Файл публикации (формат Adobe PDF, размер 560 Кб)

Алексеев В.В., Гридина Е.Г., Куракина Н.И., Минина А.А.
СИСТЕМА ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ПО
КОМПЛЕКСУ
ГИДРОБИОЛОГИЧЕСКИХ
ПОКАЗАТЕЛЕЙ
НА
ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ ОСНОВЕ
(Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
«ЛЭТИ», Санкт-Петербург, ГНИИ ИТТ «Информика», Москва)
НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО. Труды международного симпозиума.Пенза: Изд-во Пенз. Гос. Ун-та, 2006.
Мы живем в такое время, когда человечество оказалось перед реальной
угрозой экологической катастрофы. Одной из самых острых проблем является
загрязнение воды. Вода – одна из важнейших составляющих природной среды,
это основа нашей жизни. И ее загрязнение приводит к весьма значительным
негативным последствиям, размеры которых подчас оценить невозможно.
Существует достаточное количество методик по исследованию водных
объектов и определению их качественного состояния и в конечном итоге
прогнозированию их дальнейшего состояния. Одним из таких методов является
гидробиологический анализ.
Гидробиологические показатели характеризуют качество воды как среды
обитания живых организмов, населяющих водоемы. Разные организмы
обладают разной реакцией на воздействие загрязнителей. Это позволяет с
помощью гидробиологических методов оценить степень загрязнения вод, а
точнее, степень вредности для организмов совокупного действия всех
присутствующих в воде загрязнителей.
Организмы,
обитающие
в
загрязненных
водоемах,
называют
сапробионтами или сапробными организмами. Они могут служить
индикаторами (показателями) загрязнения, или различных ступеней
разложения органического вещества в водоеме. Распад органических
загрязнений в водоеме приводит к потреблению кислорода и накоплению
ядовитых продуктов распада (углекислота, сероводород, органические кислоты
и др.). Способность организмов обитать в условиях разной степени
сапробности объясняется потребностью в органическом питании и
выносливостью к вредным веществам, образующимся в процессе разложения
органического вещества.
Степень токсичности для водных организмов совокупного действия
присутствующих в воде загрязнителей находится в связи с их вредностью для
человека. Таким образом, оценка качества воды по гидробиологическим
показателям есть в тоже время и оценка степени их пригодности для человека,
для рыбохозяйственных целей и многих других видов его хозяйственной
деятельности.
Контроль за состоянием водных экологических систем, помимо
самостоятельной роли для оценки степени нарушенности водных систем под
воздействием антропогенных факторов, имеет важное значение при решении
ряда задач: определение сырьевой базы для рыбной промышленности,
характеристики процессов самоочищения, условия сброса сточных вод,
выяснения скорости смешения и границ распространения сточных вод и т.д.
Качество воды и состояние водных экологических систем определяется по
совокупности гидробиологических показателей, что оказывается гораздо
дешевле и порой проще, чем оценка по гидрохимическим показателям.
Комплекс гидробиологических показателей включает в себя показатели
разнообразия, сапробности и микробиологические показатели.
Среди
биологических
методов
анализа
поверхностных
вод
сапробиологический анализ занимает одно из главных мест. Прогрессирующее
загрязнение водной среды уже в прошлом веке натолкнуло ученых на мысль
сравнить растительный и животный мир загрязненных и не загрязненных
водоемов, а также выявить роль гидробионтов в превращении разнообразных
веществ, поступающих во внутренние и внешние водоемы с отходами
человеческой деятельности. Ухудшение качества воды многих водоемов и
водотоков поставило перед исследователями задачу разработки систем оценки
степени загрязнения по биологическим показателям.
Сапробность (от греческого sapros – гнилой) – физиолого-биохимические
свойства организма (сапробионта), обусловливающего его способность обитать
в воде с тем или иным содержанием органических веществ, поступающих в
водоем преимущественно с хозяйственно-бытовыми стоками. В 1908 и 1909 гг.
Кольквитцом и Марссоном были опубликованы материалы по оценке степени
загрязнения вод разлагающимися органическими веществами, или сапробности
(по Макрушину, 1978).
Кольквитц и Марссон изучая различные водные объекты, установили
следующие зоны сапробности.
Полисапробная зона или полисапробные воды с химической позиции
характеризуются очень низким содержанием кислорода и большими
концентрациями растворенной углекислоты и высокомолекулярных легко
разлагающихся бактериями органических веществ - белков, углеводов.
Кислород поступает в воду только за счет атмосферной аэрации и полностью
расходуется на окисление. В этих водах интенсивно протекают процессы
разложения органического вещества с образованием сернистого железа в
донных осадках и сероводорода. Население полисапробных зон обладает
незначительным видовым богатством, но отдельные виды могут достигать
огромной плотности. Аэрофильные организмы полностью отсутствуют. Очень
много сапрофитной микрофлоры. Хорошо развиты гетеротрофные организмы.
