4, загр. 0,26 3, ум. загр. 1,55 4, загр. 0,34 6, оч. гряз.
8 64,8 4, загр. 0,26 3, ум. загр. 0,39 3, ум. загр. 0,24 5, гряз.
9 66,9 4, загр. 0,24 3, ум. загр. 0,39 3, ум. загр. 0,26 5, гряз.
10 75,5 3, ум. загр. 0,28 3, ум. загр. 1,1 5, гряз. 0,37 6, оч. гряз.
11 70,0 3, ум. загр. 0,32 3, ум. загр. 1,96 6, оч. гряз. 0,35 6, оч. гряз.
12 40,1 5, гряз. 0,41 4, загр. 0,78 4, загр. 2,13 6, оч. гряз.
Таблица Трофность вод экосистемы р. Каменка Трофность по гидрохимическим показателям (мг/дм3) № 2009 г. 2010 г. 2011 г.
ство Рмин Трофность Рмин Трофность Рмин Трофность ра NNH4+ + + NNH4 NNH нет 0,08 мезотрофный 0,07 мезотрофный 1 нет дан.
дан. 0,24 мезотрофный 0,2 мезотрофный нет 0,13 мезотрофный 0,10 мезотрофный 2 нет дан.
дан. 0,15 мезотрофный 0,25 мезотрофный нет 0,12 мезотрофный 0,08 мезотрофный 3 нет дан.
дан. 0,3 мезотрофный 0,25 мезотрофный нет 0,11 мезотрофный 0,06 мезотрофный 4 нет дан.
дан. 0,2 мезотрофный 0,26 мезотрофный 0,64 эвтрофный 0,14 мезотрофный 0,08 мезотрофный 0,42 мезотрофный 0,33 мезотрофный 0,27 мезотрофный 1,1 эвтрофный 0,12 мезотрофный 0,12 мезотрофный 0,68 эвтрофный 0,27 мезотрофный 0,27 мезотрофный 1,12 эвтрофный 0,14 мезотрофный 0,12 мезотрофный 0,68 эвтрофный 0,15 мезотрофный 0,26 мезотрофный 1,2 эвтрофный 0,15 мезотрофный 0,08 мезотрофный 0,68 эвтрофный 0,16 мезотрофный 0,26 мезотрофный 1,16 эвтрофный 0,14 мезотрофный 0,08 мезотрофный 0,68 эвтрофный 0,25 мезотрофный 0,24 мезотрофный 1,2 эвтрофный 0,16 мезотрофный 0,12 мезотрофный 0,7 эвтрофный 0,22 мезотрофный 0,28 мезотрофный 1,2 эвтрофный 0,16 мезотрофный 0,12 мезотрофный 0,68 эвтрофный 0,32 мезотрофный 0,32 мезотрофный 1,3 эвтрофный 0,27 мезотрофный 0,7 эвтрофный 0,85 эвтрофный 0,44 мезотрофный 0,41 мезотрофный Как следует из табл. 4, в 2009 году исследованная часть водотока по трофическому статусу отнесена к эвтрофным водным объектам, в 2010- году водоток переходит к мезотрофным.
Показатели трофности вод экосистемы р. Каменка, определенные по Pмин и NNH4+ хорошо согласуются между собой. В целом они возрастают от истока к устью и уменьшаются с 2009 по 2011 годы, особенно это уменьшение заметно в черте г Суздаля, что связано с расчисткой русла на этом участке водотока в 2010-2011 гг.
ГЛАВА 4. ДИНАМИКА ГИДРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВОДЫ 4.1. Оценка класса качества и уровня загрязнения вод экосистемы р. Каменка В летние сезоны 2003, 2008, 2011 годы были проведены гидробиологические исследования экосистемы р. Каменка по 12 створам с целью выявления индикаторных организмов для оценки класса качества водотока, уровня трофности и сапробности. В результате исследований обнаружено 25 индикаторных видов (семейств) гидробионтов.
В табл. 5 представлены результаты гидробиологических исследований по оценке класса качества и уровня загрязнения вод р. Каменка по методу Николаева и Чертопруда.
Таблица Класс качества и уровень загрязнения вод экосистемы р. Каменка по гидробиологическим показателям Метод Николаева Метод Чертопруда № ство- Класс качества и уровень загрязнения ра 2003 г. 2008 г. 2011 г. 2011 г.
1 4, загрязн. 4, загрязн. 4, загрязн. 3, умер. загрязн.
2 4, загрязн. 4, загрязн. 4, загрязн. 3, умер. загрязн.
