Оценка экологического состояния вод Сестрорецкого водохранилища и реки Малая сестра по гидробиологическим показателям

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа по ОВОС

на тему:

«Оценка экологического состояния вод Сестрорецкого водохранилища и реки Малая сестра по гидробиологическим показателям»

Содержание

1. Аннотация

2. Введение

3. Теоретическая часть

4. Обоснование программ полевых исследований для расчета гидробиологических показателей и индексов качества воды

5. Методическая часть

6. Описание водных объектов

6.1 Описание Сетрорецкого водохранилища

6.2 Описание реки Малая сестра

7. Результаты исследований

8. Обсуждение результатов

9. Выводы

10. Список использованной литературы

Приложение

1. Аннотация

В данной работе предоставлены результаты гидробиологических исследований водных объектов по индексу видового разнообразия Шеннона, индексу сапробности по методу Пантле - Бука, индексам Вудивисса, токсичности и Олигохетному индексу.

По полученным результатам были сделаны определенные выводы.

2. Введение

Цель: оценить экологическое состояние Сестрорецкого водохранилища и реки Малая сестра с использованием гидробиологических индексов.

Задачи:

1. Изучение методики отбора проб воды на данных объектах.

2. Определение качества вод исследуемых объектов по гидробиологическим показателям.

3. Вычисление индекса видового разнообразия Шеннона, сапробности, Вудивисса и индекса токсичности.

4. Обработка полученных результатов с целью проведения статистического анализа.

Актуальность

С развитием цивилизации водные ресурсы стали использоваться в несоизмеримых количествах, поэтому в настоящее время становится необходимым биологическое изучение природных и сточных вод в интересах охраны среды и улучшение природопользования.

3. Теоретическая часть

1.СОКРАЩЕННАЯ И ПОЛНАЯ ПРОГРАММА МОНИТОРИНГА КАЧЕСТВА ВОДЫ ПО ГИДРОБИОЛОГИЧЕСКИМ ПОКАЗАТЕЛЯМ

Наблюдения по обязательной программе на водотоках осуществляют, как правило, 7 раз в год в основные фазы водного режима: во время половодья - на подъеме, пике и спаде; во время летней межени - при наименьшем расходе и при прохождении дождевого паводка; осенью - перед ледоставом; во время зимней межени.

В водоемах качество воды исследуют при следующих гидрологических ситуациях: зимой при наиболее низком уровне и наибольшей толщине льда; в начале весеннего наполнения водоема; в период максимального наполнения; в летне-осенний период при наиболее низком уровне воды.

Сокращенную программу наблюдений за качеством поверхностных вод по гидрологическим и гидрохимическим показателям подразделяют на три вида:

· Первая программа предусматривает определение расхода воды (на водотоках), уровня воды (на водоемах), температуры, концентрации растворенного кислорода, удельной электропроводности, визуальные наблюдения.

· Вторая программа предусматривает определение расхода воды (на водотоках), уровня воды (на водоемах), температуры, рН, удельной электропроводности, концентрации взвешенных веществ, ХПК, БПК₅, концентрации 2-3 загрязняющих веществ, основных для воды в данном пункте контроля, визуальные наблюдения.

· Третья программа предусматривает определение расхода воды, скорости течения (на водотоках), уровня воды (на водоемах), температуры, рН, концентрации взвешенных веществ, концентрации растворенного кислорода, БПК₅, концентрации всех загрязняющих воду в данном пункте контроля веществ, визуальные наблюдения.

Гидрохимические показатели качества природных вод в пунктах контроля сопоставляют с установленными нормами качества воды.

Программы и периодичность наблюдений по гидрохимическим показателям для пунктов различных категорий приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Программы и периодичность наблюдений для пунктов различных категорий

Периодичность проведения контроля	Категория пунктов наблюдений
	I	II	III	IV
Ежедневно	Сокращенная программа 1	Визуальные наблюдения	-	-
Ежедекадно	Сокращенная программа 2	Сокращенная программа 1	-	-
Ежемесячно	Сокращенная программа 3	-
В основные фазы водного режима	Обязательная программа

Внедрение в систему наблюдений за качеством воды гидробиологических методов позволяет непосредственно выяснить состав и структуру сообществ гидробионтов.

Полная программа наблюдений за качеством поверхностных вод по гидробиологическим показателям предусматривает:

· исследование фитопланктона - общей численности клеток, числа видов, общей биомассы, численности основных групп, биомассы основных групп, числа видов в группе, массовых видов и видов-индикаторов сапробности;

· исследование зоопланктона - общей численности организмов, общего числа видов, общей биомассы, численности основных групп, биомассы основных групп, числа видов в группе, массовых видов и видов-индикаторов сапробности;

· исследование зообентоса - общей численности, общей биомассы, общего числа видов, числа групп по стандартной разработке, числа видов в группе, числа основных групп, биомассы основных групп, массовых видов и видов-индикаторов сапробности;

· исследование перифитона - общего числа видов, массовых видов, частоты встречаемости, сапробности;

· определение микробиологических показателей - общего числа бактерий, числа сапрофитных бактерий, отношения общего числа бактерий к числу сапрофитных бактерий;

· изучение фотосинтеза фитопланктона и деструкции органического вещества, определение отношения интенсивности фотосинтеза к деструкции органического вещества, содержания хлорофилла;

· исследование макрофитов - проективного покрытия опытной площадки, характера распространения растительности, общего числа видов, преобладающих видов (наименования, проективного покрытия, фенофазы, аномальных признаков).

Сокращенная программа наблюдений за качеством поверхностных вод по гидробиологическим показателям предусматривает исследование:

· фитопланктона - общей численности клеток, общего числа видов, массовых видов и видов-индикаторов сапробности;

· зоопланктона - общей численности организмов, общего числа видов, массовых видов и видов-индикаторов сапробности;

· зообентоса - общей численности групп по стандартной разработке, числа видов в группе, числа основных групп, массовых видов и видов-индикаторов сапробности;

· перифитона - общего числа видов, массовых видов, сапробности, частоты встречаемости.