α-мезосапробная зона – характеризуется энергичным самоочищением, в ней
присутствуют амино- и амидо- кислоты, условия среды полуанаэробные,
характер
биохимических
процессов
востановительно-окислительный;
присутствует сероводород. В процессах очищения вод от органических
загрязнений, принимают активное участие зеленые растения, выделяющие
кислород в процессе фотосинтеза. Среди последних встречаются некоторые
сине-зеленые, диатомовые и зеленые водоросли. Количество сапрофитных
бактерий в данной зоне определяется десятками и сотнями тысяч в 1 млл.
Железо находится в окисной и закисной формах. Ил серого цвета. Содержатся
организмы, приспособленные к недостатку кислорода и высокому содержанию
углекислоты. Преобладают растительные организмы с гетеротрофным и
миксотрофным питанием.
β-мезосапробная зона – в данной зоне преобладают такие продукты
минерализации белков, как аммонийные соединения, нитраты и нитриты,
кислорода обычно много, нередко наблюдается перенасыщенные кислородом.
Содержание кислорода и углекислоты колеблется в зависимости от времени
суток: днем избыток кислорода, дефицит углекислоты; ночью - наоборот. В
данной зоне нет нестойких органических веществ, произошла полная
минерализация. Сапрофитов - тысячи клеток в 1 млл, и резко увеличивается их
количество в период отмирания растений. Ил желтый, идут окислительные
процессы, много детрита.
Процессы самоочищения протекают менее
интенсивно, чем в а-мезосапробных. В этих водах разнообразно представлены
животные и растительные организмы. Много организмов с автотрофным
питанием, наблюдается цветение воды, так как сильно развит фитопланктон.
Олигосапробная зона – чистые воды, в данной зоне присутствуют соединения
азота в форме нитратов, вода насыщена кислородом; мало углекислого газа,
сероводорода нет. Олигосапробные воды представлены, например, практически
чистыми водами больших озер. Если такие воды произошли путем
минерализации из загрязненных вод, то для них характерна почти полная
минерализация органических соединений до неорганических компонентов.
Содержание органических соединений, как правило, не превышает 1 мг/л. В
олигосапробных водам богато представлены многие золотистые и
динофитовые. Цветения не бывает. На дне мало детрита, автотрофных
организмов и бентосных животных (червей, моллюсков, личинок хирономид).
Ксеносапробная зона - это воды чистых горных ручьев, небольших
ледниковых рек выходы ключей, обедненные биотой и содержащие
минимальные количества минеральных соединений и следы органических
веществ.
Гиперсапробная зона - в данной зоне практически полностью отсутствуют
какие-либо организмы, за исключением бактерий и грибов.
Помимо того, что Кольквитц и Марссон определили зоны сапробности,
они дали списки видов, характерных для каждой из этих зон. В своих работах
они продемонстрировали очередность исчезновения и повторного появления
организмов – водорослей, простейших, макробеспозвоночных и рыб – в
результате воздействия загрязняющих веществ. Системы Кольквитца и
Марссона послужила основой многих последующих систем биологического
анализа.
Определение степени загрязненности водного объекта по индексам
сапробности
При
комплексном
контроле
качества
вод
привлекаются
микробиологические данные: общее число бактерий, время удвоения числа
бактерий, число сапрофитных бактерий и данные о специализированных
группах бактерий.
Одним из методов определения сапробности является метод прямой
оценки по списку организмов.
Индексы сапробности
Индекс сопробности S той или иной подсистемы биоценоза (бентоса,
макрофитов, фитопланктона, зоопланктона и т.д.) по методу Пантле и Букка
вычисляется по формуле:
S= ∑
(hs )
h
,
где h- частота встречаемости особей вида, характеризуемая следующими
оценками: 1- очень редко, 2 - редко, 3- нередко, 5- часто, 7-очень часто, 9массовое количество, s-условное значение сапробности, характеризуемое
следующими числами: 0- ксеносапробная, 1- олигосапробная, 2-βмезосапробная, 3-α-мезосапробная 4-полисапробная, 5 - гетеросапробная зона.
По данным наблюдений по бентосу, макрофитам, фитопланктону,
зоопланктону общий индекс сапробности вычисляется по формуле:
Sm=
s1 ∑ h1 + s 2 ∑ h2 + s 3 ∑ h3 + s 4 ∑ h4 + ...
∑h + ∑h + ∑h + ∑h
1
2
3
4
+ ...
