Разработка методики интегральной оценки экологического статуса водоемов на примере малых озер северо – западного Приладожья. - Студенческий научный форум

XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Разработка методики интегральной оценки экологического статуса водоемов на примере малых озер северо – западного Приладожья.

Седова С.А. 1, Дмитриев В.В. 1
1Санкт-Петербургский государственный университет
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение. В последние годы актуальными являются исследования по формированию представлений об экологическом статусе (ЭС) и экологическом благополучии (ЭБ) водных объектов и подходов к их оценке. Предмет исследования в нашей статье - экологический статус водоема в условиях естественного и антропогенного изменения свойств и параметров режимов. Главной проблемой исследования является разработка теоретико-методологических положений и методов интегральной оценки экологического статуса сложных природных и антропогенно измененных систем.

Проблема оценки экологического статуса водных объектов имеет свою историю. До недавнего времени термин «экологический статус» не использовался в отечественной литературе в отличие от зарубежной. Нами традиционно использовались термины «экологическая оценка» или «оценка экологического состояния» под которой понималась параметрическая оценка состояния окружающей среды, обусловливающая развитие биоты на определенной территории (акватории).

В России исследования по оценке экологического состояния водных объектов развивались под углом зрения оценки продуктивности, качества и токсического загрязнения природных вод (с позиций биоцентризма или, оценки сложных свойств водных объектов (устойчивость), а также разработки экологических паспортов предприятий. Затем, акцент сместился в область экологической квалиметрии (построение оценочных шкал и экологических индексов). В результате появлялись новые функциональные единицы систем (интегральные показатели подсистем и интегральные показатели последнего уровня свертки, которые получили название интегральных или сводных показателей).

За рубежом основную цель разработанной Европейской Рамочной Водной Директивы представляют, как достижение экологического благополучия или высокого экологического статуса для всех водных систем. «Основой экологического статуса водного объекта является экологическое качество воды. Под этим термином понимают структуру и функционирование сообществ водных организмов, которое отражает состояние водных масс. Чем выше экологическое качество воды, тем большее число различных таксонов может обитать в водном объекте и тем больше число функциональных групп» [1]. В России термин «экологическое качество воды» не используется. Смысл термина в том, что выполнение экологической оценки опирается на биологические методы контроля качества воды.

Теоретико-методологические основы исследования. Оценкой будем называть отношения субъекта к объекту оценивания, установление значимости для субъекта этого объекта в целом или отдельных его свойств на основе их соответствия определённым нормам или уровням [2].

Под экологическим статусом водного объекта нами понимается параметрическая оценка состояния водной среды, характеризующая сочетание трофического статуса водоема, качества и токсического загрязнения природной среды и устойчивости к изменению параметров естественного (потенциальная устойчивость) и антропогенного режимов.

Под интегральной оценкой будем понимать оценку, учитывающую иерархичность экологических систем, предполагающую наличие этапа, связанного с объединением в одно целое ранее разнородных (многокритериальных) оценок состояния подсистем с учетом весомости их вклада в общую оценку системы или ее интегративного свойства. Оценку экологического статуса водоема предлагается проводить в несколько этапов.

Первым этапом является оценка трофического статуса водоемов. Понятие трофности водоемов было сформулировано Тинеманном и Науманном в начале XX-го века. Под этим понятием понимают повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов под действием антропогенных и естественных (природных) факторов [3]. Таким образом, под трофическим статусом водоема будем понимать разделение водоемов или их отдельных участков по степени кормности (трофности), в зависимости от уровня их первичной продукции.

Вторым этапом является оценка качества и токсического загрязнения вод. Под качеством воды мы понимаем сочетание химического и биологического состава и физических свойств воды, определяющее ее пригодность для конкретных видов водопользования. К этому определению иногда добавляется необходимость соответствия требованиям охраны окружающей среды (антропоцентризм). При биоцентристском подходе качество воды есть сочетание химического и биологического состава и физических свойств воды, определяющее ее пригодность для жизни организмов-гидробионтов [2].

