Методы оценки экологического состояния водоемов

Если водный объект имеет многофункциональное использование, применяется показатель вредности, отражающий приоритетность требований к качеству воды, он является лимитирующим показателем. Загрязнение воды может быть обусловлено не только токсичными веществами, но и изменением органолептических показателей (запах воды изменяется от поступления нетоксичных, но дурно пахнущих веществ) и других физико-химических характеристик, к ним относятся: содержание взвешенных веществ, минеральный состав, растворимый кислород, температура, цвет, показатель рН и др.

При нормировании загрязняющих веществ необходимо иметь в виду, что многие вещества обладают сходным токсичным действием, в этих случаях суммарная концентрация таких веществ может превышать предельно допустимую концентрацию для отдельных веществ.

Некоторые загрязняющие вещества обладают синергетическим эффектом, то есть токсичность одного в присутствии другого может многократно возрастать. Эффект суммирования действия загрязняющих веществ необходимо учитывать при сложном спектре загрязняющих веществ.

Приведенное описание показывает, что нормирование загрязнений в воде является очень сложной проблемой. Современная система нормирования не учитывает особенностей водного объекта как экосистемы. Наряду с изложенным выше подходом, в мировой практике достаточно широко распространено нормирование загрязняющих веществ, базирующееся на понятии ассимиляционного потенциала. В этом случае поступление загрязняющих веществ от предприятий должно быть таким, чтобы эти поступления не нарушили экосистему в целом. Ассимиляционный потенциал как раз и показывает, какое количество загрязняющих веществ может поглотить та или иная экосистема без ущерба для своего состояния. Определив ассимиляционный потенциал, далее можно установить предельные нормы на сбросы загрязняющих веществ отдельными предприятиями. Экологическое нормирование необходимо проводить с учетом множественности путей загрязнения и самоочищения элементов биосферы. Нормирование антропогенных воздействий проводится на основе оценок их влияния на природные системы. Важным моментом при обосновании экологического нормирования является поиск наиболее слабых или «критических» звеньев биосферы. При анализе адаптационных возможностей биосферы к антропогенным воздействиям важен учет экологического резерва, определяющего долю возобновляемых природных ресурсов, которую можно изъять из биосферы без нарушения ее основных свойств. Экологический резерв неразрывно связан с понятием устойчивости системы. Для нормального функционирования экосистемы антропогенные нагрузки не должны превышать предельно допустимые экологические нагрузки.

Для комплексной оценки качества природной среды используется биомониторинг, который основан на высокой чувствительности ряда животных и растений к загрязнениям. Например, разрабатывается мониторинг качества вод водоемов по биохимическим особенностям организмов, обитающим в нем. То есть состояние организма зависит от среды обитания[7].

Критерий загрязненности воды - ухудшение качества вследствие изменения органолептических свойств (запах, цвет) и появления веществ, вредных для человека, животных, птиц, рыб, кормовых и промысловых организмов, а также изменяющей условия для нормальной жизнедеятельности водных организмов.

Состояние водной экосистемы это ее характеристика по совокупности количественных и качественных биогенных, абиогенных и антропогенных показателей применительно к видам водопользования». При этом отметим, что экосистема обладает тенденцией развиваться в направлении к зрелой экосистеме, имеющей более устойчивое состояние. Как показала практика, при загрязнении водного объекта, происходят изменения в физическом и химическом состоянии воды, которое приводит к нарушению экологического баланса системы, при котором наблюдается сокращение видового состава сообщества и увеличение численности устойчивых видов.

К настоящему времени сформировалось два основных способа оценки состояния водных объектов, характеризуемого качеством их вод по гидробиологическим и гидрохимическим показателям.

Изменения в экосистеме можно охарактеризовать с помощью функций распределения видов по обилию и расчетом т.н. индексов, не связанных с определенным статистическим распределением. Эти индексы являются функцией видовой структуры и их называют индексами разнообразия. С их помощью характеризуют многокомпонентную видовую структуру сообщества одним числом. Этих индексов разработано достаточно много, среди них отметим наиболее часто употребляемые индексы Шеннона, Гуднайта-Уотлей, Вудивисса и другие.