3 4, загрязн. 4, загрязн. 4, загрязн. 3, умер. загрязн.
4 3-4, умер. загрязн. 3-4, умер. загрязн. 3, умер. загрязн. 3, умер. загрязн.
5 2-3, умер. загрязн. 4, загрязн. 3-4, умер. загрязн. 4, загрязн.
6 4, загрязн. 4, загрязн. 3, умер. загрязн. 3, умер. загрязн.
7 3-4, умер. загрязн. 3, умер. загрязн. 3, умер. загрязн. 3, умер. загрязн.
8 4, загрязн. 4, загрязн. 4, загрязн. 3, умер. загрязн.
9 3-4, умер. загрязн. 4, загрязн. 3, умер. загрязн. 3, умер. загрязн.
10 4, загрязн. 4, загрязн. 3, умер. загрязн. 3, умер. загрязн.
11 5, грязные 5, грязные 5, грязные 3, умер. загрязн.
12 5, грязные 5, грязные 5, грязные 4, загрязн.
Класс качества вод и уровень загрязнения возрастает от истока к устью и незначительно уменьшается с 2008 к 2011 году. Уровни загрязнения, определенные методами Чертопруда и Николаева (2011 г.) удовлетворительно согласуются между собой. В целом, воды р. Каменка характеризуются как умеренно-загрязненные, а в створах 11-12 (устье) – грязные.
4.2. Оценка уровня сапробности Понятие сапробности, с одной стороны, приближается к значению эвтрофикации, т.к. включает трофическую характеристику, а с другой стороны, сапробность близка к токсичности или загрязненности, поскольку характеризует действие в среде отрицательных факторов (дефицит или отсутствие кислорода, продукты разложения органики и т.д.). Таким образом, понятие сапробности приобретает значение характеристики качества воды. В табл. 6 представлены результаты определения сапробности вод в экосистеме р. Каменка методами Николаева С.Г. (2003, 2008 и 2011 годы) и Чертопруда М.В. (2011 год).
Таблица Результаты оценки сапробности вод экосистемы р. Каменка Сапробность № ство- Метод Николаева С.Г. Метод Чертопруда М.В.
ра 2003 г. 2008 г. 2011 г 2011 г.
1 - мезосапр. - мезосапр. - мезосап. - мезосапр.
2 - мезосапр. - мезосапр. - мезосапр. - мезосапр.
3 - мезосапр. - мезосапр. - мезосапр. - мезосапр.
4 – - мезосапр. –- мезосапр. - мезосапр. - мезосапр.
5 олиго- –мезосапр. - мезосапр. – - мезосапр. - мезосапр.
6 - мезосапр. - мезосапр. - мезосапр. - мезосапр.
7 – - мезосапр. - мезосапр. - мезосапр. - мезосапр.
8 - мезосапр. - мезосапр. - мезосапр. - мезосапр.
9 – - мезосапр. - мезосапр. - мезосапр. - мезосапр.
10 - мезосапр. - мезосапр. - мезосапр. - мезосапр.
11 - полисапр. - полисапр. - полисапр. - мезосапр.
12 - полисапр. - полисапр. - полисапр. - мезосапр.
Из табл. 6 следует, что метод Николаева оказался более чувствительным для экосистемы р. Каменка. По нему устьевые створы (1-3) соответствуют -мезосапробным водам, что можно объяснить малой водностью (ширина реки от 0,5 до 2 м) и наличием двух плотин. В створах 4-10 воды соответствуют -мезосапробным, а устьевые створы (11-12) – полисапробным водам.
Сапробность в целом с 2008 года снижается, что свидетельствует о некотором улучшении экологической ситуации в экосистеме водотока, особенно в черте города, после расчистки русла реки в 2009-2010 годах. По методу Чертопруда воды в целом относятся к - мезосапробным.
4.3. Оценка уровня трофности Оценки трофности по гидробиологическим показателям за все исследуемые годы хорошо согласуются между собой, но с 2008 г. в некоторых створах наблюдается уменьшение уровня трофности (в створах 4-6), что на наш взгляд связано со значительным сокращением применения минеральных удобрений сельхозпроизводителями Суздальского района (табл. 7). Некоторое снижение уровня трофности наблюдаемое в черте города г. Суздаля в году, по сравнению с предыдущими, связано с расчисткой русла реки. Этот факт свидетельствует о наличии вторичного загрязнения вод донными отложениями.
Таблица Трофность вод экосистемы р. Каменка Трофность № створа 2003 г. 2008 г. 2011 г.
