ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ СУШИ (часть II)

ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВОДНЫХ
ОБЪЕКТОВ СУШИ (часть II).

Дмитриев Василий Васильевич,
заведующий лабораторией СПбГУ, доцент,
член-корреспондент МАНЭБ

В восьмом выпуске информационно-исследовательского сборника нами обобщены некоторые классификации и типизации, используемые в гидроэкологическом мониторинге водных объектов суши, для характеристики сапробности, качества воды, выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия. Там же приведены пять практических работ для освоения теоретического материала, которые могут быть положены в основу подготовки самостоятельных гидроэкологических исследований.

В настоящей статье, предназначенной как для преподавателей, так и для старшеклассников, подготовленных к работе на водных объектах, речь пойдет о возможности оценки уязвимости водного объекта по физико-географическим, климатическим условиям и параметрам его гидрологического, гидрохимического и гидробиологического режимов к внешним воздействиям.

Под уязвимостью водной экосистемы будем понимать ее неспособность сохранять квазипостоянными свои свойства и параметры режимов в условиях действующих на нее внешних и внутренних нагрузок. Тогда устойчивыми к изменению параметров режимов будут экосистемы, способные сохранять указанные свойства на определенном временном интервале функционирования.

Важно уяснить, что уязвимая водная экосистема при антропогенном или техногенном воздействии на нее может достаточно быстро деградировать и потерять присущие ей уникальные природные свойства. Слабо уязвимая экосистема может достаточно долго противостоять внешнему воздействию, проявляющемуся в изменении параметров режимов водного объекта, и тем самым быть устойчивой к внешним воздействиям и нагрузкам. При этом высокая устойчивость экосистемы не должна ассоциироваться у исследователя с ее экологическим благополучием, хотя уязвимость (устойчивость) водной экосистемы может учитываться (как параметр) при оценке степени ее благополучия. Как мы увидим, повышенной уязвимостью к эвтрофированию обладают небольшие по величине и(или) низкопродуктивные экосистемы водоемов; повышенной уязвимостью к загрязнению обладают небольшие по величине и (или) сравнительно чистые экосистемы. И наоборот, повышенной устойчивостью к эвтрофированию обладают крупные и (или) высокопродуктивные экосистемы водоемов, находящиеся в оптимальных условиях формирования водности; повышенной устойчивостью к загрязнению обладают крупные и (или) высокозагрязненные экосистемы или экосистемы, находящиеся в оптимальных условиях формирования качества воды. Таким образом, слабо уязвимыми к изменению какого-либо свойства могут оказаться экосистемы, уже в значительной степени обладающие (наделенные) этим свойством. Именно поэтому устойчивыми к загрязнению могут оказаться грязные экосистемы, а устойчивыми к эвтрофированию – эвтрофные и гиперэвтрофные экосистемы, это и не позволяет назвать их экологически благополучными.

Не надо думать, что оценка уязвимости или устойчивости к изменению свойств экосистемы сводится только к учету одного какого-либо свойства. Она получается как результат учета многих свойств, характеризующихся большим набором параметров оценивания, среди которых физико-географические и климатические условия и характер антропогенного воздействия являются определяющими. Исследование этих свойств и их изменчивости расширяет кругозор исследователя, обусловливает необходимость формирования у него эколого-географического мышления.

Необходимо также заметить, что уязвимость (устойчивость) водных экосистем циклического (озера, слабопроточные водоемы, пруды) и транзитного (реки, сильно проточные водоемы) типов обусловлена разными природными механизмами. Устойчивость первого типа можно назвать “адаптационной”, устойчивость второго типа – “регенерационной”. Если в первом случае важнейшим свойством природной системы является ее способность сохранять исходное состояние или плавно переходить в другое состояние, сохраняя при этом внутренние связи (инертность, пластичность), то во втором случае на первое место выходит способность системы многократно восстанавливать свои свойства, возвращаться в исходное состояние после временного внешнего воздействия (восстанавливаемость). К этому можно добавить, что биотические и абиотические составляющие экосистемы по механизмам устойчивости также различаются между собой. Устойчивость первых достигается физико-механическими и химическими процессами переноса, разбавления, сорбции, миграции вещества; устойчивость вторых обусловлена способностью адаптации организмов к воздействию, как в результате внутренней резистентности биохимической организации, так и за счет способности к биохимическому разложению токсичных соединений и изменению удельных скоростей обменных процессов в экосистеме под влиянием воздействия.