Качество вод можно оценивать и с помощью классификаций, интегральных оценок качества воды (индексов качества воды). Индексы - это формализованные показатели загрязненности воды, обобщающие более широкие группы показателей, с высокой степенью объективности, учитывающие различные стороны оцениваемого объекта. Индекс это величина, являющаяся мерой состояния и изменений главных физических, химических и биологических компонент окружающей среды. Как показано Г.Т. Фруминым для представления качества вод в виде единой оценки показатели необходимо выбирать независимо от лимитирующего признака вредности; а при «равенстве концентраций предпочтение отдается веществам, имеющим токсикологический признак вредности». Качество вод можно определять по стандартным гидрометеорологическим измерениям с помощью т.н. индекса загрязненности вод, который рассчитывается по нескольким загрязняющим веществам, концентрация которых наибольшая [9].

Биоиндикация вод проводится по различным трофическим звеньям (бактерио-, фито- и зоопланктон, макрозообентос) и включает определение видового разнообразия, биомассы и численности гидробионтов, на основании которых устанавливаются уровень трофности водоема, структурно-функциональные изменения биоты во времени. Для оценки качества воды применяется известный метод сапробных индикаторов с учетом региональных особенностей функционирования гидробиоценозов. Эколого-токсикологический контроль за сточными водами осуществляется методами биотестирования с использованием обычно 2-х видов тест-объектов - Daphnia magna Straus и Simocephalus serrulatus Koch.

В последние годы при развитии вычислительной техники, позволяющей оперировать с огромными объемами экспериментальных данных, базами данных, открываются новые возможности для исследования роли различных факторов в изменении экологического состояния водоемов с помощью разных классификаций. Классификация это система распределения объектов, явлений, процессов по классам в соответствии с определенными признаками.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава III Аналитический обзор подходов к применению интегральных показателей и индексов для оценки экологического состояния водных объектов

3.1. Гидробиологические интегральные оценки качества

Индекс Шеннона  представляет собой формализацию, которая используется при оценке сложности и содержания информации любых типов систем, он лучше всего подходит для целей сравнения в тех случаях, когда не интересуют компоненты разнообразия по отдельности. К тому же он не зависит от величины пробы, а также важно то, что численность видов всегда характеризуется нормальным распределением. Немаловажно, что индекс Шеннона придает больший вес редким видам. Он обычно меняется в пределах от 1,5 до 3,5. Причины ошибок в оценке разнообразия с использованием этого индекса заключаются в том, что невозможно включить в выборку все виды реального сообщества.

 Индекс Шеннона – основан на уравнении, выведенном К. Шенноном в 1948 году, с помощью которого можно определить степень информированности (степень упорядоченности) системы:

, (1.1)

где Pi — вероятность события; K — число элементов — носителей информации. Мак-Артур (1957) использовал уравнение Шеннона для оценки степени структурированности биоценозов. При вычислении разнообразия биоценозов величину, выражающую количество информации на один элемент (особь, единицу биомассы и др.), обозначают:

 ,(1.2)

Информация всего биоценоза или его части в единице пространства (объеме, площади), равная произведению Н на количество элементов, обозначается:

 

(1.3)

где N — общее количество элементов в биоценозе; ni — количество элементов данной группы; m — число групп. Под числом элементов можно понимать численность особей, их биомассу и любые другие характеристики групп.

называют показателем Шеннона, индексом разнообразия Шеннона [11].

Олигохетный индекс Гуднайта-Уотлей – используется для непроточных водоёмов в качестве характеристики. Он показывает долю олигохет от общего количества бентоса в процентах. Чем больше значение индекса, тем выше степень загрязнения водоема:

, (1.4)

D - показатель  загрязнения,N1 - количество олигохет,N2 - общая численность бентических организмов.

Ход анализа:

• отбирают пробы бентоса;
• собранные бентические организмы просчитываются (отдельно олигохет);
• находят отношение численности (N) олигохет к числу всех организмов в %;
• по таблице 1 определяют степень загрязнения воды.