1 эвтрофный эвтрофный эвтрофный 2 эвтрофный эвтрофный эвтрофный 3 эвтрофный эвтрофный эвтрофный 4 -мезо-эвтрофный -мезо-эвтрофный –мезотрофный 5 - - мезотрофный эвтрофный -мезо-эвтрофный 6 эвтрофный эвтрофный –мезотрофный 7 -мезо-эвтрофный –мезотрофный –мезотрофный 8 эвтрофный эвтрофный эвтрофный 9 -мезо-эвтрофный эвтрофный –мезотрофный 10 эвтрофный эвтрофный –мезотрофный 11 политрофный политрофный политрофный 12 политрофный политрофный политрофный Обнаруженное относительное постоянство гидробиологических параметров в некоторых наблюдаемых пунктах свидетельствует о стабилизации экосистемы водотока и относительной ее устойчивости к существующему уровню антропогенного воздействия. Стабилизации экосистемы способствовали также многочисленные макрофиты прибрежной зоны, активно поглощающие соединения биогенных элементов.
ГЛАВА 5. ОЦЕНКА УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ 5.1. Оценка уровня загрязнения донных отложений органическими веществами В донных отложениях р. Каменка содержится достаточно большое количество органического вещества (в среднем 2,44%), что связано, на наш взгляд, с нарушением гидрологического режима водотока, препятствующим естественному процессу самоочищения, смывом органических веществ с сельхозугодий и большим количеством прибрежных и водных макрофитов.
Рис. 5. Содержание органического вещества в донных отложения Наиболее высокие концентрации органических веществ, наблюдаемые в створе 5 (до впадения р. Тумка), связаны с сильным заиливанием дна, присутствием большего количества макрофитов и замедленным течением на данном участке реки, а в створе 12 (устье) с влиянием очистных сооружений и достаточно большим содержанием трудноокисляемых органических веществ в воде данного створа.
5.2. Оценка уровня загрязнения донных отложений фосфат-ионами Высокие концентрации фосфат-ионов в донных отложениях обнаружены в створах, расположенных до городской черты (в среднем 1100 мг/кг), что связано со стоком с с/х угодий и применением минеральных и фосфорных удобрений сельхозпроизводителями Суздальского района. Наибольшее содержание фосфат-ионов в донных отложениях обнаружено в устьевом створе (2250 мг/кг), что непосредственно связано с очистными сооружениями г. Суздаля и их недостаточно эффективной системой очистки сточных вод, по причине высокой концентрации в очищаемых водах синтетических поверхностно-активных веществ (рис. 6).
Рис.6. Содержание фосфат-ионов в донных отложения Значительный вклад в загрязнение донных отложений органическими веществами и фосфат-ионами вносят, видимо, водные и прибрежные макрофиты.
ГЛАВА 6. ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ЭКОСИСТЕМЫ РЕКИ КАМЕНКА 6.1. Оценка устойчивости к эвтрофированию по подвижности фосфат-ионов Анализ пространственно-временной динамики загрязнения фосфат ионами экосистемы р. Каменка показывает, что в экосистеме р. Каменка происходит плавное снижение концентрации фосфат-ионов в воде с 2009 года, что связано со значительным сокращением применения минеральных, в том числе фосфорных, удобрений сельхозпроизводителями Суздальского района (как и в целом в области) (табл. 8).
Таблица Уровень загрязнения фосфат-ионами экосистемы р. Каменка.
Концентрация PO43- в воде, мг/дм3.
С PO43- в дон. отл., мг/кг № створа 2009 г. 2010 г. 2011 г.
1. - 0,25 0,21 2 - 0,38 0,29 3. - 0,36 0,24 4. - 0,34 0,19 5. 1,95 0,41 0,24 6. 3,30 0,36 0,35 7. 3,40 0,44 0,34 8. 3,70 0,45 0,24 9. 3,50 0,42 0,26 10. 3,70 0,49 0,37 11. 3,70 0,47 0,35 12. 3,95 0,82 2,13 Показатель устойчивости к эвтрофикации (табл. 9) экосистемы водотока неравномерно снижается от истока к устью, что, по-видимому, связано с неравномерным поступлением на различные участки водотока веществ, влияющих на подвижность фосфат-ионов в системе «вода – донные отложения».