Параметры уязвимости и устойчивости водных экосистем объединены нами в экспертную балльно-индексную систему, которая учитывает региональные особенности водных объектов и дает возможность в пределах изменения заложенных в них параметров провести сравнительную оценку уязвимости водных экосистем к воздействию. Если свойства водного объекта различаются по пространству и это дает основание говорить о физико-географическом, гидрологическом, гидрохимическом и гидробиологическом районировании в пределах определенной территории (акватории), то можно провести зонирование водосборной территории или акватории водоема по баллам уязвимости (устойчивости) и выделить наиболее уязвимые и устойчивые его районы.

Целью данной работы является оценка уязвимости водоемов к изменению параметров режимов на основе балльно-индексного метода, основу которого составляют различные классификации: А.М. Владимирова и др., 1991; В.В. Снакина и дp., 1992; А.Л. Ресина и др.,1992; В.В. Дмитриева, 1995-1997.

Оценка уязвимости водоемов к антропогенному эвтрофированию и к загрязнению проводится путем последовательного суммирования индексов для соответствующих признаков оценивания, разрядов и баллов по таблицам; получения суммарной балльной оценки и нахождению в итоге класса и подкласса уязвимости водоема (таблицы 1-7). Таким образом, сначала необходимо последовательно просуммировать индексы (табл.1-3), затем разряды, в соответствии с примечаниями к каждой таблице. После этого по сумме разрядов (табл.4) найти баллы уязвимости (семейство уязвимости), прибавить к ней баллы трофности или баллы качества вод (род уязвимости) и по полученной сумме баллов найти класс и подкласс уязвимости водоема (комбинация семейств и родов). Уязвимость по антропогенному эвтрофированию и по качеству воды (загрязнению) необходимо оценивать раздельно, не смешивая эти понятия.

Рассмотрим подробно этапы оценивания. Сначала находим значения индексов (1;2;3 или 4) по каждому из трех признаков по табл.1, суммируем все три найденные значения индекса и по примечанию к таблице находим разряд водоема по физико-географическим и морфометрическим признакам.

Классификация водоемов по физико-географическим
и морфометрическим признакам

Признаки /знач. индекса	1	2	3	4
Площадь поверхн., км кв.	>1000	1000-101	100-10	<10
Объем, км куб.	>10	10-1,1	1,1-0,5	<0,5
Макс. глубина, м	>50	50-11	10-5,0	<5,0

Примечание. Водоем с суммой индексов от 3 до 4 относится к 1 разряду, от 5 до 7 – к 6 разряду, от 8 до 11 – к 11 разряду, от 11 до 12 – к 15 разряду.

Затем находим значения индексов (1;2;3;4 или 5) по каждому из трех признаков по табл.2, суммируем все три найденные значения индекса и по примечанию к таблице находим разряд водоема по первой группе гидрологических признаков (уровневый и температурный режимы).

Классификация водоемов по гидрологическому режиму
(уровневый и температурный режим)

Признаки /знач. индекса	1	2	3	4	5
Колебание уровня, м	<3	–	3-7	–	>7
Средняя температура воды в летний период, ° С	>20	20-15	<15	–	–
Продолжительность ледостава, мес.	>5	5-2	<2	–	–

Примечание. Водоем с суммой индексов от 2 до 4 относится к 1 разряду, от 5 до 7 – ко 2 разряду, от 8 до 11 – к 3 разряду. За температуру воды принимают среднюю из суточных величин за летний период для типичного по климатическим условиям года.

После этого находим значения индексов (1;2 или 3) по каждому из пяти признаков по табл.3, суммируем все пять найденных значений индекса и по примечанию к таблице находим разряд водоема по второй группе гидрологических признаков (условия водообмена).

Классификация водоемов по гидрологическому режиму
(условиям водообмена)

Признаки /знач. Индекса	1	2	3
Наличие сезонной стратификации	да	нет	-
Вертикальное перемешивание (количество раз за год)	<2	2	>2
Условия проточности	бессточный	сточный	проточный
Характер регулирования стока	многолетнее	сезонное	недельное или суточное
Водообмен в год	<0.1	0,1-5,0	>5,0

Примечание. Водоем с суммой индексов, равной 5, относится к 1 разряду, от 6 до 8 – ко 2 разряду, от 9 до 14 – к 3 разряду.

Затем суммируем полученные по табл.1-3 разряды и входим в левую часть табл.4 (семейство уязвимости). Полученной сумме разрядов здесь ставится в соответствие определенное количество баллов. Запоминаем их для дальнейших расчетов.