Программы и периодичность наблюдений по гидробиологическим показателям для станций различных категорий приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3. Периодичность проведения наблюдений по гидробиологическим показателям и виды программ

Периодичность проведения наблюдений	Категория пункта наблюдений
	I	II	III	IV
Ежемесячно	Сокращенная программа	Сокращенная программа	Сокращенная программа (контроль в вегетационный период)	-
Ежеквартально	Полная программа

2. ГИДРОБИОЛОГИЯ И ВОДНАЯ ЭКОЛОГИЯ, ИХ МЕСТО В СИСТЕМЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК

Биосфера нашей планеты существует в виде живых организмов и

продуктов их жизнедеятельности в газообразной оболочке Земли - атмосфере, твердой - литосфере и жидкой - гидросфере. Наиболее широкой ареной жизни является гидросфера. Если общая площадь поверхности планеты 510·106 км2, то 362·106 км2 (более 70,5%) занимает водное зеркало, с учетом же подземных вод окажется, что водная оболочка покрывает почти всю Землю.

Предложено и предлагается много определений гидробиологии.

Представляется наиболее корректным следующее: «гидробиология - наука биологического цикла, изучающая живую природу водоемов и развивающаяся на экологической основе» (Кожова, 1987, стр. 4). Данное определение охватывает изучение отдельных водных организмов (гидробионтов), их популяций и сообществ, взаимодействий между ними и с неживой природой.

Водная экология (гидроэкология, экология гидросферы) - наука о надорганизменных формах организации жизни, изучающая структуру и функционирование водных экосистем. Гидробиология и водная экология тесно связаны прежде всего с науками о гидросфере - гидрохимией, гидрофизикой, гидрологией.

Гидрохимия - часть геохимии, изучающая химический состав естественных вод и протекающие в них химические реакции. Гидрофизика - часть геофизики, исследующая физические свойства природных вод и протекающие в них физические процессы. Гидрология - часть географии, изучающая природные воды, закономерности круговорота воды в природе. Близка гидробиология и к таким географическим дисциплинам, как океанология и лимнология. Океанология - наука о Мировом океане (т. е. совокупности океанов и морей земного шара) и процессах, протекающих в нем. Лимнология (или озероведение) изучает воды замедленного стока поверхности суши. Кроме того, в гидрологии суши можно выделить еще науку о водотоках (потамология), ледниках (гляциология).

Лимноэкология - часть гидроэкологии, изучающая структуру и функционирование экологических систем поверхностных пресных вод суши (озер, водохранилищ, рек).

Гидробиология связана и с рядом биологических дисциплин (зоологией, ботаникой, микробиологией).

Естественно, являясь дисциплинами биологическими и географическими, гидробиология и водная экология тем не менее, в первую очередь, теснейшим образом связаны с экологией, частями которой они являются. Следует отметить, что именно водная экология является одной из самых успешно развивающихся частей экологии.

3. ПРЕДМЕТ, ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ГИДРОБИОЛОГИИ

Предметом исследований гидробиологии являются экологические процессы в водной среде, т. е. процессы взаимодействия гидробионтов, их популяций и сообществ между собой и с абиотическими компонентами водных экосистем.

Цель гидробиологии может быть определена как понимание экологических процессов, происходящих в водной среде, и управление ими с целью оптимизации управления водными ресурсами.

Основной задачей гидробиологии является изучение экологических процессов в гидросфере в интересах ее освоения и оптимизации взаимодействия человеческого общества с водными экосистемами.

Гидробиология решает следующие главные теоретические задачи:

* изучение общих внутренних закономерностей структурно- функциональной организации водных экосистем, которые и определяют круговорот вещества и поток энергии в них;

* исследование зависимостей круговоротов вещества и потоков энергии от факторов внешней среды, в том числе и антропогенных.

Конкретные практические задачи гидробиологии:

1. Повышение биологической продуктивности водоемов для получения из них наибольшего количества биологического сырья.

2. Разработка биологических основ обеспечения людей чистой водой, в том числе оптимизация функционирования экосистем, создаваемых для промышленной очистки питьевых и сточных вод.

3. Экспертная оценка экологических последствий зарегулирования, перераспределения и переброски стока рек, антропогенного изменения гидрологического режима озер и морей.

4. Оценка вновь создаваемых промышленных, сельскохозяйственных и других предприятий для водных экосистем с целью охраны последних от недопустимых повреждений.

5. Мониторинг состояния водных экосистем.

Главным методом гидробиологии, как и остальных экологических дисциплин, является системный подход, т.е. рассмотрение экосистемы как целого, и количественный учет протекающих в ней потоков энергии, вещества и информации. Следовательно, гидробиология всегда оперирует величинами численности организмов, биомассы - массы организмов, и их продукции - прироста органического вещества (в единице объема воды, под единицей площади водоема, на единице площади его дна).

Для количественного учета используют различные приборы как специфически гидробиологические - дночерпатели, драги, планктонные сети, планктоночерпатели, батометры различных конструкций, так и многие приборы заимствованные из арсеналов гидрохимии, гидрофизики, гидрологии. В последнее время часто используются погружные и дистанционные биофизические приборы. Тем не менее, одним из главных методов гидробиологии остается эколого-географический метод, т.е., наблюдения в природе.

4. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ГИДРОБИОЛОГИИ

Общая гидробиология изучает экологические процессы в водоемах и водотоках. В ней выделяются:

* системная гидробиология;

* трофологическая гидробиология;

* энергетическая гидробиология;

* этологическая гидробиология;

* палеогидробиология;

* бентология;

* планктология.

Системная гидробиология - приложение общей теории систем и ее методов в водной экологии. Она занимается общими проблемами организации биосистем в гидросфере, их поведением, самоорганизацией и самоуправлением, моделированием водных биосистем, прогнозу их состояния при различных внешних воздействиях.

По изучаемым процессам различаются трофологическая гидробиология - пищевые связи, биологическая трансформация веществ, энергетическая гидробиология - поток энергии, ее биологическая трансформация, этологическая гидробиология - поведение гидробионтов, палеогидробиология - исторические изменения водных экосистем.

По локализации изучаемых процессов в общей гидробиологии можно выделить бентологию и планктологию. Первая занимается экологическими процессами, проходящими на дне водоемов и водотоков, вторая - в толще вод. Частная гидробиология изучает специфику экологии водных объектов разного типа. Выделяют гидробиологии морей, озер, прудов, болот, луж, временных и пересыхающих водоемов и др. То же происходит и для водотоков: гидробиологии рек различных типов, ручьев. Кроме того, существует гидробиология подземных и пещерных вод, гидробиологии полярных и тропических водоемов, субтропических водоемов и озер умеренного пояса.

Прикладная гидробиология, как это следует из самого её названия, занимается прикладными приложениями результатов общей или теоретической гидробиологии. В нее входят:

* Продукционная гидробиология, изучающая биологические основы продуктивности водоемов (например, повышения вылова рыбы, урожая морепродуктов и т.п.).

* Санитарная гидробиология, занимающаяся решением проблем чистой воды, самоочищения водоемов.

* Медицинская гидробиология, исследующая происхождение и распространение болезней, связанных с водой (в первую очередь - инфекционных). Ее подразделом является гидропаразитология, разрабатывающая методы борьбы с паразитическими животными, обитающими в водоемах, в том числе личиночными стадиями паразитов.

* Токсикологическая гидробиология или водная токсикология, изучающая возможность вреда продуктов техногенеза для водных объектов, в частности, влияние токсикантов на гидробионтов и экосистемные процессы.

* Радиологическая гидробиология, решающая вопросы, связанные с поступлением в водоемы радионуклидов, влиянием их на гидробионтов, накоплением их в трофических цепях.

* Техническая гидробиология, изучающая биологические явления, представляющие опасность для техники, контактирующей с водой (биокоррозия, обрастания и т.п.). Частным случаем ее можно считать навигационную гидробиологию, которая исследует водные биологические процессы, препятствующие судоходству.

5. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ГИДРОБИОЛОГИИ

Еще до возникновения гидробиологии как науки началось накопление фактов, составляющих ее научный багаж. Можно отметить следующие заметные события этого процесса:

* 1650 г. Б. Варениус выделил четыре типа озер по присутствию или отсутствию притоков и поверхностного стока.

* 1674 г. Антуан ван Левенгук описал микроскопическую водоросль спирогиру, некоторые особенности динамики водорослей в озерах, влияние на нее ветра.

* 1730 г. де Дулье описал и измерил сейши.

* 1780 г. Соссюр описал тепловую стратификацию озер1.

* 1810г. Сэр Джон Лесли изучил формирование физической структуры водного тела некоторых шотландских озер под воздействием поступления света и тепла, ветра, температуры воды.

* 1819 г. Де ла Беш описал металимнион (термоклин)2 в Женевском озере.

* 1826 г. Де Кандолль выполнил первое научное описание цветения водорослей в озере.

* 1845 г. Й. Мюллер описал планктон.

Начиная с середины XIX в. гидробиология начинает оформляться в самостоятельную науку. Ничто не происходит само по себе и, естественно, науки о жизни вод потребовали какие-то практические потребности человечества. Первая из них - забота о хлебе насущном. Иллюзия неиссякаемости рога изобилия - промысла продуктов океана рассеялась: произошло снижение промысла устриц и мидий, уловы рыбы уменьшились, китобойный промысел стал сокращаться. Возникла необходимость реально оценивать запасы объектов промысла, особенности их воспроизводства и возможность искусственного разведения. Вторая - опасность жажды. Угроза загрязнения источников питьевой воды - пресных водоемов благодаря развитию промышленности, сельского хозяйства, транспорта, росту населения стала реальной. Стало нужно понять механизмы самоочищения природных вод.

6. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ КРИТЕРИИ: ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ЭКОСИСТЕМ ПО НЕСКОЛЬКИМ ПОКАЗАТЕЛЯМ

При оценке состояния экосистем исследователи обычно используют не один, а несколько (иногда 7-8) методов из тех, что описаны выше. Если все они дают одинаковую картину (что бывает редко), то уверенность в правильности оценки возрастает. Если же наблюдается некоторый разнобой оценок, то причина этого часто может заключаться в том, что какой-либо метод оказывается слишком чувствительным к факторам, не связанным с загрязнениями. Для обобщения данных и выражения конечной оценки одним числом по определенным правилам строят комбинированный показатель.

Е. В. Балушкиной разработан интегральный показатель, включающий предложенный ею ранее хирономидный индекс, индекс сапротоксобности Яковлева и индексы Вудивисса и Гуднайта - Уитли. Он используется для оценки состояния экосистем водоемов, подверженных смешанному органическому и токсическому загрязнению, и апробирован в системе Ладожское озеро - р. Нева - восточная часть Финского залива.

При оценке состояния донных сообществ ряда рек, озер и водохранилищ России для количественной характеристики состояния бентоса автор использовал следующие показатели: 1) численность (Ч), экз./м²; 2) биомасса (Б), г/м²; 3) число видов (S); 4) видовое разнообразие (H), бит/экз.; 5) олигохетный индекс Пареле (ОИП), равный отношению численности олигохет-тубифицид к общей численности бентоса, %; 6) среднюю сапробность (СС), рассчитываемую как средневзвешенная сапробность трех первых доминирующих по численности видов бентосных организмов.

Для объединения значений первых четырех показателей и замене их одним числом предложен «комбинированный индекс состояния сообщества» (КИСС) (6.1), находимый по обычной методике расчета интегральных ранговых показателей. Вначале все станции ранжируются по каждому показателю, причем ранг 1 присваивается максимальным значениям Ч, Б, H и S. Если на нескольких станциях значения какого-либо показателя были одинаковыми, то они характеризовались одним средним рангом. Индекс отражает состояние сообщества сразу по четырем показателям, поэтому он назван “комбинированным индексом состояния сообщества”.

КИСС = (2Б + Ч + H + S)/5. (6.1)

Подчеркнем, что в эту формулу входят не абсолютные значения показателей, а их ранги. Биомассе придан «вес», равный 2, поскольку с ней связана величина потока энергии, проходящей через сообщество, что чрезвычайно важно для оценки его состояния. Чем меньше величина КИСС, тем лучше состояние сообщества.