Таблица Параметры устойчивости к эвтрофикации экосистемы р. Каменка Характеристика № створа КПр ПН ПУ устойчивости 1. 1,05 2381 3,35 Умеренно-устойчивые 2. 1,45 6466 4,65 Умеренно-устойчивые 3. 1,2 3437 3,46 Умеренно-устойчивые 4. 0,95 10000 4,02 Умеренно-устойчивые 5. 1,2 3542 3,47 Умеренно-устойчивые 6. 1,75 3929 3,35 Умеренно-устойчивые 7. 1,7 1103 2,8 Слабо-устойчивые 8. 1,2 1458 3,08 Умеренно-устойчивые 9. 1,3 2115 3,2 Умеренно-устойчивые 10. 1,85 1351 2,86 Слабо-устойчивые 11. 1,75 1857 3,03 Умеренно-устойчивые 12. 10,65 1056 2,0 Слабо-устойчивые Согласно предложенной классификации, экосистема исследованного водотока характеризуется умеренной и слабой устойчивостью к эвтрофикации.
Значительный рост фосфорной нагрузки на участки, характеризующиеся слабой устойчивостью к фосфат-ионам (ПУ3), может привести к нарушению сложившегося неустойчивого равновесия и к деградации экосистемы водотока.
6.2. Моделирование процессов миграции фосфат-ионов под действием АСПАВ Присутствие в водоемах поверхностно-активных веществ изменяет химический состав природных вод и ход протекающих в них химических и биохимических процессов.
На рисунке 7 показана зависимость содержания фосфат-ионов в водной фазе модельной системы от концентрации ДДС.
Рис. 7. Влияние додецилсульфата натрия на миграцию фосфат-ионов из донных отложений.
Из рисунка 7 видно, что вначале, по мере увеличения концентрации ДДС происходит резкий рост содержания фосфат-ионов в водной фазе, далее происходит резкое и затем плавное снижение концентрации фосфатов до первоначального уровня и ниже. Таким образом, при низких концентрациях (до 0,1 мг/дм3) ДДС происходит миграция фосфатов из донных отложений в водную фазу, при дальнейшем росте концентрации ДДС (от 0,1 до 1 мг/дм3) в системе начинают преобладать процессы седиментации, при концентрациях 1-4 мг/дм3 происходит стабилизация системы (устанавливается подвижное равновесие).
Следовательно, при обычных уровнях загрязнения экосистем водотоков АСПАВ, происходит вынос фосфат-ионов из донных отложений и усиление процессов эвтрофикации экосистемы.
ВЫВОДЫ 1. Установлено, что приоритетными загрязнителями водотока являются биогенные элементы и органические вещества природного и антропогенного происхождения. По гидрохимическим показателям воды реки Каменка в большинстве исследованных створов соответствуют умеренно-загрязненным, а в устьевом створе – грязным. Наиболее чувствительным из гидрохимических показателей качества и уровня загрязнения вод является фосфор минеральный;
по нему воды р. Каменка соответствуют 5 классу качества – грязные.
Трофность вод экосистемы реки по гидрохимическим показателям уменьшается с 2009 по 2011 гг. и водоток переходит от эвтрофной стадии к мезотрофной.
2. Изучена динамика гидробиологических показателей водотока.
Установлено, что метод Николаева для экосистемы р. Каменка оказался более чувствительным, при оценке уровня загрязнения и сапробности, чем метод Чертопруда. Створы 1-3 соответствуют -мезосапробным, загрязненным водам, створы 4-10 – -мезосапробным, умеренно-загрязненным, а устьевые створы (11-12) – полисапробным, грязным водам. По методу Чертопруда воды в целом относятся к - мезосапробным, умеренно-загрязненным. Воды р. Каменка в створах 1-3 относятся к эвтрофным, в створах 4-10 к мезотрофным и в створах 11-12 – политрофным. А в целом с 2008 года класс качества вод и трофность снижаются, что свидетельствует о некотором улучшении экологической ситуации в экосистеме водотока. Гидробиологические показатели хорошо согласуется с данными, полученными по гидрохимическим показателям.
3. Изучен уровень загрязнения донных отложений органическими веществами. Среднее содержание органических веществ в донных отложениях составляет 2,44%. Выявлен достаточно высокий уровень загрязнения донных отложений фосфат-ионами (в среднем 1000 мг/дм3).
4. Предложена методика оценки устойчивости малых водотоков к эвтрофированию по подвижности фосфат-ионов в системе «вода – донные отложения» по величине показателя устойчивости. Установлено, что экосистема р. Каменка характеризуются умеренной и слабой устойчивостью к эвтрофированию, а поскольку уровень загрязнения донных отложений фосфат ионами достаточно высок, в водотоке может наблюдаться процесс вторичного загрязнения, что может привести к нарушению сложившегося неустойчивого равновесия и к деградации экосистемы водотока.