Обратите внимание, что класс водоема в табл.4 обозначен римской цифрой, он отражает физико-географические особенности водоема (см.табл.1). Подкласс водоема обозначен большими буквами “А” и “Б”, он отражает оптимальность условий формирования водности и качества воды. Оптимальными условиями являются не экстремальные условия (см.табл.2 и 3), для которых сумма разрядов может быть наименьшей (“А”), а наиболее благоприятные для формирования водности и качества воды промежуточные условия (“Б”). Водоемы с благоприятными условиями формирования будем считать менее уязвимыми (более устойчивыми) по сравнению с водоемами с неблагоприятными условиями, поэтому в табл. 4 им ставится в соответствие меньшее количество баллов. Чем меньшее количество баллов получено на данном этапе, тем менее уязвима экосистема.

Балльная оценка уязвимости водоемов
по физико-географическим, гидрологическим свойствам, трофности или качеству воды

На следующем этапе необходимо получить баллы трофности (оценка уязвимости по антропогенному эвтрофированию) или баллы качества воды (оценка уязвимости к загрязнению). Для этого в первом случае необходимо установить трофический статус водоема, а во втором случае качество его воды.

Для оценки трофического статуса воспользуемся таблицей 5. В таблице приведена наиболее полная сводка параметров оценивания трофности водных экосистем, дополненная автором в последние годы. Необходимо помнить, что основным критерием для оценки трофности служит первичная продукция в водоеме. Содержание хлорофилла, прозрачность воды, концентрация общего фосфора и азота и др. являются коррелятивными параметрами оценивания.

Семейство уязвимости	Род уязвимости по трофическому статусу или по качеству воды	Основные комбинации семейств и родов для отмеченных (*) баллов трофии или качества
Обозна чение	Сумма разрядов	Баллы	Трофность Качество воды	Баллы трофности. Баллы качества воды	Обозначение	Сумма баллов	Обозначение	Сумма баллов
IА	3-5	8	1. Гипер. и эвтрофный *)	1	IБ1	5	IIIБ1	16
IБ	6-9	4	2. Эвтрофн.-мезотрофн.	3	IБ2	9	IIIБ2	20
IIА	10-11	13	3. Мезотрофный *)	5	IБ3	19	IIIБ3	30
IIБ	12-14	10	4. Мезотрофн.-олиготр.	8	IА1	9	IIIА1	19
IIIА	15-16	18	5. Олиготрофный *)	15	IА2	13	IIIА2	23
IIIБ	17-19	15			IА3	23	IIIА3	33
IVА	20-21	22	1. Очень грязная и грязная *)	1	IIБ1	11	IVБ1	21
IVБ	22-23	20	2. Загрязненная	3	IIБ2	15	IVБ2	25
			3. Умеренно загрязненная *)	5	IIБ3	25	IVБ3	35
			4. Чистая	8	IIА1	14	IVА1	23
			5. Очень чистая *)	15	IIА2	18	IVА2	27
					IIА3	28	IVА3	37

Критерии распознавания трофности водных экосистем
(Дмитриев и др.,1997)

Критерий	Тип трофии				Источник
	Олиготр.	Мезотр.	Эвтроф.	Гипертр.
Валовая продукция фитопланктона за год, г С/м²	10-30 4-40	30-100 40-150	100-300 150-600	>300 >600	Винберг, 1960 Романенко, 1985
Продукция фитопланктона, мгС/л сут.	0,005-0,05	0,05-0,5	0,5-5	>5	Гутельмахер,1986
Максимальная первичная продукция за сутки гО/м² гС/м²	0,5-1,0 0,1-0,3	1,0-2,5 0,3-0,7	2,5-7,5 0,7-2,01	>7,5 >2,0	Винберг, 1960
Чистая первичная продукция,мгС/м² сут.	50-300	250-1000	600-8000	>8000	Likens, 1975
Концентрация хлорофилла "а", Сl "а", мкг/л	0,1-1,0 <4,3 <2,5 <1,5 <3,0 0,1-1,0 <4,0 6-16	1-10 4,3-8,8 2-6 1,5-10 3-8 1-10 4-10 16-60	10-100 >8,8 >6 10-50 8-20 >10 10-100 >60	>100 - - >50 >20 - >100 -	Винберг, 1960 Dobsonetal, 1974 Rast Gek, 1978 Трифонова, 1979 Милиус, Кывасик, 1979 Бульон, 1983 Henderson-Selers, 1984 Цветкова и др.,1988
Максимальная концентрация хлорофилла "а",Cl "а"max, мкг/л	<8,0	8-25	25-75	>75	Хендерсон-Селерс, 1990
Средняя биомасса фитопланктона за вегетационный период, В_f, мг/л	<1,0 <1,0	1-3 1-3	3-10 3-7	>10 >7	Трифонова, 1979 Милиус,Кывасик, 1979
Прозрачность воды по белому диску, H_sd,м	>4 11-6 >5 >4 >6 9,9 64-8	2-3 6-2 5-3 4-1 6-3 4,2-2,4 8-2	<1 <2 <3 <1 <3 <1 2-0,5	- - - - - - -	Gantrbland, 1931 Thunmark, 1937 Aberg, Roch, 1942 Китаев, 1970 Henderson-Selers, 1984 Vollenweider, 1980 Carlson, 1977
Отношение прозрачности H_sd к глубине Н водоема	1,01-2,0	0,51-10	0,25-0,5	-	Китаев, 1973
Отношение ассимиляции А к дыханию R	<1	1	>1	-	Винберг, 1960
Удельная биоактивность (А+R), мкгС/м²	160	220	-	-	Ohle, 1958
Трофический индекс Карлсона, ТSI, 100 бал.	0-40	40-60	60-80	>80	Carlson, 1977
Индекс трофности, ИТ	20-40	40-60	60-80	>80	Милиус,Кыва-сик, 1979
Отношение биомассы зоопланктона В_z к биомассе фитопланктона В_f	>4:1	=1:1	05:1	-	Андроникова, 1989
Отношение дыхания R к биомассе зоопланктона Вz,	0,15	0,20	0,30	-	Тот же
Численность бактерий за вегетационный период, млн.кл/мл	>0,5 0,2-0,6 0,05-0,5	0,5-1,5 1-2 0,5-2,0	2-4 2-3 2-15	>4 >3 >15	Кузнецов, 1970 Сорокин, 1973 Романенко, 1985
Биомасса бентоса за вегетационный период, г/м²	<1,25-2,5	2,5-10	10-40	>40	Китаев,1984
Сумма биомасс зоопланктона и бентоса, г/м²	<25-5	5-20	20-80	>80	Тот же
Ихтиомасса, г/м²	<1,25-2,5	2,5-10	10-40	>40	Тот же
Биомасса рачков- фильтраторов, мг/л	0,2-1	1-2	2-6	>6	Гутельмахер, 1986
Скорость фильтрации воды зоопланктона, л/мг.сут	0,6-0,25	0,25-0,15	0,15-0,025	<0,025	Тот же
Рацион зоопланктона, мкг С/мг.сыр. массы в сутки	0,82-1,64	1,64-4,5	4,5-3,4	-	Тот же
фильтрационная активность зоопланктона,сут.^-1	0,05-0,6	0,15-0,5	0,05-0,9	-	Тот же
Скорость потребления О₂ в гиполимнионе, мг/м³сут	30-100	100-300	300-3000	>3000	Henderson-Selers, 1984
Концентрация сестона, мг ОВ/л мг С/л	0,14-0,66 0,07-0,33	0,66-3 0,33-1,5	3-13,6 1,5-6,8	>13,6 >6,8	Гутельмахер, 1986 Тот же
Максимальная концентрация общего фосфора, Р_{общ max}, мг/л	8,0	26,7	84,4	1200	Хрисанов, Осипов, 1993
Концентрация общего фосфора, Р_общ, мкг/л	5-20	5-50	100	-	Романенко, 1985
Максимальная концентрация общего азота, N_{общ max}, мкг/л	661	753	1875	72444	Хрисанов, Осипов, 1993
Концентрация общего азота, N_общ, мкг/л	5-80	80-500	500-1500	-	Романенко, 1985
Отношение концентраций N: Р	30-40	25-30	15-25	12-15	Алекин,1985
Концентрация минерального фосфора, PO₄,мг Р/л	<0,01 0,01-0,03	0,01-0,02 0,03-0,025	>0,02 >0,25	- -	Thomas, 1959 Цветкова 1988
Концентрация карбонатов,мг С/л РН летом RH ила	2-7 6,9-7,2 25-30	7-20 7,2-8 15-25	15-20 8-9,5 7-17	- - -	Романенко, 1985 Тот же Тот же
Индекс Тийдора, Ен	<600	600-1200	1200-2000	>5000	Дмитриев, 1994
Уровень трофности, УТ	2,5-3,5	3,5-4,5	>4,5	-	Цветкова и др.,1988
РН при 100% насыщении воды кислородом	7,02±0,33	7,68±0,33	8,34±0,33	-	Тот же
Индекс видового разнообразия	2,0-3,0	2,0-1,0	1,0-0,0	-	Тот же
Численность фитопланктона, млн.кл./л	0,35-3,85	3,85-20	>20	-	Тот же
Диатомовые водоросли, % от общей численности	95-15	15-0	-	-	Тот же
Зеленые водоросли, % от общей численности	15-75	75-100	0,0-0,15	-	Тот же
Синезеленые водоросли, % от общей численности	0-55	55-85	85-100	-	Тот же
Скорость фотосинтеза, мгО/л сут	07-10	1,0-2,4	>2,4	-	Тот же
Разность суточной продукции и деструкции, Ф-Д, мгО/л сут	-0,1-0,1	0,1-2,1	>2,1	-	Тот же
БПК₅ , мгО/л	2,3-3,3	3,3-5,5	>5,5	-	Тот же
Концентрация растворенного кислорода, % насыщения	95-105	50-155	<50	-	Тот же
Концентрация кремния, мг Si/л	0,05-0,30	0,30-0,65	>0,65	-	Тот же
Концентрация аммонийного азота, мг N/л	0,025-0,15	0,015-0,060	>0,060	-	Тот же
Концентрация нитритного азота, мг N/л	0,01-0,015	0,15-0,60	>0,06	-	Тот же
Концентрация нитратного азота, мг N/л	0,01-0,020	0,2-0,3	>0,03	-	Тот же
Концентрация минеральных форм азота, мг N/л	0,05-0,35	0,35-0,95	>0,95	-	Тот же