Поскольку состояние сообщества зависит как от естественных факторов среды (глубины, грунта, течения и т.п.), так и от наличия, характера и интенсивности загрязнения, то дополнительно рассчитывается «комбинированный индекс загрязнения» (КИЗ) (6.2), включающий ранговые значения трех показателей:

КИЗ = (СС + ОИП + Б)/3 (6.2)

В этом случае ранг 1 присваивается минимальным значениям показателей. Чем меньше величина КИЗ, тем меньше загрязнение. Кроме величин показателей на конкретной станции рассчитывают средние значения для всего набора станций, сравнение с которыми величин на отдельных станциях позволяет судить, хуже или лучше обстоят на них дела по сравнению со средним положением. Вычисление коэффициента ранговой корреляции по Спирмену между значениями КИСС и КИЗ показывает, насколько загрязнение влияет на состояние сообществ зообентоса.

В предыдущих главах мы неоднократно обсуждали подходы к оценке состояния изучаемого объекта по всему комплексу измеренных и расчетных показателей. Вследствие принципиальной сложности экосистем, эта проблема в гидробиологии особенно актуальна, поскольку, желая учесть все множество тенденций и явлений, исследователи стремятся использовать не один, а несколько (иногда 7-8) частных критериев из тех, что были описаны выше. Классы качества воды по гидробиологическим и микробиологическим показателям в нашей стране определяются "Правилами контроля качества воды водосливов и водотоков" [ГОСТ 17.1.3.07-82], которые регламентируют содержание программ контроля гидрологических, гидрохимических и гидробиологических показателей, периодичность контроля, а также назначение и расположение пунктов отбора проб (см. табл.1).

гидробиологический вода токсичность сапробность

Таблица 1 Классификация качества воды водоемов и водотоков по гидробиологическим и микробиологическим показателям

Примечание. Допускается оценивать класс качества воды и как промежуточный между вторым и третьим (II - III), третьим и четвертым (III - IV), четвертым и пятым (IV - V).

Согласно этому документу, степень загрязненности воды оценивается с учетом индекса сапробности по Пантле и Букку в модификации Сладечека, олигохетного индекса Гуднайта-Уитлея и Пареле, биотического индекса Вудивисса и традиционного набора микробиологических показателей (столбец со значениями ИЗВ [Временные методические.., 1986] добавлен нами для обобщения). Эта таблица также приведена в специальном руководстве [Руководство по методам.., 1983], обязательном для гидробиологических постов наблюдения.

В.А. Яковлев, применительно к поверхностным водам Кольского Севера, в аналогичную таблицу добавляет оценку зоны сапроботоксобности в соответствии с разработанным им индексом, индекс Шеннона (см. табл. 4.), степень токсичности по данным биотестирования и описывает для каждого класса доминирующий комплекс организмов.

С градациями класса качества вод, в принципе, можно связать неограниченное количество показателей и расчетных критериев. Если все они дают одинаковую картину (что бывает редко), то уверенность в правильности оценки возрастает. Однако каждый из индексов, выделяя ту или иную особенность биотического сообщества, недоучитывает другие, в результате чего возникает естественный феномен несовпадения в оценках качества экосистем по различным показателям. Чтобы преодолеть трудности в трактовке такой ситуации, ряд исследователей предлагают методы вычисления обобщенных показателей, которые основаны на том, что выбранные исходные показатели нормируются в некоторой единой шкале, после чего суммируются. При этом появляется еще один индекс (интегральный показатель IP, комбинированный индекс состояния сообщества - КИСС и т.п.), который делает попытку обобщить и представить одним числом все множество процессов и факторов развития экосистемы.

Нельзя отрицать вполне доказанной работоспособности обобщенных индексов для экспресс-анализа (правда, при четком понимании конкретных условий, при которых тот или иной индекс наиболее эффективен), а также в тех случаях, когда сравниваемые экосистемы имеют ощутимые различия в уровне антропогенного воздействия. Но эти методы перестают быть адекватными, если ставится задача детального анализа структурных изменений в биоценозах на видовом уровне.

К сожалению, иногда недостаточно взвешенный подход к проблеме "индексологии" и излишняя вера в то, что истину можно найти, вычислив среднее из 4-5 показателей, еще более удаляет нас от физической природы явлений, поскольку такое усреднение сглаживает все статистические всплески исходных данных, сигнализирующие о возможных экокризисных ситуациях. Проблема усугубляется тем, что индексы, выступающие в качестве слагаемых, как правило, сами по себе далеко не всегда адекватно отражают то явление, которое им приписывается, и слишком чувствительны к действию посторонних факторов, не связанных с загрязнением. При их усреднении равновероятными являются предположения, как о взаимной компенсации ошибок, так и об их взаимном усилении.

Интегральный показатель по Е.В. Балушкиной разработан и используется для оценки состояния экосистем водоемов, подверженных смешанному органическому и токсическому загрязнению. Прошел широкое тестирование в системе Ладожское озеро - р. Нева - восточная часть Финского залива. Интегральный показатель IP рассчитывается по формуле:

IP = K₁ * S_t + K₂*OI + K₃*K_ch + K₄ / BI , (6.3)

где S_t - индекс сапротоксобности В.А. Яковлева (K₁ = 25); OI - олигохетный индекс Гуднайта и Уитлея, равный отношению численности олигохет к суммарной численности зообентоса в процентах (K₂ = 1); K_ch - хирономидный индекс Балушкиной (K₃ = 8.7); 1 / BI - величина, обратная биотическому индексу Вудивисса (K_{4 ?} 100).

На наш взгляд, целесообразнее использовать отношение 1/( BI + 1) или, еще лучше, линейную функцию (10- BI), принимая во внимание вероятность нулевого значения индекса Вудивисса.

Основная идея автора - подобрать такие линейные множители K₁ - K₄ для всех обобщаемых индексов, чтобы они варьировались на соизмеряемом интервале от некоторого минимального значения до 100, после чего сложить преобразованные значения. Поскольку функциональность значений индекса Вудивисса имеет обратный характер по сравнению с остальными индексами, для его преобразования использовалась обратная величина - 1 / BI. Диапазоны изменения значений используемых показателей соотнесены с градациями качества вод по А.А. Былинкиной . (см. табл. 2 ).