Третьим этапом оценки экологического статуса (ЭС) водоема является оценка устойчивости его экосистемы. Под устойчивостью понимается способность экосистемы сохранять свои свойства и параметры режимов в условиях внутренних и внешних воздействий. Чаще всего в экологической литературе термин «устойчивость» используется в следующих значениях. Инертность системы - способность экосистемы сохранять при внешнем воздействии исходное состояние в течение некоторого времени; пластичность системы - способность экосистемы постепенно переходить из одного состояния равновесия в другое, сохраняя при этом внутренние связи; восстанавливаемость системы - способность экосистемы возвращаться в исходное состояние после временного внешнего воздействия. Первые два понятия трактуются как адаптационная устойчивость (I тип), третье - как регенерационная (II тип). Нами будет оцениваться т.н. «потенциальная устойчивость» - устойчивость к изменению морфометрии и физико-географических характеристик, климатических параметров и гидрологических особенностей водоема.

Материалы и методы. При оценке экологического статуса (ЭС) водоема необходимо учитывать, что ЭС должен: характеризовать развитие гидробионтов и функционирование экосистемы водоема (биоцентризм); характеризовать пригодность водоема для различных целей использования человеком (антропоцентризм); представлять собой параметрическую оценку состояния водной среды, характеризующую трофический статус водоема, качество и токсического загрязнение природной среды и устойчивость к изменению параметров естественного (потенциальная устойчивость) и антропогенного режимов.

В рамках статьи нами сформулированы и проверены 3 гипотезы параметрической оценки экологического статуса водоема, приведенные ниже.

Гипотеза 1. При оценке экологического статуса (ЭС) малых водоемов, их физико-географические характеристики, такие, как площадь водного зеркала, его объем и малая глубина, характеризуют водоем как низкоустойчивый (высокоуязвимый) к изменению параметров естественного режима природный объект. Поэтому шкала потенциальной устойчивости, построенная нами для оценки ЭС, будет изменяться от неустойчивого класса (I класс) до устойчивого класса (V класс). При этом в первый класс по остальным группам признаков (трофический статус, качество воды) мы будем включать параметры, характеризующие высокий ЭС водоема. Устойчивость в этом случае будет следовать принципу Ле-Шателье-Брауна, по которому для условно-равновесных природных систем, в том числе и экологических, при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется. При этом система постепенно адаптируется к новым условиям (устойчивость 1 типа, адаптационная). Следствием этого является положение, при котором при прочих неизменных условиях более продуктивная экосистема малого водоема будет более устойчива к эвтрофированию, а более сапробная (токсобная) экосистема будет более устойчива к загрязнению [2]. В этом случае устойчивая экосистема не должна ассоциироваться с экологическим благополучием (или высоким ЭС). Исключением будут являться малые проточные водоемы, в которых шкала будет формироваться на основе устойчивости II типа (регенерационная) и тогда устойчивый класс - I класс, неустойчивый класс - V класс. В связи с этим, необходимо выявить, как изменение типа устойчивости повлияет на результат оценки ЭС. Возможны более сложные ситуации, например, изменение типа устойчивости со 2-го на 1-й в процессе естественного или антропогенного «старения» водоема, которые мы здесь не будем рассматривать.

Гипотеза 2. При оценке экологического статуса больших водоемов, шкала потенциальной устойчивости будет изменяться от устойчивого класса (I класс) до неустойчивого класса (V класс). Гипотеза построена на предположении о том, что большие по площади и объему воды озера, а также глубокие водоемы, как правило, являются более устойчивыми к изменению параметров естественного режима (потенциальная устойчивость).

Гипотеза 3. А priori принимается предположение о том, что при оценке экологического статуса и экологического благополучия для любых водоемов, устойчивость будет изменяться, аналогично гипотезе 2, от устойчивый (I класс) до неустойчивый (V класс). В большая устойчивость водоема всегда свидетельствует о его высоком благополучии. При этом на второй план уходит то, что малые водоемы по результатам оценки, скорее всего, никогда не смогут характеризоваться I-м (наиболее устойчивым) классом.