,
где s1,......,s4 - индексы сапробности проб соответственно бентоса,
макрофитов, фитопланктона, зоопланктона, ∑h1, ∑h4- сумма значений частот
встречаемости
организмов
соответственно
бентоса,
макрофитов,
фитопланктеров, зоопланктеров.
Индекс сапробности в различных зонах загрязнения водоемов
органическими соединениями составляет (Рыбальский, Жакетов и др., 1989):
в гиперсапробной - более 5.0,
в a-полисапробной – 4.0 – 5.0,
в b- полисапробной – 3.6 – 4.0,
в a - мезосапробной – 2.6 – 3.5,
в b - мезосапробной – 1.6 – 2.5
в a - олигосапробной - 1.1 –1.5,
в b - олигоспаробной – 0.5 –1.0,
в ксеносапробной - менее 0.5.
По данным индексам сапробности можно судить о степени
загрязненности водоема:
• ксеносапробный водоем - очень чистые воды;
• b-олигосапробный водоем - чистые воды;
• a-олигосапробный водоем - чистые воды;
• бетамезосапробный водоем - загрязненные воды;
• альфамезосапробный водоем - загрязненные воды;
• b-полисапробный водоем - грязные воды;
• a-полисапробный водоем - грязные воды;
• гиперсапробный водоем - очень грязные воды.
Система оценки качества водного объекта
Система оценки качества водного объекта по гидробиологическим
показателям является составной частью системы комплексной оценки,
моделирования и прогнозирования состояния объектов окружающей природной
среды (ОПС), построенной на базе геоинформационной системы (ГИС) ArcGIS
ArcView 9.1 [1].
ГИС представляет идеальную среду для описания, анализа и
моделирования процессов, происходящих в экосистемах. Она является
инструментом, дающим возможность организовать множество оценок и
показателей в виде перечня слоев в одном проекте, что позволяет проводить
многофакторный анализ экологического состояния сложных объектов и
оперативно представлять сложившуюся обстановку на географической карте.
Оценка состояния объектов ОПС требует определения основных
показателей качества для каждого элемента экологической системы в
соответствии с его ролью, свойствами и целевой функцией анализа. Получение
достоверной информации на основании разнородных данных связано с
проблемой обеспечения единства измерений. Для сравнения или объединения
различных характеристик необходимо привести их к общей нормированной
шкале. Как было показано в [2], за нормированную предлагается принять шкалу
с равными отрезками и условными отношениями: 1 - значительно ниже нормы
(ЗНН); 2 - ниже нормы (НН); 3 - норма (Н); 4 - выше нормы (ВН); 5 значительно выше нормы (ЗВН).
Приведение гидробиологических показателей к единой системе оценки
можно сделать следующим образом: поскольку конечным выводом при анализе
комплексной оценки является отнесение объекта к загрязненному, в какой
степени, и с какой вероятностью, можно выделить следующее:
Показатель
Оценка
Балл
ксеносапробные
ЗНН
1
бетаолигосапробные
альфаолигосапробные
бетамезосапробные
альфамезосапробные
бетаполисапробные
альфаполисапробные
гиперсапробные
НН
2
Н
3
ВН
4
ЗВН
5
Вышеперечисленная пятибалльная шкала оценок может быть
интерпретирована следующим образом:
1-Зачительно ниже нормы - в данном случае содержание параметра не
превышает нормативного значения, и экологическая система может
воспринимать дополнительные нагрузки по данному параметру без угрозы
потери устойчивости экосистемы, по данному параметру объект можно отнести
к категории «очень чистых».
2-Ниже нормы – в данном случае содержание параметра также не
превышает нормативного значения и экологическая система может
воспринимать нагрузку по данному параметру, но уже в меньшей степени. При
характеристике качества природной среды объект можно отнести к категории
«чистые».
3-Норма - в данном случае содержание параметра равно нормативным
параметрам, или немного ниже. В данном случае загрязнение параметром
нежелательно, поскольку дальнейшее увеличение количества данного
параметра негативно скажется на экосистеме. При данной оценке по параметру
объект может быть отнесен к категории «умеренно чистые».
4-Выше нормы – содержание определенного параметра немного выше
нормативных показателей, что указывает на загрязненность объекта данным
параметром. Объект в данном случае можно отнести к категории
«загрязненные».
5-Значительно выше нормы – содержание параметра в несколько раз
превышает допустимые или нормативные значения. По данному компоненту
объект можно отнести к категории «сильно загрязненных».
Качество водного объекта по гидробиологическим показателям
определяется в результате обработки опросных листов и формирования
экспертных оценок.
Рис. 1 Получение экспертных оценок
В системе оценки задача получения экспертных оценок разбивается на
три этапа:
1. Формирование
опросника и изменение структуры опроса
взависимости от критериальных функций.
2. Проведение опроса по заданному шаблону и сохранение результатов.