 

Биотический индекс Вудивисса - используется во всем мире для определения качества воды в водотоках по структурным характеристикам зообентоса (донных организмов). Индекс учитывает общее разнообразие населяющих водоем донных беспозвоночных и наличие в нем организмов, принадлежащих к индикаторным группам.

Методика определения

Используя карту или схему реки, выбирают места отборов проб (станции). Для оценки состояния экосистемы реки станции отбора проб должны закладываться в одинаковых биотопах с учетом характера грунта (каменистая, песчаная литораль, и т.д.).

В намеченных станциях с помощью различных орудий лова отбираются пробы зообентоса. Затем в течение 15-20 минут на каждой станции осуществляется дополнительный сбор всех бентических животных, которые попадут в поле зрения исследователей. Проба промывается в промывальнике, выкладывается в кювету. Животных выбирают из кюветы с помощью пинцетов или пипетки и определяют группы.

Выясняют, какие индикаторные группы есть в водоеме. К индикаторным относятся: личинки веснянок, поденок, ручейников, рачки бокоплавы, равноногие раки, трубочники, личинки хирономид.

Оценивают общее разнообразие донных беспозвоночных, подсчитывают число групп, под группой понимают:

любой вид плоских червей,

класс малощетинковых червей (кроме р. Nаis),

р. Nais,

любой вид моллюсков, пиявок, ракообразных, водных клещей,

любой вид веснянок, перепончатокрылых жуков,

любой вид поденок, кроме Baetis rodani,

любое семейство ручейников,

семейство комаров звонцов, кроме видов р. Chironomus sp.,

Cheronomus sp.,

личинки мошек Simuliidae,

каждый известный вид личинок других летающих насекомых.

Находят индекс водоема по таблице 2 на пересечении значения общего количества групп и индикаторной группы, начиная сверху с личинок веснянок.

Определяют степень загрязнения водоема.  Если водоем:

от 0 до 2 баллов – сильное загрязнение,

3 – 5 – средняя степень,

6 – 7 – незначительное загрязнение,

8 – 10 – чистый водоем.

Мини-определитель данных беспозвоночных для оценки качества воды методом Вудивисса .

Основные индикаторные группы:

Личинки веснянок

Личинки поденок

Личинки ручейников Trichoptera

Бокоплавы род Gammarus

Равноногие раки

Малощетинковые черви p. Tubifex

Личинки комаров-звонцев Chironomidae

Прочие группы [12].

Биотестирование (англ. bioassay) - процедура установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов. Благодаря простоте, оперативности и доступности биотестирование получило широкую признание во всем мире и его все чаще используют наряду с методами аналитической химии. Существует 2 вида биотестирования: морфофизиологический и хемотаксический. Хемотаксический метод более точный, та как в нем используется специальный прибор, а морфофизиологический позволяет более точно описать, что происходит с тест-объектами, например, в загрязненной воде.

Хемотаксический метод

Этот метод более точен. Для начала изготавливается загуститель. Для этого в пробирку добавляется поливиниловый спирт и до половины заливается водой, потом греется на лабораторной плитке 15-30 минут с перемешиванием. Позже с помощью специальной пипетки в кювету добавляется 0,34 мл этого загустителя. Затем добавляется 1,6 мл среды Лозина Лозинского (среды, идеальной для жизни инфузорий, которые используются как тест-объект) и перемешивается. После этого в пипетку набирается 2 мл проверяемой воды и медленно, по капле наслаивается в пробу, нельзя допускать перемешивания с основным раствором. Если все получилось правильно, то между пробой воды и загустителем появится граница. Кювету надо привести в состояние покоя на полчаса, после этого поставить в биотестер - прибор, который определяет уровень токсичности воды. Он начнет выдавать числа, которые обозначают количество инфузорий, проплывших через границу. Нужно из 5 первых чисел вычислить среднее арифметическое, а потом высчитать индекс токсичности по формуле: