Комплексная оценка состояния и устойчивости к эвтрофикации экосистем малых водотоков урбанизированных территорий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.08, кандидат биологических наук Савельев, Олег Владимирович

• Савельев, Олег Владимирович
• кандидат биологических наук
• 2013

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комплексная оценка состояния и устойчивости к эвтрофикации экосистем малых водотоков урбанизированных территорий»

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 и антропогенные нагрузки. Как правило, большая часть городских водотоков представляет собой средние и малые реки, характерной особенностью которых является выраженная зависимость их гидрологического и гидрохимического режимов от состояния поверхности водосбора. В настоящее время малые водотоки урбанизированных территорий являются основными приемниками загрязняющих веществ, поступающих с недостаточно очищенными 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, взвешанные вещества, 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 и эвтрофированию экосистем водотоков. Вследствие этого, многие из них имеют высокий уровень химического и микробиологического загрязнения, потеряли свое хозяйственно-бытовое и рекреационное значение.

Исходя из этого, комплексная оценка состояния и устойчивости к эвтрофикации экосистем малых водотоков урбанизированных территорий является актуальной и имеет как практическое, так и теоретическое значение.

Цель работы - комплексная оценка экологического состояния экосистемы малой реки и ее устойчивости к эвтрофированию по гидрохимическим и гидробиологическим показателям на примере реки Каменка - малого водотока Владимирской области.

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, трофности и сапробности экосистемы водотока по гидробиологическим показателям (зообентосу).

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 загрязнителей водных экостстем урбанизированных территорий на подвижность фосфат-ионов в системе «вода - донные отложения».

Научная новизна работы. В системе регионального экологического мониторинга поверхностных вод контроль за состоянием водотока 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.

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, водной фазы и донных отложений, а также корреляционных зависимостей между основными гидрохимическими и гидробиологическими параметрами экосистемы водотока.

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».

Практическая значимость работы. Результаты оценки 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 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 143 страницах, включает 29 таблиц и 10 рисунков; состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы, включающего 186 наименования (из них 32 на английском языке) и приложений.

Заключение диссертации по теме «Экология (по отраслям)», Савельев, Олег Владимирович

Заключение

Таким образом, наиболее значимыми показателями, состояния экосистем поверхностных вод являются показатели характеризующие кислотно-щелочной (рН, жесткость, кислотно-нейтрализующая способность), окислительно-восстановительный (степень насыщения воды кислородом) режимы, уровень загрязнения биогенными элементами и органическими веществами. А так же гидробиологические показатели (сапробность, трофность). Исходя из этого, основными задачами нашего исследования была оценка кислотно-щелочного режима водотока, кислородного режима, уровня трофности по гидрохимическим и гидробиологическим показателям и уровня сапробности. Анализ гидробиологических показателей водных экосистем позволяет нам для оценки этих показателей выбрать макрозообентос и методики оценки сапробности по методу Пантле-Букка в модификации Чертопруда (2007 г.) и метод Николаева по определению класса качества вод (1993 г.).

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 2.1. Общая характеристика состояния малых рек Владимирской области

Рельеф Владимирской области представляет собой сравнительно однообразную волнистую равнину. Все реки, протекающие в области, равнинные с малым уклоном (несколько сантиметров на километр), спокойным течением (в летний период скорость течения рек 0,1-0,4 м/с),, с преимущественным питанием за счет таяния снегов, летних осадков и грунтовых вод.

На реках области построено 137 водохранилищ и прудов с общим объемом - 89,664 млн. м . Для малых рек большей части области характерно чередование заиленных и незаиленных водотоков. В южной части области распространены плавни.

Для большинства рек области характерна низкая минерализация воды:

100-150 мг/дм3 в период весеннего половодья, 150-200 мг/дм3 - в летне

•j осеннюю межень, 200-250 мг/дм - в зимнюю межень. По кислотности большинство рек относятся к нейтральным (pH 6,5-7,5).

Основная часть гидрографической сети области представлена 746 реками и ручьями, из них почти 80% водных ресурсов принадлежат рекам бассейна Клязьмы и 20% - рекам бассейна Оки (Астахов П.А., 2009).

Объем среднемноголетнего стока рек Владимирской области составляет 4,8 млн. м3.

В целом, за год с стоками малых водосборов выносится в среднем 20-30 т/км растворенных солей.

По геометрической характеристике бассейна водного объекта - длине реки по территории области протекают:

• две большие реки (длина более 500 км) - Ока и Клязьма;

• тринадцать средних рек (длина более 100 км);

• пятьдесят девять малых рек (длина от 26 до 100 км);

• сто тридцать семь самых малых (от 10 до 25 км);

• пятьсот тридцать пять мельчайших рек (длина менее 10 км). •

Таким образом, на долю самых малых и мельчайших приходится 90% рек области.

Антропогенная нагрузка на водные объекты области несмотря на заметный спад производства, остается высокий. Об этом свидетельствует высокий уровень загрязнения вод. По величине индекса загрязнения вод (ИЗВ) большая часть рек области (~ 40%) относятся к 4-ому классу (загрязненная), до 25% - к 5-ому классу (грязная). Количество чистых водотоков составляет лишь 3,3% (О состоянии окружающей среды и здоровья населения Владимирской области в 2007 году).

Основная причина значительного загрязнения малых рек области -поступление в них сточных вод промышленных и с/х предприятий, коммунального хозяйства и ливневых стоков с территорий населенных пунктов, сельхозугодий, промплощадок.

В настоящее время более 80% сточных вод области отводится в поверхностные водные объекты.

Приоритетные загрязняющие вещества поверхностных вод области -железо, медь, цинк, нефтепродукты, органические соединения, азот аммонийный, азот нитратов (Астахов П.А., 2009). Повышенное содержание железа, органических веществ во многих водотоках связано с природными особенностями водосборных бассейнов. Многие реки протекают по заболоченным местностям и торфяникам. Кроме того, возможно поступление железа в реки с загрязненными водами из водопроводной сети, особенно вблизи крупных населенных пунктов.

В воде рек, на берегах которых расположены населенные пункты (особенно крупные), в осенний период наблюдается повышенное содержание фенолов (1-5 ПДК), что связано с поступлением в водотоки побочных продуктов хлорирования воды, образующиеся при ее дезинфекции.

Перманганатная окисляемость вод изменяется от 5 мгОг/дм3 в зимний

3 1 период до 10 мгОг/дм - в летнее осеннюю межень и 15 мгОг/дм - в половодье. Сезонно изменяется также бихроматная окисляемость (ХПК).

Зимой она достигает 30 мгОг/дм , летом 10-20 мгОг/дм (Исупова М.В.,

2008).

Большинство рек характеризуются повышенной цветностью воды из-за загрязнения гуминовыми кислотами.

В зимний период во многих водотоках области наблюдается высокий уровень загрязнения ионами аммония (1,5-3,3 ПДК).

В последние десятилетия в области интенсивно происходит обмеление малых рек. Причинами обмеления рек являются:

• вырубка лесов (вызывает сокращение паводков, понижению уровня грунтовых вод, уменьшение инфильтрации осадков и подземного питания рек);

• Прекращение строительства русловых плотин и плохая эксплуатация существующих сооружений;

• недостаточно грамотное проведение осушения болот и заболоченных земель водоемов;

• несоблюдение режима использования водоохранных зон и прибрежных полос водных объектов, массовая их застройка.

Вследствие обмеления малых рек мелеют и заиливаются более крупные реки.

В пределах водоохранных зон, прибрежных защитных полос и береговых полос малых рек в настоящее время постоянно возникают на предприятиях несанкционированные объекты размещения производственных и бытовых отходов, в деревнях и поселках образуются стихийные свалки бытовых отходов и мусора.

Сложившаяся неблагоприятная ситуация в бассейнах малых рек области, существующий уровень их загрязнения грозят потерей ими способности к самовосстановлению и превращением многих из них в

69 сточные канавы с нарушением структурно-функциональной организации биоценоза, в результате чего они могут стать непригодными для использования в любых целях.

2.2. Характеристика объекта исследований

Объекта исследования - река Каменка, правый приток реки Нерль, протекает по территории Суздальского района Владимирской области. Исток реки находится севернее села Новокаменское, а впадает она в реку Нерль возле села Новоселка. Длина водотока -41 км, площадь водосбора - 312 км2 (рис. 2.1). В Каменку впадают реки Тумка, Бакалейка и Мжара, а так же многочисленные ручьи, особенно в верхнем течении.

Источники загрязнения р. Каменка условно можно разделить на стационарные и рассеянные. К стационарным источникам относятся очистные сооружения г. Суздаля, производящие сброс недостаточно полно очищенных хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод, расположены в 1,2 км от устья р. Каменка. К рассеянным источникам можно отнести стоки с сельхозугодий СПК «Стародворский», СПК «Гавриловское», СПК «Тарбаево», Владимирского научно-исследовательского института сельского хозяйства (ВНИИСХ), а также с животноводческих комплексов и коммунально-бытовые стоки с сельских поселений и г. Суздаля. Такие загрязняющие вещества, как правило, вызывают эвтрофикацию водоемов, заиливание дна, смену видового состава гидробионтов и деградацию водотока.

К загрязнению экосистемы р. Каменка способствовало также 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 до города. Они были сооружены с большими нарушениями.

Производится также распашка пойменных лугов с конца 60-х годов XX столетия. В настоящее время происходит интенсивное заболачивание берегов

70 реки, подъем уровня грунтовых вод, угрожающие сохранности памятников архитектуры г. Суздаля. В 2009-2010 гг. по заказу департамента природопользования и охраны окружающей среды Владимирской области производились мероприятия по расчистке берегов и дноуглублению р. Каменка в городской черте.

Река от истока до устья была разделена нами на 12 створов, которые располагались в следующих пунктах (см. рис. 2.1):

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).

2.3. Оценка состояния экосистемы водных объектов 2.3.1. Гидрохимические показатели водных экосистем

В ходе работы было проведено комплексное исследование основных гидрохимических показателей воды:

- концентрацию нитратного азота определяли фотометрически. Метод основан на взаимодействии нитрат-ионов с салициловой кислотой с образованием желтого комплексного соединения. (ПНД Ф 14.1:2.4-95);

- нитритный азот определяли фотометрически. Определение основано на способности нитритов диазотировать сульфаниловую кислоту и на образовании красно-фиолетового красителя диазосоединения с альфа-нафтиламином (ПНД Ф 14.1:2.3-95);

- аммонийный азот определяли фотометрически по окраске комплекса с реактивом Несслера на фотометре КФК-3 (ПНД Ф 14.1:2.1-95). Фотометрический метод определения массовой концентрации ионов аммония основан на взаимодействии NH4+ с тетраиодомеркуратом калия в щелочной среде, переходящей в коллоидную форму. Светопоглощение раствора измеряют при X = 425 нм в кюветах с длиной поглощающего слоя 1 или 5 см. Интенсивность окраски прямо пропорциональна концентрации ионов аммония в растворе пробы;

- фосфаты определяли фотометрически по окраске восстановленной фосфорномолибденовой кислоты на фотометре КФК-3 (ПНД Ф 14.1:4.248-07 11.07.2007). Метод основан на взаимодействии ортофосфатов с молибдатом аммония в кислой среде с образованием молибдофосфорной кислоты, её восстановлением аскорбиновой кислотой с последующим фотометрическим измерением окрашенной в синий цвет восстановленной формы молибдофосфорной кислоты (молибденовой сини) при длине волны 880 - 890 нм. Определение фосфора общего проводят после предварительного гидролиза и/или минерализации всех форм фосфора до ортофосфатов. Блоксхема анализа растворенных ортофосфатов, полифосфатов и фосфора общего приведена в Приложении 1;

- содержание растворенного кислорода - йодометрическим методом (метод Винклера) (ПНД Ф 14.1 ;2.101-97). Метод основан на окислении растворенным в воде кислородом соли марганца (II) в щелочной среде до гидроксида марганца (IV), на взаимодействии последнего с йодистым калием с выделением йода и титрованием выделившегося йода раствором тиосульфата натрия. Содержание растворенного кислорода выражают в мг/дм3. Указанный метод дает возможность определить кислород при содержании его не ниже 0,2 - 0,3 мг/дм3;

- перманганатную окисляемость определяли титримитрически (ПНД Ф 14.1;2;4.154-99). Метод основан на том, что раствор перманганата калия в присутствия серной кислоты выделяет кислород, окисляющий при кипячении органические вещества. По количеству разложившегося перманганата калия вычисляют массу кислорода (в мг), расходуемого на окисление органических веществ, содержащихся в 1 дм3 воды. Реакция протекает по следующему уравнению:

2КМп04+ ЗН2804 = 50 + 2МП804 + К2804 + ЗН20.

1 мл 0,01 н раствора перманганата калия выделяет 0,08 мг кислорода

В этих условиях окисляется не все органические вещества, поэтому перманганатная окисляемость характеризует содержание только легкоокисляющихся примесей;

- ХПК определяли титриметрическим методом (РД 52.24.421-2007). Выполнение измерений основано на окисление органических веществ дихроматом калия в растворе серной кислоты при нагревании в присутствии катализатора - сульфата серебра. Избыток дихромата калия титруется (с индикатором ферроином) солью Мора и, исходя из результатов титрования, находят количество дихромата калия, израсходованного на окисление органических веществ;

- рН исследуемой воды определялось нами с помощью иономера «Эксперт 001» в системе водородного и хлорид-серебряного электродов (ПНД Ф 14.1:2:3:4.121-97);