3. Обработка результатов опроса и формирование экспертной оценки.
В целях гибкой организации структуры опроса все вопросы разбиты на
группы и сведены в единую базу вопросов, соответствующие ответы также
сведены в единую базу. Структура опроса может задаваться по коду опросника
или по шаблону. Обработка результатов опроса начинается с выбора файлов
результатов опроса, представляющих определенные группы вопросов,
характеризующих одну территорию (водный объект). Принадлежность
результатов к одной территории контролируется.
В каждом опроснике присутствует группа вопросов, характеризующих
степень доверия к эксперту. Если коэффициент доверия к эксперту получился
меньше 0.5, то все его ответы отбрасываются и не участвуют в дальнейшей
обработке. Остальные значения коэффициентов приводятся к ближайшему из
трех значений 0.5, 0.75 или 1. Если коэффициент доверия равен 1, то все ответы
эксперта принимаются с вероятностью равной 1.
Рис. 2 Обработка экспертных оценок
Вопросы, характеризующие степень загрязнения водного объекта по
индексам сапробности и обрабатываются в соответствие с таблицей пересчета,
имеющей следующую структуру.
CQUAS
G-1
G-1
G-1
G-1
G-1
G-1
ANUMB
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
KOEF
1.0
2.0
3.0
5.0
7.0
9.0
KSAP
1.0
2.0
3.0
3.0
3.0
4.0
где CQUAS - код вопроса, ANUMB - номер ответа, KOEF - коэффициенты
пересчета, KSAP – коэффициент сапробности.
Вопросы имеют столько коэффициентов, сколько ответов. Коэффициент
пересчета KOEF характеризует частоту встречаемости особей вида ,
характеризуемый следующими оценками: 1- очень редко, 2 - редко, 3- нередко,
5- часто, 7-очень часто, 9- массовое количество, KSAP -условное значение
сапробности , характеризуемое следующими числами: 0- ксеносапробная, 1олигосапробная, 2-β-мезосапробная, 3-α-мезосапробная 4-полисапробная, 5 гетеросапробная зона.
Рис. 3 Оценка состояния Финского залива
Вопросы этой группы обрабатывается по каждому эксперту. По коду
вопроса и номеру ответа из таблицы ответов в соответствии с таблицей
пересчета выбираются соответствующие коэффициенты KOEF и KSAP. Индекс
сапробности S вычисляется по формуле
S=
∑ (KOEF * KSAP ) .
∑ KOEF
Расчет коэффициента сапробности осуществляется для каждого эксперта
(одна запись в файле результатов). Производится пересчет в нормированную
шкалу оценок. Таким образом обрабатываются результаты опроса всех
экспертов. Затем по всем экспертам производится суммирование вероятностей
попадания в каждый интервал.
Результаты обработки экспертных оценок приводятся к нормированной
шкале, имеют географическую привязку и могут быть нанесены на карту (см.
рис. 2).
С использованием модуля ArcGIS Geostatistical Analyst производится
интерполяция значений и построения поверхностей оценки состояния водных
объектов по комплексу гидрохимических показателей (см.рис. 3).
Система апробирована на данных экспертных оценок в восточной части
акватории Финского залива, по результатам анализа построены тематические
карты.
Система оценки состояния водного объекта с использованием
гидробиологического метода позволяет решить задачи, разрешение которых с
помощью гидрофизических и гидрохимических методов невозможно. Оценка
степени загрязнения по составу живых организмов и представление
результатов анализа на карте позволяет быстро установить санитарное
состояние водоема, определить степень и характер загрязнения и пути его
распространения в водоеме, дать количественную характеристику протекания
процессов естественного самоочищения с целью обеспечения мероприятий по
рациональному природопользованию и предотвращению возможных
чрезвычайных ситуаций.
1.
2.
3.
4.
Литература
Алексеев В.В., Куракина Н.И., Информационно-измерительные системы
мониторинга. Вопросы комплексной оценки состояния окружающей
природной среды на базе ГИС технологий. М.: ГИС-Обозрение, №19, 2000,
С. 67-69.
Гридина Е.Г., Кулагин В.П., Куракина Н.И., Алексеев В.В. Оценка качества
сложных объектов на базе ГИС. Труды международного симпозиума
“Надежность и качество ‘ 2003”, - Пенза, 2003.- с. 32-35
Гридина Е.Г., Куракина Н.И. Система оценки качества водных объектов и
нормирования экологической нагрузки. Труды международного симпозиума
“Надежность и качество ‘ 2005”, - Пенза, 2005.
Алексеев В.В., Куракина Н.И., Орлова Н.В. Геоинформационная система
мониторинга водных объектов и нормирования экологической нагрузки.
ArcReview, № 1(36), 2006.