Изучение гидрохимических и гидробиологических особенностей природных вод Витебского района

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Витебский район характеризуется довольно высокой степенью хозяйственного освоения и промышленного развития. Население района насчитывает более 390 тыс. человек, проживающих на площади 2,8 тыс. км². Важно отметить, что город Витебск является одним из крупнейших промышленных центров республики. Все это в совокупности обусловливает значительное антропогенное воздействие на природные экосистемы.

Располагаясь на территории с благоприятными условиями увлажнения, Витебский район обладает хорошо развитой гидрографической сетью, представленной бассейном Западной Двины с ее многочисленными притоками, и более чем 30 озерами.

Водные экосистемы отличаются динамичностью во времени, территориальной замкнутостью в границах водосборных объектов, отражают интегральное влияние всех происходящих в гидрографической сети и на водосборах естественных и антропогенных процессов. Поэтому их оценка произведена на основе сочетания административно-территориального и бассейнового принципов. Являясь основными приемниками сточных вод различных категорий, водные объекты выступают индикаторами экологического состояния и позволяют судить о чрезмерном антропогенном влиянии на природную среду, посредством изменения качества поверхностных и подземных вод.

Цель данной дипломной работы - изучить гидрохимические и гидробиологические особенности природных вод и на их основе охарактеризовать экологическое состояние водных объектов Витебского района.

Поставленная цель достигалась решением следующих задач:

- изучением по научным литературным источникам методов исследований водных объектов;

- рассмотрением основных природных особенностей, оказывающих влияние на формирование гидрографической сети Витебского района;

- характеристикой основных гидрохимических особенностей природных вод района;

- анализом гидробиологических показателей в водных объектах района.

Структурно данная дипломная работа может быть разделена на введение, четыре главы, заключение и список использованной литературы. В главе первой приведено методическое обоснование гидрохимических и гидробиологических методов исследований водных объектов. Вторая глава посвящена рассмотрению основных природных особенностей Витебского района: геологического строения и рельефа, климата, почвенного покрова, растительного и животного мира, ландшафтов. В третьей главе дана характеристика гидрохимических особенностей подземных и поверхностных вод. В четвертой главе выполнен пространственно-временной анализ гидробиологических показателей в водных объектах Витебского района.

гидрохимический водоем гидробиологический антропогенный

Глава 1. Методика гидроэкологических исследований

Научное исследование водных объектов включает два уровня: эмпирический и теоретический. Эмпирический уровень охватывает этапы получения информации, её обработки и простейших обобщений [4]. Обобщение эмпирических фактов вплоть до формирования законов и теорий совершается на теоретическом уровне с использованием абстрагирования, анализа, синтеза, правил абстрактной логики, теории подобия и аналогии, а также различных общенаучных и конкретно-научных принципов и методов.

Методика гидроэкологических исследований включает выбор объекта и предмета исследования, отбор свойств и признаков, вовлекаемых в исследование, их ранжирование по значимости для изучаемого явления, методы получения и обработки информации об объекте, приемы нахождения эмпирических зависимостей. В схеме гидроэкологических исследований выделяют несколько логически последовательных этапов.

Инвентаризационный этап постановка задания, из которого достаточно ясно должна быть видна основная цель исследования водоема или водотока и его программа. В обосновании четко формулируется цель проекта, состояние разработки проблемы, научная идея, научная и практическая значимость работы, этапы исследования, предполагаемые результаты. Этап включает составление краткой справки о степени изученности водного объекта с характеристикой природных компонентов и источников антропогенных воздействий, сбор фактического материала в результате непосредственных наблюдений на водоеме [5].

Оценочный этап включает в себя обработку, обобщение, систематизацию материалов полевых гидроэкологических исследований, проведение лабораторных анализов, выявление и оценку сложившихся гидроэкологических ситуаций. Этап завершается разработкой рекомендаций по оптимизации свойств и территориальной организации водных экосистем.

Прогнозный этап направлен на изучение ожидаемых изменений в экосистеме водоема или водотока за определенный период времени.

Для водных объектов удобно устанавливать так называемые маркерные характеристики, позволяющие составить представление об общем характере загрязнения, не осуществляя полной программы измерений. Например, избыточное содержание ионов аммония служит маркерным показателем бытового и сельскохозяйственного загрязнения.

В целом, гидроэкологические наблюдения включают в себя комплексное выполнение гидрологических, гидрохимических и гидробиологических наблюдений на озерах, реках, водохранилищах и прудах.

1.1 Методы гидрохимических исследований

Гидрохимические наблюдения направлены на изучение закономерностей гидрохимического режима водоема и выяснение влияния различных видов антропогенных воздействий (сброса сточных вод, мелиорации водосбора, построения гидротехнических сооружений) на естественный гидрохимический режим. В рамках этих задач проводятся сезонные наблюдения за физическими и химическими свойствами воды.

Для правильной оценки качества воды, характеристики его химико-биологического состояния, степени загрязнения требуется выполнить, по крайней мере, два условия: удовлетворительный анализ определенного минимума проб воды из конкретного водоема и их репрезентативность.

Под репрезентативностью проб понимают их соответствие поставленной задаче как по количеству и объему, так и по выбранным точкам и времени отбора, а также по технике отбора, предварительной обработке, условиям хранения и транспортировки.

Станции наблюдения на водоемах и водотоках (пункт контроля) организуются таким образом, чтобы обеспечить возможность получения объективной информации о фоновом состоянии различных типов водных объектов, поступлении загрязняющих веществ от внешних и внутренних источников загрязнения и транзите загрязняющих веществ через водные системы стационара.

На каждой станции наблюдения закладывается створ - условное поперечное сечение водоема или водотока, в котором производится комплекс работ для получения данных о качестве воды. Местоположение створа устанавливается с учетом гидрологических и морфологических особенностей водных объектов, а также функций, возложенных на станции (фоновая, контрольная, транзитная)

Створы станций должны располагаться:

- на реках, где отсутствует поступление загрязняющих веществ с водосбора от точечных или диффузных источников загрязнения;

- на водотоках в местах ниже локальных источников загрязнения;

- на верхних и нижних участках контролируемых водных объектов.

Предварительная обработка, транспортировка и хранение проб должны производиться таким образом, чтобы в содержании и составе определяемых компонентов и свойствах воды не происходило существенных изменений.

Отбор проб должен учитывать специфику водоема (морфология, гидрология, характер водосбора), т.е. все, чем определяется выбор места и частоты отбора, и специфику определяемых веществ (растворенное, взвешенное, коллоидное) т.е. все, что определяет в конечном итоге физические, химические и биологические свойства водного объекта.

В зависимости от цели исследования отбор проб может быть разовым (нерегулярным) и регулярным (или серийным).

Место отбора пробы выбирают в соответствии с целями анализа и на основании исследования местности. Чтобы исключить влияние случайных факторов чисто местного характера, не следует брать пробы воды на химический анализ в следующих пунктах:

- подверженных непосредственному влиянию притоков;

- вблизи населенных пунктов, если около них в данный водоем выводятся сточные воды или если берега загрязняются отбросами;

- около предприятий, загрязняющих воду отходами производства;

- в участках слабого водообмена, т.е. в застойных участках.

Пробы отбирают или смешанные по глубине, или в ряде точек в поперечном сечении на стрежне потока. Для малых потоков смешанная по глубине проба обычно равнозначна пробе, взятой в центре потока.

Основное требование к периодичности отбора проб на станциях наблюдений заключается в том, что их oтбор, даже при минимальной частоте, должен характеризовать состояние водного объекта в основные фазы водного режима.

Наиболее простое устройство для отбора проб представляет собой бутылка с широким горлом, погружаемая в водоем и вынимаемая после заполнения. Следует помнить, что емкость, в которой хранится проба, и ее пробка не должны:

- вносить загрязнения;

- абсорбировать и адсорбировать определяемый элемент;

- вступать в реакцию с определенными элементами, содержащимися в пробе.

Бутыли для проб перед использованием следует вымыть концентрированной соляной кислотой. Для обезжиривания используют синтетические моющие вещества. Сильно загрязненные стеклянные бутыли моют и обезжиривают хромовой смесью. Остатки использованного для мытья реактива полностью удаляют тщательной промывкой бутылей водопроводной водой, ополаскивают дистиллированной водой, дают воде стечь и высушивают. При отборе пробы посуду предварительно ополаскивают несколько раз исследуемой водой.

Основное правило - анализировать пробу как можно быстрее после отбора. Это в особенности важно при определении низких концентраций веществ, когда ошибка за счет адсорбции вещества на стенках контейнера при хранении может оказаться достаточно большой.

Анализируемое вещество может изменять свои свойства при хранении, транспортировке, в процессе анализа. Для того чтобы замедлить изменения, происходящие в пробе при хранении, применяется консервирование проб, т.е. добавление в пробу небольшого количества определенных веществ, не влияющих на результаты анализа. Применяемые методы консервации указаны в методиках определения конкретных показателей.

Решение сложного комплекса задач, связанных с охраной окружающей среды и рациональным использованием водных ресурсов, осуществляется на достаточно широкой и надежной экспериментальной основе - методиках химического анализа воды, развитие которых идет по пути дальнейшего повышения чувствительности, точности.

Наиболее часто при анализе природных вод используют фотометрические, титриметрические, потенциометрические методы, метод сравнения окраски исследуемой воды с эталонами и др.

Величина рН имеет большое значение для химических и биологических процессов, происходящих в природных водах. Она влияет на процессы превращения различных форм биогенных элементов, изменяет токсичность загрязняющих веществ. Определение рН в исследуемых водах проводится с помощью универсального иономера ЭВ-74, в основе работы которого лежит измерение электродвижущей силы цепей, составленных из индикаторного электрода и электрода сравнения.

Содержание основных макрокомпонентов поверхностных вод определяется методом титриметрического анализа.

Метод определения гидрокарбонатного иона (HCO₃^-) основан на взаимодействии бикарбонатов с соляной кислотой (HCl) с использованием индикатора метилоранжа. О величине щелочности судят по количеству израсходованной кислоты в ходе титрования.

Определение ионов кальция и магния (жесткость) проводится титрованием пробы воды трилоном Б с применением индикаторов хромогена черного и флуорексона. При определении величины общей жесткости исследуемую воду титруют раствором трилона Б с применением индикатора хромоген черный до перехода красно-фиолетовой окраски исследуемой воды в голубую. Обязательным условием при расчете общей жесткости является определение нормальности трилона Б [20].

При определении ионов кальция используется индикатор флуорексон, а переход зеленовато-розового флуоресцирующего цвета титруемого раствора в розовый свидетельствует о конце титрования. Титрование пробы производится раствором трилона Б. Содержание магния вычисляется арифметическим путем.

Определение содержания ионов хлора (Сl^-) при анализе неокрашенных и окрашенных вод проводится аргентометрическим методом с использованием для титрования азотнокислого серебра, по использованному объему которого судят о содержании хлора. В качестве индикатора для определения конца титрования используется порошок хромовокислого калия (K₂CrO₄), в результате чего образуется осадок хромата серебра красного цвета.

Колориметрический метод позволяет установить концентрацию определенного вещества в растворе по интенсивности окраски раствора.

Нитрит-ионы (NO₂^-) являются одной из форм соединений азота, необходимых для жизнедеятельности наземных и водных организмов. В основе метода лежит определение нитритов с применением реактива Грисса, окрашивающего исследуемую воду в розовый цвет разной интенсивности в зависимости от концентрации (NO₂^-). Содержание нитритов находят по калибровочной кривой [35].

Фосфат-ионы (PO₄^.-3). Метод их определения основан на взаимодействии фосфатов с молибдатом в кислой среде с образованием фосфорно-молибденовой гетерополикислоты H₇[P(Mo₂0₇)₆l28Н₂О восстановлением ее аскорбиновой кислотой в присутствии сурьмяновиннокислого калия до фосфорно-молибденового комплекса, окрашенного в голубой цвет. Содержание фосфатов находят по графику. В случае разбавления исследуемой воды содержание фосфатов определяется по формуле, учитывающей степень разбавления воды.

Турбидиметрический метод определения сульфатов (SO₄^-) основан на измерении интенсивности помутнения растворов, содержащих сульфатные ионы, в присутствии смешанного реактива (смесь солей бария BaCl_2, гликоля и этилового спирта) и соляной кислоты, используемой для создания кислой среды и удаления влияния гидрокарбонатов и карбонатов. Содержание сульфатов находят по калибровочному графику. В случае высокого содержания сульфатов исследуемую воду разбавляют дистиллированной водой и концентрацию определяют по формуле аналогично фосфат-ионам.

Определение цветности проводится визуальным методом (метод сравнения с искусственными стандартами). В чистую пробирку до метки наливают исследуемую воду. Помещают пробирку над белой поверхностью (лист бумаги) и смотрят вертикально вниз через столбик жидкости. Методом сравнения подбирают пробирку из набора шкалы цвет раствора, в которой соответствует цвету исследуемой воды. Записывают номер пробирки, а затем по таблице определяют соответствующий ему градус цветности.

Перманганатная окисляемость (содержание легко окисляемого органического вещества) определяется методом Кубеля. Сущность этого метода заключается в том, что при титровании раствора перманганат, восстанавливаясь, обесцвечивается и после перехода точки эквивалентности малейший избыток окрашивает титруемый раствор в розовый цвет. Титрование перманганатом происходит в сернокислой среде при кипячении. Метод можно использовать для проб, окисляемость которых ниже 100 мг/л. Перманганатная окисляемость вычисляется по формуле с предварительным определением нормальности калия перманганата (KMnO₄) [37].

Сумма ионов (общая минерализация) определяется арифметически (полученная концентрация ионов суммируется) и выражается в мг/л (мг/дм³).

При гидрохимическом мониторинге определяется количественное содержание элементов основного солевого состава, биогенных и загрязняющих веществ на момент отбора пробы. Гидрохимический мониторинг позволяет дать оценку экологического состояния водных объектов, сформировавшегося за предыдущий период. Гидрохимические наблюдения в местах потенциальных источников загрязнения, в устьях притоков, на трансграничных участках водотоков проводятся ежемесячно. В пробах поверхностных вод определяется более 35 гидрохимических показателей и ингредиентов, характеризующих качественный состав водных объектов.

Периодичность гидрохимических наблюдений определяется с учетом комплекса факторов: размер и водность рек, их хозяйственное назначение, характер и уровень антропогенной нагрузки на водоток. Водоемы обследуются 4 раза в год: в зимний период, период окончательного весеннего половодья, период летней межени и период предшествующий ледоставу.

Критериями оценки степени загрязненности воды являются предельно допустимые концентрации (ПДК) веществ, установленные для водоемов и водотоков рыбохозяйственного использования (табл. 1.1). При одновременном использовании водного объекта по нескольким видам водопользования приоритет отдается наиболее жестким нормам.

В гидрохимической практике используется и метод интегральной оценки качества воды, по совокупности находящихся в ней загрязняющих веществ и частоты их обнаружения. Для интегральной оценки качества вод по гидрохимическим показателям и определения динамики состояния в целом производится расчет индекса загрязненности вод (ИЗВ), являющегося межингредиентно интегрированным поллютометрическим показателем.

Таблица 1. Нормирование качества воды [26]