- кислотно-нейтрализующую способность определяли титриметрически. Метод основан на титровании пробы воды стандартным раствором сильной кислоты до рН = 5,6 в присутствии индикатора метилового красного;

- общую жесткость воды определяли титриметрическии. Метод основан на титрировании анализируемой воды раствором двунатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (комплексона III, трилона Б) известной концентрации при рН 10 в присутствии индикатора эриохрома черного Т (ПНД Ф 14.1 ;2.98-97);

- общее железо в воде определяли фотометрически (ПНД Ф 14.1:2.5096). Фотометрический метод определения массовой концентрации общего железа основан на образовании сульфосалициловой кислотой или ее натриевой солью с солями железа окрашенных комплексных соединений, причем в слабокислой среде сульфосалициловая кислота реагирует только с солями железа(3+) (красное окрашивание), а в слабощелочной среде - с солями железа(2+) и (3+) (желтое окрашивание).

Оптическую плотность окрашенного комплекса для железа общего измеряют при длине волны X = 425 нм, для железа(3+), при длине волны Х = 500 нм.

- содержание АСПАВ в воде определялось экстракционно-фотометрическим методом с метиленовым синим (ПНДФ 14.1:2.15-95). Метод основан на образовании окрашенного соединения при взаимодействии анионоактивных веществ с метиленовым синим, экстрагируемого хлороформом.

Отбор проб воды проводили в соответствии с ГОСТ 17.1.5.5.04 - 81 и 17.1.05.-85.

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.

Ымш = Ыын; + Ыыо/ + Ымо; , где NN1// - концентрация азота аммонийного, мг/дм ; Шо3 концентрация азота нитратов, мг/дм ; Иыо} - концентрация азота нитритов, мг/дм .

Все анализы выполнены в аккредитованной лаборатории физико-химических методов анализа кафедры экологии Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых (ВлГУ).

2.3.2. Методы оценки состояния экосистем по гидробиологическим показателям 2.3.2.1. Модификация индекса сапробности Пантле-Букка для водоемов Европейской России

Метод измерения сапробности Пантле-Букка и его модификации (81аёесе1с, 1973) представляют собой наиболее разработанную систему биоиндикации (Макрушин, 1989). Однако, применимость его весьма ограничена по нескольким причинам: требуется определение организмов до вида (что доступно лишь немногим специалистам); необходим сбор количественных данных (что весьма трудоемко); известные списки индикаторов включают западноевропейские виды, составляющие обычно менее трети состава сообществ Европейской России (Чертопруд, 2002, 2007).

Индекс сапрбности рассчитывается по формуле: = ЕК//БЛ где S - сапробность каждого найденного в пробе индикаторного таксона (от 0 до 4), J - его индикаторный вес (от 1 до 4). Значения его, таким образом, могут варьировать также от 0 до 4 баллов, как и у исходного индекса Пантле-Букка. Обилие организмов не учитывается, что позволяет использовать для оценки сапробности качественные данные наравне с количественными.

В табл. 2.2. представлен список таксонов - индикаторов сапробности (90 индикаторных семейств).

Сапробность каждого таксона, для удобства вычисления индекса, округлена с точностью до 0.5. Во всех случаях, кроме одного (Tubificidae) индикатором является нахождение таксона в пробе, без оценки его обилия. Представителей Tubificidae предлагается учитывать (как индикатор полисапробных условий) только при наличии их «в массе» (не менее 1 экз. на 1 см2, при этом они доминируют в сообществе по численности наряду с личинками Chironomidaé).

Значения индекса, как и у индекса Пантле-Букка в классической модификации, изменяются от 0.5 до 4.0. Сапробность около 0 баллов (от 0 до

0.5) характеризует ксеносапробные условия (1-й класс качества по

Госкомгидромету, наиболее чистые воды; на практике встречаются крайне редко, обычно высоко в горах). Сапробность около 1 балла (от 0.5 до 1.5) характеризует олигосапробные условия (2-й класс качества по

Госкомгидромету, наиболее чистые природные воды в нашем регионе).

Сапробность около 2 баллов (1.5-2.5) - мезосапробные (3-й класс качества, умеренно загрязненные воды). Сапробность около 3 баллов (2.5-3.5) а-мезосапробные (4-й класс качества, загрязненные воды), около 4 баллов

77

3.5-4.0) - полисапробные условия (5-й класс качества, грязные воды; это самая тяжелая степень загрязнения, при которой встречаются гидробионты), более 4 баллов - гиперсапробные условия (6-й класс качества вод по Госкомгидромету, встречается в промышленных сточных водах).