В качестве основной гипотезы нами принимается гипотеза №3. Поэтому, обобщив вышеприведенные условия, получаем таблицу 1 с характерным изменением ЭС по классам, таким образом, что I класс характеризует высокий статус объекта по всем параметрам, а V – низкий ЭС. Этот случай сближает подходы оценки экологического статуса и экологического благополучия. Названия основных классов (высокий, низкий) заимствованы нами из Европейской Рамочной Водной Директивы. В названии могла бы также использоваться другая терминология, например, «водоем 1 (высшей) категории», «водоем 2 категории» и т.п. Для нас важно, что в целом, от I-го класса к V-му экологический статус по совокупности признаков снижается.

Таблица 1. Характеристики классов экологического статуса водоема.

Группы

признаков

Классы экологического статуса водоема

I
высокий

II
выше среднего

III
средний

IV
ниже среднего

V
низкий

Трофность

олиготрофный

мезотрофный

мезотрофный

эвтрофный

гипертрофный

Качество воды

очень чистый

чистый

умеренно загрязненный

загрязненный

очень грязный

Потенциальная устойчивость

устойчивый

(низко уязвимый)

устойчивость выше среднего

средне

устойчивый

устойчивость ниже среднего

неустойчивый

(высоко уязвимый)

Следует заметить, что расчет интегрального показателя экологического статуса водоема рассматривался с учетом потенциальной устойчивости I типа (адаптационная) и II типа (регенерационная). Эти подходы различаются набором параметров оценки потенциальной устойчивости.

Для оценки ЭС водоема, были созданы классификации для оценивания: 1- трофического статуса; 2- качества и токсического загрязнения природных вод; 3- устойчивости экосистемы (2 классификации для адаптационной и регенерационной устойчивости). Параметры оценки отбирались с учетом действующих ГОСТов [4], уже разработанных авторских классификаций и наших оценочных шкал на основе натурных данных.

На первом этапе проводился выбор необходимых и достаточных параметров, характеризующих трофический статус, качество воды и устойчивость системы.

Второй этап заключался в формировании оценочных шкал для исходных параметров.

На третьем этапе обосновывался выбор нормирующих функций. Для нормирования исходных параметров использовались два вида функций: неубывающая степенная функция (1) и невозрастающая степенная функция (2).

(1)

(2)

В (1), (2): qi– преобразованное (нормированное) значение характеристики; xi – текущее значение; mini– минимальное (фоновое, допустимое, безопасное, предельно-допустимое и т.п.) значение критерия; maxi – максимальное значение критерия; l - показатель степени, отражающий нелинейность связи параметров с оцениваемым качеством. В нашем случае мы полагаем, что l =1,0 (линейное приближение функций 1 и 2). Диапазон изменения qi всегда находится в пределах от 0 до 1,0. Таким образом, исходные критерии в различных шкалах измерения приводятся к безразмерным шкалам, после чего над их значениями можно производить математические действия с целью получения интегрального показателя трофности, качества воды, устойчивости водоема (первый уровень свертки) и экологического статуса водоема (второй уровень свертки).

На четвертом этапе выбирался внешний вид синтезирующей функции для интегрального показателя. В качестве выражения для интегрального показателя была выбрана линейная свертка показателей вида [5]:

(3)

Пятый этап заключался в решении проблемы выбора весов wi и построении оценочных шкал интегральных показателей для первого и второго уровней свертки. Так, в нашем случае мы на первом этапе исследования предполагаем равенство весов исходных параметров внутри блоков и между ними.

На шестом этапе производилось выполнение первого и последующих уровней обобщения информации для разработанных классификаций, получение оценочных шкал для интегральных показателей для всех уровней свертки.

На седьмом этапе по полученным в полевых условиях данным рассчитывается значение интегрального показателя для выбранного водоема по тем же правилам, что и на предыдущем этапе.

На основе приведенной выше методики были выполнены оценочные исследования для малого озера Суури (северо-западное Приладожье, рис.1) за период с 2016 по 2018 гг. На рис.2 представлены этапы построения интегрального показателя экологического статуса для озера Суури.

   

Рис. 1 Озеро Большое Волковское (Суури) в северо-западном Приладожье.

Рис. 2 Этапы интегральной оценки экологического статуса озера Суури.

Результаты и их обсуждения. В статье мы приводим результаты расчета интегральной оценки экологического статуса на примере ключевого водоема – озера Суури за период с 2016 по 2018 гг. при учете двух сценариев оценки потенциальной устойчивости экосистемы: 1) оценка устойчивости I типа (адаптационная устойчивость для непроточного водоема, гипотеза 1); 2) оценка устойчивости II типа (регенерационная устойчивость для проточного водоема, гипотеза 1), расчет которой проводился на основе разработки новой классификации для оценки потенциальной устойчивости и сохранении классификаций для групп признаков, характеризующих трофический статус, качество и токсическое загрязнение воды. Все парметры, необходимые для расчета ИП собраны автором в период полевых работ на озере и обобщены в виде БД [6].

В итоге были получены шкалы интегральных показателей внутри каждой группы признаков: трофический статус – 12 признаков, качество и токсическое загрязнение – 11, потенциальная устойчивость адаптационного типа – 11, устойчивость регенерационного типа – 15. Таким образом были получены интегральные показатели 1-го уровня свертки (для качества воды – 1-го и 2-го) по группам трофический статус (ИПТ) и потенциальная устойчивость (ИПУ). По группе признаков, отвечающих за качество и токсическое загрязнение вод интегральный показатель внутри группы, получился на 2-ом уровне свертке (1-ый уровень свертки производится по трем подгруппам внутри группы – гидрофизические, гидрохимические и гидробиологические показатели). Затем был получен интегральный показатель между группами признаков (интегральный показатель 2-го уровня свертки) - ИПК. На всех этапах оценки интегральный показатель рассчитан для условия равновесомого задания параметров внутри блоков и между ними.

Для получения интегрального показателя (ИП) для ЭС, который обозначим ИПЭС необходимо иметь шкалы последнего уровня свертки (ИПТ+ИПК+ИПУ). Они представлены в табл.2, которая дает наглядное представление о расчете сводных показателей (последний, 3-й уровень свертки) между группами. Затем были получены оценочные шкалы экологического статуса озера Суури за трехлетний период, где первому (высокому) классу поставлено в соответствие значение qi = 1, а пятому (низкому) qi= 0.

Таблица 2. Экологический статус (ЭС) оз. Суури в условиях его естественного развития и антропогенной трансформации.

ИПЭС=ИПТ+ИПК+ИПУ

Классы экологического статуса водоема

I
высокий

II
выше

среднего

III
средний

IV
ниже

среднего

V
низкий

С учетом пот. устойчивости I типа

1 – 0,823

0,822 – 0,618

0,615 – 0,435

0,432 – 0,242

0,239 – 0

С учетом пот. устойчивости II типа

1 – 0,822

0,821 – 0,621

0,618 – 0,403

0,399 – 0,221

0,218 – 0

В таблице 3 приведены рассчитанные значения интегрального показателя эвтрофирования (ИПТ), качества воды (ИПК) и потенциальной устойчивости (ИПУ), а также экологического статуса (ИПЭС) за каждый год и за выбранный 3-летний период времени (2016 - 2018 гг.)

Таблица 3. Результаты оценивания экологического статуса (ЭС) озера Суури.

Год

Интегральный показатель

Интегральный показатель экологического статуса

ИПЭС за 3-летний период времени

ИПТ

ИПК

ИПУ

ИПЭС

С учетом потенциальной устойчивости I типа

2018

0,764

0,556

0,284

0,535 (III)

0,571 (III)

2017

0,806

0,669

0,272

0,582 (III)

2016

0,771

0,724

0,293

0,596 (III)

С учетом потенциальной устойчивости II типа

2018

0,764

0,556

0,257

0,526 (III)

0,562 (III)

2017

0,806

0,669

0,248

0,574 (III)

2016

0,771

0,724

0,264

0,586 (III)