5. Предложена классификация водотоков по устойчивости к эвтрофированию по величине показателя устойчивости (ПУ). Средние оценки класса качества вод р. Каменка, определенные по гидрохимическим, гидробиологическим показателям и показателю устойчивости, свидетельствуют о том, что предложенный нами показатель устойчивости является достоверной характеристикой.
6. Установлено, что при низких концентрациях (до 0,1 мг/дм3) ДДС происходит миграция фосфатов из донных отложений в водную фазу, при дальнейшем росте концентрации ДДС (от 0,1 до 1 мг/дм3) в системе начинают преобладать процессы седиментации, при концентрациях 1-4 мг/дм происходит стабилизация системы (устанавливается подвижное равновесие).
Следовательно, при обычных уровнях загрязнения водотоков АСПАВ, происходит вынос фосфат-ионов из донных отложений и усиление процессов эвтрофикации экосистемы.
Основные публикации по теме диссертации:
В изданиях из списка ВАК:
1.Савельев О.В., Чеснокова С.М. Оценка допустимой антропогенной нагрузки на малые реки по их самоочищающей способности// Проблемы региональной экологии. – 2011. - №1. – С.6-12.
2. Чеснокова С.М., Злывко А.С., Савельев О.В. Оценка влияния жаркого и засушливого лета 2010 года на малые реки Владимирской области// Проблемы региональной экологии. – 2011. - №6. – С.7-12.
3. Савельев О.В., Злывко А.С., Чеснокова С.М. Оценка устойчивости экосистем малых рек урбанизированных территорий к соединениям фосфора//Экология урбанизированных территорий. – 2012. - №1. – С. 87-92.
4. Савельев О.В., Чеснокова С.М. Оценка состояния экосистемы р.
Каменка по гидробиологическим и гидрохимическим показателям// Вода:
химия и экология. – 2012. - №9. – С. 85-90.
5. Чеснокова С.М., Злывко А.С., Савельев О.В., Малыгин А.В. Оценка уровня загрязнения анионными поверхностно-активными веществами экосистем р. Содышка и их влияния на физико-химические и биохимические процессы самоочищения.// Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Том 14, №1(7), 2012. – С. 2381-2383.
В других изданиях:
6. Савельев О.В., Чеснокова С.М. Оценка устойчивости р. Каменка к воздействию антропогенных факторов. Матер. 2-ой юбилейной конференции «Экология Владимирского региона»/Под. ред. проф. Т.А. Трифоновой.
Владимир, «Владимир Полиграф», 2008. – С.58-66.
7. Чеснокова С.М., Савельев О.В. Оценка уровня эвтрофикации и самоочищающей способности р. Каменка//Экология речных бассейнов: Труды 5-й Междунар. науч.-практ. конф. /Под общ. ред. проф. Т.А. Трифоновой;
Владим. гос. ун-т, Владимир. – 2009. – С. 308-312.
8. Савельев О.В., Чеснокова С.М. Оценка степени загрязнения реки Каменка по видовому составу зообентоса. Экология регионов. Сборник материалов III-ей юбилейной Международной науч.-практ. конференции/Под.
общ. ред. проф. Т.А. Трифоновой. Владимир, ВООО ВОИ ПУ «Рост», 2010. – С. 120-124.
9. Чеснокова С.М., Савельев О.В. Оценка кислородного режима и уровня загрязнения органическими веществами и самоочищающей способности реки Каменка в осенне-зимний период// Экология речных бассейнов: Труды 6 й Междунар. науч.-практ. конф. /Под общ.ред. проф. Т.А. Трифоновой;
Владим.
гос. ун-т, Владимир. – 2011. – С. 88- 10. Чеснокова С.М., Савельев О.В. Уровень эвтрофикации и самоочищающая способность малых рек урбанизированных территорий на примере реки Каменка// Экология речных бассейнов: Труды 6-й Междунар.
науч.-практ. конф. /Под общ. ред. проф. Т.А. Трифоновой;
Владим. гос. ун-т, Владимир. – 2011. – С.92-96.
11. Савельев О.В., Чеснокова С.М. Оценка трофности, сапробности и устойчивости к эвтрофикации экосистемы реки Каменка. Четвертая Между народная научно-практическая конференция «Экология регионов»/редкол.: Т.А.
Трифонова (отв. ред.) [и др.].- Владимир;
ВООО ВОИ, 2012. – С. 109-114.