Таблица 2 Границы классов качества вод по показателям зообентоса S_t, OI, K_ch ,BI и интегральному показателю IP (обозначения по тексту; символом * отмечены значения, полученные нами по пропорции)

Индекс сапротоксобности Яковлева	Олигохетный индекс OI	Хирономидный индекс Балушкиной	Биотический индекс Вудивисса	Интеграль-ный пока-затель IP	Класс качества вод по Былинкиной и Драчеву
St	K1 * St		Kch	K3*Kch	BI	K4 / BI
1	25	0	0.14	1.22	10	10	36.22	Очень чистые
1.5	37.5	50	1.08	9.4	? 8.9*	20	116.9	Чистые
2.5	62.5	60	6.5	56.5	? 7.4*	33.3	212	Умеренно загрязненные
3.5	87.5	80	9	78.26	? 5.6*	50	295.76	Загрязенные
4	100	100	11.5	100	0	100	400	Грязные

Можно обратить внимание на то, что предлагаемые граничные значения олигохетного индекса OI не совпадают ни с ГОСТ 17.1.3.07-82, ни с градациями качества в понимании Гуднайта и Уитлея, ни с рекомендациями О.Л. Качаловой и Э.А. Пареле. Не вполне коррелирует с градациями того же ГОСТ «гиперболическая» функция от индекса Вудивисса 1/BI. Наконец, в литературе нет доказательств, что зоны сапроботоксобности по В.А. Яковлеву, классы качества по А.А. Былинкиной и С.М. Драчеву и степени загрязнения воды по ГОСТ 17.1.3.07-82 представляют собой эквивалентные разбиения (впрочем, никто не доказал и обратного). Но такие "мелочи" при синтезе обобщенного показателя принято считать несущественными.

Е.В. Балушкина полагает, что полученный ею интегральный показатель (6.3) включил в себя все лучшие черты родительских индексов и максимально учитывает характеристики донных сообществ: наличие видов-индикаторов сапроботоксобности, соотношение индикаторных групп животных более высокого таксономического ранга, степень доминирования отдельных групп и структуру сообщества в целом.

Комбинированный индекс состояния сообщества по А.И. Баканову.

При оценке состояния донных сообществ ряда рек, озер и водохранилищ России для количественной характеристики состояния бентоса автор использовал следующие показатели: численность (N), экз./м²; биомассу (B), г/м²; число видов (S); видовое разнообразие по Шеннону (Н), бит/экз.; олигохетный индекс Пареле (ОИП, %), равный отношению численности олигохет-тубифицид к общей численности бентоса, среднюю сапробность (СС), рассчитываемую как средневзвешенную сапробность трех первых доминирующих по численности видов бентосных организмов. Для объединения значений перечисленных показателей и замене их одним числом предлагается результирующий показатель - комбинированный индекс состояния сообщества (КИСС; [Баканов, 1997]), находимый по обычной методике расчета интегральных ранговых показателей:

(6.4)

где R_i - ранг станции по i-му показателю, Р_i - "вес" этого показателя, k - число показателей.

Вначале все станции ранжируются по каждому показателю, причем, ранг 1 присваивается максимальным значениям N, B, Н и S. Если на нескольких станциях значения какого-либо показателя были одинаковыми, то они характеризовались одним средним рангом. В статье приводятся разные версии итоговой формулы (6.4) (подчеркнем, что в формулы входят не абсолютные значения показателей, а их ранги):

· КИСС= (2B + N + Н + S)/5,

где биомассе придан "вес", равный 2, поскольку с ней связана величина потока энергии, проходящей через сообщество, что чрезвычайно важно для оценки его состояния; (6.5)

· КИСС= (2СС + 1.5ОИП + 1.5B + N + Н + S)/8,

где считается, что с загрязнением наиболее тесно связана средняя сапробность. (6.6)

Чем меньше величина КИСС, тем лучше состояние сообщества.

Поскольку состояние сообщества зависит как от естественных факторов среды (глубины, грунта, течения и т.п.), так и от наличия, характера и интенсивности загрязнения, дополнительно рассчитывается комбинированный индекс загрязнения (КИЗ), включающий ранговые значения трех показателей:

КИЗ = (СС + ОИП + B)/3 . (6.7)

Ранжирование показателей здесь проводится в обратном порядке (от минимальных значений к максимальным)

КИСС и КИЗ - относительные индексы, ранжирующие станции по шкале, в которой наилучшее по выбранному набору показателей состояние сообщества характеризуется минимальными значениями индексов, наихудшее - максимальными. Кроме значений, характеризующих величины показателей на конкретной станции, рассчитывают их средние значения для всего набора станций. Варьирование величин индексов на отдельных станциях относительно среднего позволяет судить, хуже или лучше обстоят на них дела по сравнению с общей тенденцией.

Вычисление коэффициента ранговой корреляции по Спирмену между значениями КИСС и КИЗ показывает, насколько загрязнение влияет на состояние сообществ зообентоса. Если между значениями этих индексов существует достоверная положительная корреляция, то состояние сообществ донных животных в значительной степени определяется наличием загрязнений (в противном случае оно определяется естественными факторами среды). Индекс экологического состояния по Т.Д. Зинченко и Л.А. Выхристюк. Предложенный способ комплексной оценки речной системы на основе интегрального индекса экологического состояния экосистемы - ИИЭС, дает возможность оценить суммарный эффект воздействия загрязнения на сообщества гидробионтов и на экосистему в целом. Основной подход к построению индекса заключается в следующем:

· выделяется некоторое базовое подмножество измеряемых или рассчитываемых показателей гидрохимического (табл. 3) и биологического (табл. 4) мониторинга;

· каждый показатель делится на диапазоны (с использованием статистических методов или экспертных оценок);

· каждому выделенному диапазону ставится в соответствие оценка в баллах;

· для каждого тестируемого объекта (например, участка реки) индекс определяется как усредненная сумма всех показателей в баллах.