При анализе полученных результатов было выявлено: 1) в первом случае при потенциальной устойчивости I типа (адаптационная устойчивость) за период с 2016 по 2018 гг. значения интегральных показателей ИПЭС различаются не более чем на 10%, это может указывать на «среднюю» способность системы сохранять свой экологический статус - III класс (0,571) ближе к левой границе - в течение трехлетнего периода. При этом заметно, что по величине ИПЭС за три года ЭС озера снизился на 10%;

2) полученные результаты для второго случая (потенциальная устойчивость II типа, регенерационная устойчивость) свидетельствуют о том, что за трехлетний период значения интегральных показателей ИПЭС различаются также не более чем на 10%, что, как и в первом случае, может указывать на «среднюю» способность системы сохранять свой экологический статус - III класс (0,562) ближе к левой границе за выбранный промежуток времени. При этом по величине ИПЭС за три года ЭС озера снизился также на 10%;

3) в целом изменение типа устойчивости в оценке ЭС не повлияло на итоговый класс ЭС;

4) выполненными исследованиями нашла подтверждение гипотеза №3. Гипотеза №2 в этом случае не рассматривалась, либо находила подтверждение из гипотезы №3. Гипотеза №1 подтверждена, поскольку расчётами ИПЭС доказано попадание в один класс ЭС при его учете для потенциальной устойчивости разных (двух) типов.

Заключение. Рассмотрено интегративное свойство водоема – его «экологический статус» (ЭС). При рассмотрении ЭС учитывались: трофический статус водоема, качество воды с позиций биоцентризма, потенциальная устойчивость водоема (устойчивость к изменению параметров естественного режима) двух типов.

Путем обобщения сформулированных теоретико-методологических положений и метода сводных показателей разработана методика оценки экологического статуса водоемов и выполнены оценочные исследования для ключевого водоема – озера Суури. Собраны параметры оценивания для (2016-2018 гг), предложены оценочные шкалы, уровни, классы, на основе метода сводных показателей разработан подход к интегральной оценке, предложены классификации для оценки экологического статуса водоемов, выбран способ учета приоритетов (весов) для параметров и блоков (уровней) оценивания (равновесомость параметров оценивания, равновесомость групп признаков). Предложена характеристика классов экологического статуса, характеризующая параметрическое сочетание трофического статуса, качества воды и потенциальной устойчивости водоемов.

Сформулированы три гипотезы для учета потенциальной устойчивости водоема при оценке ЭС. Выполненными расчетами доказаны положения важные для выполнения дальнейших исследований. Расчет интегральной оценки экологического статуса водоема рассматривался для двух вариантов: учет потенциальной устойчивости I типа (адаптационная устойчивость), II типа (регенерационная устойчивость). Выполнена оценка экологического статуса водоема на основе разработанной методики за период с 2016 по 2018 гг. Полученные результаты свидетельствуют о том, что за период с 2016 по 2018 гг. значения интегральных показателей экологического статуса медленно снижаются (10% за три года). Это указывает на «среднюю» способность системы сохранять свой экологический статус (III класс, ближе к левой границе). Получено, что при выявленных темах снижения ИПЭС водоем прейдет в IV, более низкий класс ЭС примерно через 5 лет.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №19-05-00683.

Литература

1. Семенченко В.П., Разлуцкий В.И., 2011. Экологическое качество поверхностных вод – 2-е изд., испр., Минск: Беларус. Навука.

2. Дмитриев В.В., 2000. Эколого-географическая оценка состояния внутренних водоемов: Дисс. на соик. уч. степени д.г.н., СПб.

3. Реймерс Н.Ф., 1990. Природопользование: Словарь-справочник. М.

4. ГОСТ 17.1.1.02-77. Охрана природы. Гидросфера. Классификация водных, 01.07.2000

5. Хованов Н.В. Анализ и синтез показателей при информационном дефиците, СПб.: Издательство С. – Петербургского университета, 1996. – 196 с.

6. Седова С.А., Дмитриев В.В., Четверова А.А. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2019621679 «База данных для выявления экологического статуса и факторов массообмена в водной экосистеме на примере озера «Суури» (LAKE-SUURI-ECOSYSTEM). Дата регистрации: 26.09.2019. https://elibrary.ru/item.asp?id=41182581

Просмотров работы: 44