Для оценки качества воды можно воспользоваться приведенными в выпуске 8 настоящего сборника (Дмитриев, 1999) классификациями качества воды или наиболее простой из них, приведенной в таблице 6.

Трофность или качество воды оценивается покомпонентно или на многокритериальной основе (Дмитриев и др.,1996,1997) с указанием, по какому (каким) критерию они выполнялись. После этого снова входим в таблицу 4 (род уязвимости по трофическому статусу или по качеству воды) и по трофическому статусу или качеству воды выбираем соответствующие им баллы (от 1 до 15). Складываем их с баллами, полученными ранее, и получаем итоговое число баллов.

Еще раз подчеркиваем, что при оценке уязвимости водной экосистемы к эвтpофиpованию следует к полученной по табл. 4 сумме баллов (семейство уязвимости) прибавить баллы трофности (род уязвимости). Для этого необходимо предварительно оценить трофический статус водоема, а при оценке уязвимости водной экосистемы к загрязнению (изменению качества воды) к полученной по табл. 4 сумме баллов (семейство уязвимости) необходимо прибавить баллы качества воды (род уязвимости). Для этого необходимо предварительно оценить качество воды водоема. В правой части табл.4 приводятся только основные комбинации семейств и родов для отмеченных (*) типов трофии или классов качества воды. В табл.7 приводятся результаты обобщения комбинаций и граничные значения баллов между классами уязвимости с учетом того, что первый класс характеризуется минимальной уязвимостью (максимальной устойчивостью), а последний класс – максимальной уязвимостью (минимальной устойчивостью).

Классификация загрязненности водных объектов по химическим параметрам
(по Былинкиной, Драчеву, Ицковой; цит.по Зенин, Белоусова, 1988)

Еще раз заостряем внимание на том, что при получении выводов о степени уязвимости (устойчивости) водоема не следует отождествлять устойчивость с экологическим благополучием водной экосистемы. При высоком загрязнении или сильной эвтрофизации водоема он может оказаться достаточно устойчивым к антропогенному воздействию за счет незначительного количества баллов по роду уязвимости, но это не свидетельствует о его благополучии.

Класс качества Параметры	Очень чистые I	Чистые II	Умеренно загрязн. III	Загрязненные IY	Грязные Y	Очень грязные YI
Растворенный кислород, % насыщ. Абс. содержание, мг/л Лето Зима	95 9 14-13	80 8 12-11	70 7-6 10-9	60 5-4 5-4	30 3-2 5-1	0 0 0
БПК₅ мгО/л	0.5-1.0	1.1-1.9	2.0-2.9	3.0-3.9	4.0-10.0	>10
ХПК мгО/л	1	2	3	4	5-15	>15
Аммонийный азот, мг/л	<0.05	0.1	0.2-0.3	0.4-1.0	1.1-3.0	>3.0

Класс уязвимости	Сумма баллов	Обозначения основных комбинаций семейств и родов для отмеченных (*) баллов трофии или качества
I (мин.)	5-11	IБ1,IБ2,IА1,IIБ1
II	13-16	IА2,IIА1,IIБ2,IIIБ1,
III	18-23	IБ3,IА3,IIIБ2,IIА2,IIIА1,IIIА2,IVБ1,IVА1
IV	25-28	IIБ3,IIА3,IVБ2,IVА2
V (макс.)	30-37	IIIБ3,IIIА3,IVБ3,IVА3