Таблица 3 Градации концентраций химических веществ для вычисления балльной оценки

Показатели	Размерность	Баллы
		1	2	3	4
		Пределы изменения концентраций
Химическое потребление кислорода (ХПК)	мг О/л	> 60	31 - 60	20 - 30	< 20
Азот аммонийный N - NH4	мг /л	> 2.5	0.51 - 2.5	0.20 - 0.5	< 0.20
Азот нитратный N - NO3	мг /л	> 2.5	0.71 - 2.5	0.30 - 0.70	< 0.30
Азот нитритный N - NO2	мг /л	> 0.1	0.021 - 0.1	0.005 - 0.02	< 0.005
Фосфаты P - PO4	мг /л	> 0.3	0.101 - 0.3	0.03 - 0.1	< 0.03
Фенолы	мкг /л	> 10	1 - 10	следы	0

Таблица 4 Градации биологических показателей для вычисления балльной оценки

Показатели	Размерность	Баллы
		1	2	3	4
		Пределы изменения показателей
Численность макрозообентоса N	экз./м2	0 - 500	501-1000	1001-10000	> 10000
Биомасса В	г/м2	1 - 5.0	5.1 - 10.0	10.1- 15.0	> 15.0
Количество видов S	экз.	0 - 5	6 - 10	11 - 15	> 15
Индекс видового разнообразия Шеннона Н	бит/экз.	0 - 1.0	1.1 - 2.0	2.1 - 3.0	> 3.0
Биотический индекс V	-	0 - 2	2 - 4	4 - 6	>6
Индекс Пареле D	-	0.81 -1.00	0.56 - 0.80	0.30 - 0.55	< 0.30

ИИЭС учитывает обе основные составляющие качества пресноводной экосистемы (химическую и биологическую), выраженные в относительных единицах (баллах), и рассчитывается как

ИИЭС = ( ? B_i + ? H_i) / (N_b, + N_h ) ,

где B_i - используемые биологические показатели; H_i - используемые гидрохимические показатели; N_h и N_b - количество показателей каждого класса, включенных в расчет.

При составлении списка гидрохимических показателей в основу формирования балльной системы была взята работа О.П. Оксиюк c соавторами. Однако достаточно скупой и специфический перечень принятых ими за основу ингредиентов заставляет задуматься, что авторы сильно недооценивают степень влияния минерализации, тяжелых металлов и др., которые традиционно считаются более опасными, чем предлагаемые показатели.

В число отобранных биологических характеристик включены наиболее широко употребляемые показатели, характеризующие состояние донных сообществ.

Численный пример использования ИИЭС для экологического районирования бассейна равнинной р. Чапаевка, представлен в табл. 5.

Были экспертно оценены числовые диапазоны ИИЭС, соответствующие каждой из зон, определенной нормативными документами:

Категория водоема	Диапазон индекса ИИЭС
Зона экологического бедствия	< 2
Зона экологического кризиса	2 - 3
Зона относительного экологического благополучия	> 3

Что касается техники расчета ИИЭС в смысле получения некой усредненной оценки, то вряд ли здесь можно добавить что-то новое. Например, нам представляется, что арифметическая операция усреднения баллов может быть безболезненно заменена их суммой, как это делает Е.В. Балушкина. Все границы диапазонов оценены на основании интуитивного опыта исследователей, без использования каких-либо статистических методов. Тем не менее, авторы впервые в практике оценки качества воды по всем категориям гидрохимических и гидробиологических показателей представили свою классификацию не как механический "сборник" отдельных частных классификаций, а как некоторый обобщенный результат.

Таблица 5 Интегральная оценка экологического состояния водоемов на примере р. Чапаевка (в столбцах таблицы: а - натуральное значение показателя, б - оценка в баллах)

Показатели	Участки реки*
	I (cт. 1)	I (cт. 2)	II (cт. 3)	III (cт. 4)	III (cт. 5)	IV (cт. 6)
	а	б	а	б	а	б	а	б	а	б	а	б
Оценка экологического состояния водоема по гидрохимическим показателям
Химическое потребление кислорода (ХПК)	43.7	2	36.6	2	39.5	2	143.7	1	83.9	1	51	2
Азот аммонийный N- (по NH4 +)	0.23	3	0.13	4	0.77	2	2.42	2	0.85	2	0.79	2
Азот нитратный N-(по NO3 -)	0.27	4	0.25	4	0.33	3	0.70	2	0.31	3	0.46	3
Азот нитритный N- (по NO2 -)	0.002	4	0.008	3	0.056	2	0.266	1	0.152	1	0.070	2
Фосфаты P- (по PO4)	0.023	4	0.054	2	0.021	4	0.250	2	0.129	2	0.150	2
Фенолы	1	2	0	4	0	4	3	2	3	2	1	2
Сумма баллов	19	19	17	10	11	13
Средний балл	3.2	3.2	2.8	1,7	1.8	2.2
Оценка экологического состояния водоема по биологическим показателям
Численность N, тыс. экз./м 2	16.0	4	6.5	2	0.53	2	0	1	0.16	1	0.92	2
Биомасса B, г/м2	24.3	4	19.2	4	5.1	2	0	1	0.14	1	6.3	2
Количество видов S	11	3	20	4	6	2	0	1	1	1	6	2
Индекс разнообразия Шеннона H, бит/экз.	1.77	2	2.61	3	1.59	2	0	1	0.1	1	2.14	3
Биотический индекс Вудивисса V	5	3	4 - 5	3	2	1	0	1	0-1	1	3	2
Индекс Пареле D	0.55	3	0.44	3	0.33	3	0	1	0.95	1	0.8	2
Сумма баллов	19	19	12	6	6	13
Средний балл	3.2	3.2	2.0	1.0	1.0	2.2
Значение ИИЭС	3.2	3.2	2.4	1.3	1.4	2.2
Категория водоема	Экологическое благополучие	Экологич. кризис	Экологическое бедствие	Экологич. кризис

4. Обоснование программ полевых исследований для расчета гидробиологических показателей и индексов качества воды

Все рассмотренные выше индексы каждый в отдельности несет определенную смысловую нагрузку, но тем не менее все они взаимосвязаны и рассматриваются вместе. Такие индексы как КИСС и КИЗ показывают, насколько загрязнение влияет на состояние зообентоса и тесно взаимосвязаны в расчетах.

Для расчета КИСС необходимо:

1. рассчитать численность (N), экз./м²; биомассу (B), г/м²; число видов (S); видовое разнообразие по Шеннону (Н), среднюю сапробность (СС);

2. все станции ранжируются по каждому показателю, причем, ранг 1 присваивается максимальным значениям N, B, Н и S (если на нескольких станциях значения какого-либо показателя были одинаковыми, то они характеризовались одним средним рангом);

3. производится расчет по формулам (6.5) и (6.6) (чем меньше величина КИСС, тем лучше состояние сообщества).

Для расчета КИЗ:

1. олигохетный индекс Пареле (ОИП, %), среднюю сапробность (СС), биомассу (B), г/м² ;

2. проводится ранжирование показателей в обратном порядке (от минимальных значений к максимальным);

3. производится расчет КИЗ по формуле (6.7).

Существуют и такие индексы, включающие не только гидробиологические данные, но и показания гидрохимических исследований, такой как ИИЭС, дающий возможность оценить суммарный эффект воздействия загрязнения на сообщества гидробионтов и экосистему в целом.

Основной подход к построению индекса заключается в следующем:

1. выделяется некоторое базовое подмножество измеряемых или рассчитываемых показателей гидрохимического (это чаще всего такие показатели как ХПК; азот аммонийный; азот нитратный; азот нитритный; фосфаты;) (табл. 3) и биологического (численность (N), экз./м²; биомасса (B), г/м²; число видов (S); видовое разнообразие по Шеннону (Н), средняя сапробность (СС); биотический индекс Вудивисса V) (табл. 4) мониторинга;

2. каждый показатель делится на диапазоны (с использованием статистических методов или экспертных оценок);

3. каждому выделенному диапазону ставится в соответствие оценка в баллах;

4. для каждого тестируемого объекта (например, участка реки) индекс определяется как усредненная сумма всех показателей в баллах.

Но эти методы перестают быть адекватными, если ставится задача детального анализа структурных изменений в биоценозах по видовым уровням. Здесь преимущества получили индексы видового разнообразия Шеннона (6.8), индекс Вудивисса и сапробности (6.9), которые наиболее часто встречаются в исследовательских работах и анализах качества вод объектов. Каждый в отдельности они дают полную характеристику по определенному разделу гидробиологического мониторинга и, в дальнейшем, рассматриваясь суммарно, показывают полную картину воздействия загрязнения на гидробионтов, что позволяет не проводить достаточно объемные расчеты и не затрачивает большое количество времени.

Не исключением является и индекс токсичности (6.10), который в свою очередь показывает влияние отдельных ЗВ на конкретные виды микроорганизмов, позволяющих определить острую токсичность на отдельных участках водного объекта.

5. Методическая часть

Для характеристики загрязнения водоема по гидробиологическим индексам нами был использован ряд методик, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

1. Методика отбора и обработки проб зоопланктона.

Методика была стандартной, пробы отбирались методом тотального лова с помощью сети Джеди, затем производилась камерная обработка счетным методом с выделением всех видов, отмечая стадии развития. Далее был проведен анализ полученных данных и рассчитаны индекс видового разнообразия Шеннона и индекс сапробности Пантле - Бука.

Расчет индекса видового разнообразия Шеннона и индекс сапробности:

Объем воды, пропущенный через сеть Джеди, рассчитывается по формуле:

V=ПR²h,

где R - радиус выходного отверстия

h - глубина, на которую была опущена сеть. Средняя численность организмов в одном метре кубическом данного слоя воды (Ni) определяется по формуле:

Ni=1\(V^*ni),

где Ni - число животных в пробе. Расчет одного из показательных индексов (индекса видового разнообразия Шеннона) ведется по формуле:

H=-?Ni\N^*log₂Ni\N, (6.8)

где Ni - число i - ого вида

N - общая численность представителей

Формула вычисления сапробности водоема:

S=?Si*ni\n, где (6.9)

Si - индикатор значимости

ni - относительная частота встречаемости организмов

Явным недостатком данной методики является трудоемкость и время, которое требуется для разбора, в связи с чем невозможно в короткие сроки провести все необходимые расчеты.

Наиболее встречающимися видами являются:

Cyclop sp.

Chydorus sphaericus

Keratella Quadrata

2. Методика определения токсичности проб воды экспресс - методом на приборе «Биотестер»

Методика биотестового анализа водных проб основана на способности Paramecium Caudatum - инфузории туфельки избегать неблагоприятных и опасных для жизнедеятельности зон и активно перемещаться по градиентам концентрации загрязняющих веществ в благоприятные зоны. Тем самым она позволяет оперативно определять острую токсичность воды.

Закончив опыт, было необходимо вычислить индекс токсичности, что позволяет определить уровень токсичности воды по сравнению со средой Лозино-Лозинского.

Это рассчитывается по формуле:

T=(I contr.- I exp.) ? I contr., (6.10)

где: I contr. - показатель прибора для контрольной пробы,

I exp. - показатель прибора для исследуемой пробы,

Т - индекс токсичности.

Шкала токсичности:

Если Т<0, то проба нетоксична.

Если 0<Т<0,25, то проба слабо токсична.

Если 0,25<T<0,5, то проба умеренно токсична.

Если 0,5<Т<0,75, то проба токсичная.

Если 0,75<T<1,то проба сильно токсична.

Метод имеет некоторые недостатки, такие как необходимость лабораторных условий (оптимальная температура для размножения инфузорий, наличие электроэнергии и т. д.) и огромные затраты сил и времени.

3. Методика отбора и обработки проб зообентоса

С места отбора методом кашения берутся пробы на наличие зообентосных организмов, затем в определенной посуде производится анализ и подсчитываются индекс Вудивисса и Олигохетный индекс.

Способы математической и статистической обработки информации.

1. Олигохетный индекс.

Отношение численности олигохет к числу веснянок.

</=60% - река в хорошем состоянии

60- 80% - качество сомнительно

>/=80% - тяжело загрязнено

2. Индекс Вудивисса.

Таблица 6.

Степень загрязнения воды Чистая вода Грязная вода	Наличие индикаторных групп	Количество видов индикаторных групп	Общее количество присутствующих групп
			0-1	2-5	6-10	11-15	16 и более
			Биотический индекс
Чистая вода	Присутствуют личинки веснянок	Больше одного вида	-	7	8	9	10
		Только один вид	-	6	7	8	9
	Присутствуют личинки подёнок	Больше одного вида	-	6	7	8	9
		Только один вид	-	5	6	7	8
	Присутствуют личинки ручейников	Больше одного вида	-	5	6	7	8
		Только один вид	4	4	5	6	7
	Присутствует Gammarus (Бокоплав)	Все вышеназванные типы отсутствуют	3	4	5	6	7
Увеличения степени загрязнения.	Присутствует Asellus(Водяной ослик)	Все вышеназванные типы отсутствуют	2	3	4	5	6
Загрязнённая вода	Присутствуют тубифициды и/или личинки мотыля (Chironomus sp.)	Все вышеназванные типы отсутствуют	1	2	3	4	-

Таблица 7. Таблица для определения степени загрязнённости воды:

Биотический индекс	Экологическое качество воды	Загрязнённость	Зона загрязнения
10	Отлично	Нет	1
9	Очень хорошо	Очень лёгкое	1 -2
8	Хорошо	Лёгкое	1 - 2
7	Сравнительно хорошо	Сравнительно небольшое	2
6	Умеренно	умеренное	2
5	Средне	Среднее	3
4	Довольно плохо	Довольно сильное	3
3	Плохо	Сильное	3
2	Очень плохо	Очень сильное	3
1	Чрезвычайно плохо	Чрезвычайно сильное	4
0 - 1	Отравлено	токсично	4

Правила работы с таблицей

По численности обнаруженных групп данных животных, определить в первой таблице один вертикальный столбец в графе «Количество групп».

Из перечня обнаруженных живых организмов выбрать тот класс, который расположен выше других в графе «Ключевые организмы». Цели пересечение укажет биотический индекс пробы.

В зависимости от биологического индекса определить качество воды по второй таблице.

Основными достоинствами данной методики является наглядность, так как возможно изучить большое разнообразие донных организмов и использование данного метода в полевых условиях с минимальными затратами. Существенным же недостатком в свою очередь является значительная погрешность в количественном определении организмов.

6. Описание водных объектов

6.1 Описание Сестрорецкого водохранилища

От состояния озера Сестрорецкий Разлив зависит жизнь всего города Сестрорецка, в котором живет около 40 тыс. человек. Из этого озера берут воду для города, на этом озере летом отдыхает множество людей, зимой в нем ловят рыбу. В последние годы стали появляться планы постройки на озере курортов международного класса, в связи с чем озеро должно быть приведено в надлежащий вид. В данный момент озеро зарастает очень быстрыми темпами. Если это будет продолжаться и дальше, то оно зарастет окончательно, и со всеми планами будет покончено.

Озеро Разлив - крупное гидротехническое сооружение - озеро Сестрорецкий Разлив, создано в 1723 году. Раньше на этой территории протекала река Сестра. На ее месте Петром Первым была сооружена плотина и образовано озеро. Из него вытекало две реки - заводская (Сестра), приводящая в движение станки, и Водосливной канал. Т.к. подробных сведений о том районе, где было создано озеро Разлив, не сохранилось, мы не можем рассказать о том, какая экосистема существовала здесь ранее. Поэтому не будем углубляться в рассуждения, а сразу перейдем к описанию современного состояния Разлива.

Озеро расположено в 30 километрах к северо-западу от Санкт-Петербурга. Сестрорецкий Разлив - в плане треугольной формы с вытянутым узким заливом в устье р. Черной. Береговая линия водоема слабоизрезанная; в приплотинной части расположены небольшие островки. Чаша водоема имеет корытообразную форму близкую к форме цилиндра. Средняя глубина озера составляет 2,05 м. Более глубоководна приплотинная часть Разлива с максимальной глубиной 4,6 м. Озеро занимает впадину, которая некогда была мелководным заливом Балтийского моря и образовалась после сооружения запруды и плотин в низовьях рек Сестры и Черной, в результате чего вода разлилась по низинам. Сестрорецкий Разлив является водохранилищем сезонного регулирования, сток из которого осуществляется через плотины на Водосливном и Заводском каналах. Относится к водоемам средней проточности, то есть полная смена воды в водоеме осуществляется за 1,3 месяца. Бассейн озера Сестрорецкий Разлив расположен в пределах Карельского перешейка. Абсолютные высотные отметки изменяются от 6,8 м - при впадении реки Сестры в озеро до 150 м в истоке. В бассейне озера Сестрорецкий Разлив в почвенном покрове преобладают подзолистые почвы, образовавшиеся под древесной растительностью на небогатых известью материнских породах, бедных элементами питания для растений, и торфянистые подзолы. Основными лесообразующими породами являются сосна, ель, береза, осина и ольха. В бассейне озера Сестрорецкий Разлив леса занимают 57% от всей площади водосбора. Около 7% площади водосбора занято сельскохозяйственными угодьями, расположенными в основном в средней части реки Сестры. Значительную площадь бассейна занимают еловые, сосновые и лишайниковые леса, а также березовые и березово-осиновые травяно-кустарниковые леса на месте еловых зеленомошных лесов. На акватории озера Сестрорецкий Разлив гнездится 22 вида птиц. Из водных млекопитающих многочисленная ондатра, встречаются кутора, американская норка, полевка-экономка и водяная полевка. На верховом болоте гнездятся большой и средний кроншнепы, коростель, лысуха, камышница, болотная сова и др. Климат Курортного района является переходным от морского к континентальному. Среднегодовая температура воздуха +3,5 градуса по Цельсию. Относительная влажность воздуха колеблется от 70% летом до 87% зимой. Годовая норма осадков составляет 600 мм. Снег выпадает чаще всего в начале ноября. Озеро Сестрорецкий Разлив принимает непосредственное участие в формировании микроклимата.

По данным исследований вод колодцев и родников в Сестрорецке были обнаружены: фенолы - 0,29-0,31мг/л, при ПДК - 0,001мг/л (в 300 раз больше нормы); ртуть - 0,0017мг/л, при ПДК - 0,0005 мг/л (в 3 раза больше нормы); свинец - 0,055 мг/л, при ПДК - 0,03мг/л (в 2 раза больше нормы).

Основной причиной зарастания озера является слив неочищенных сточных вод из реки Черной. Органические остатки оседают на дне озера и гниют, образуя прекрасное удобрение для камыша. Главной экологической проблемой Разлива является его заиливание и зарастание камышом. Ее источником стал слив неочищенных сточных вод. Кроме того, на водосборе находятся сельскохозяйственные угодья различные производственные комплексы, населенные пункты, военные городки. многочисленные садоводческие участки (часть из которых расположена непосредственно в водоохранной зоне притоков), несанкционированные бытовые и промышленные свалки. Накоплению загрязняющих веществ в оз. Сестрорецкий Разлив и их замедленный вынос из водоема обуславливают его гидродинамические особенности - мелководность, малые скорости течения, наличие застойных зон.