Показатель	Вода водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения	Питьевая вода
рН	6,5 - 8,5	-
окраска (цвет)	Х/П не обнаруживается на столбике 20 см, К/Б не обнаруживается на столбике 10 см	-
мутность	-	1,5 по стандартной шкале
запах	менее 2 баллов	2 балла (при темп. 20 и 600 С)
сухой остаток	менее 1000 мг/л	1000 мг/л
окисляемость	Х/П - 15 мгО/л	не нормирована
растворенный кислород	менее 4 мг/л	-
общая жесткость	до 7 мг-экв/л	7 мг-экв/л
аммиак и ионы аммония	2 мг/л (по N) или 2,6 мг/л (по NH4+)	2 мг/л (по N)
нитриты	3,3 мг/л (по NO2-) или 1 мг/л (по N)	-
нитраты	45 мг/л (по NO3-) или 10 мг/л (по N)	45 мг/л
хлориды	До 350 мг/л	350 мг/л
сульфаты	До 500 мг/л	500 мг/л
мышьяк	0,05 мг/л	0,05 мг/л
алюминий (остаточный)	0,5 мг/л	0,5 мг/л
железо	0,3 мг/л	0,3 мг/л
кадмий	0,001 мг/л	0,001 мг/л
марганец	0,1 мг/л	0,1 мг/л
медь	1 мг/л	1 мг/л
никель	0,1 мг/л	0,1 мг/л
свинец	0,03 мг/л	0,03 мг/л
стронций	7 мг/л	7 мг/л
хром (VI)	0,05 мг/л	0,05 мг/л
хром (III)	0,5 мг/л	0,5 мг/л
цинк	1 мг/л	5 мг/л
метанол	3 мг/л	-
многосернистая нефть	0,1 мг/л	-
бензин	0,1 мг/л	-
керосин	0,01 мг/л	-
ПАВ	0,5 мг/л	-
фенолы	Х/П - 0,001 мг/л	-

В этом методе для каждого ингредиента на основе фактических концентраций рассчитывают баллы кратности превышения ПДК_вр -- К_i и повторяемости случаев превышения Н_i, а также общий оценочный балл -- B_i:

K_i = C_i / ПДК_i (1.1);

H_i=N_ПДКi / N_i (1.2);

B_i=K_i·H_i (1.3);

где С_i -- концентрация в воде i-го показателя;

ПДК_i -- предельно допустимая концентрация по i-му показателю;

N_ПДКi -- число случаев превышения ПДК по i-му показателю;

N_i -- общее число измерений i-го показателя.

Ингредиенты, для которых величина общего оценочного балла больше или равна 11, выделяются как лимитирующие показатели загрязненности (ЛПЗ). Комбинаторный индекс загрязненности рассчитывается как сумма общих оценочных баллов всех учитываемых ингредиентов. По величине комбинаторного индекса загрязненности устанавливается класс загрязненности воды (табл. 2).

Таблица 2. Классификация качества поверхностных вод [34]

Класс качества воды	Величина ИЗВ	Характеристика качества
I	ИЗВ 0,3	чистая
II	0,3ИЗВ1,0	относительно чистая
III	1,0< ИЗВ2,5	умеренно загрязненная
IV	2,5< ИЗВ4,0	загрязненная
V	4,0< ИЗВ6,0	грязная
VI	6,0< ИЗВ10,0	очень грязная
VII	ИЗВ > 10,0	чрезвычайно грязная

Расчет индекса загрязненности воды (ИЗВ) осуществляется по шести приоритетным показателям качества воды по следующей зависимости:

ИЗВ = Сi / ПДКi (1.4);

где С_i концентрация i-го показателя в воде,

ПДК_i - его предельно допустимая концентрация по i-му показателю, исходя из принятого обобщенного перечня допустимых концентраций.

Определение ИЗВ основано на вычислении среднегодовых концентраций 6 ингредиентов, из которых 2 - обязательные: растворенный кислород и биохимическое потребление кислорода (БПК₅), остальные 4 выбираются исходя их приоритетности превышений ПДК. При оценке ИЗВ на основании данных Национальной системы мониторинга окружающей среды используются следующие 4 дополнительных параметра: азот аммонийный, азот нитритный, цинк, нефтепродукты.

1.2 Методы гидробиологических исследований

Гидробиологические наблюдения включают изучение развития фитопланктона, зоопланктона, макрофитов, перифитона, зообентоса и других групп водного населения, а также контроль за изменением биологического разнообразия и получение оценки трофического статуса водоема. Наблюдения на реках проводятся не менее трех раз в год.

Методика гидробиологических исследований в основном сводится к учету качественного и количественного состава населения в водоемах, непосредственному наблюдению за жизнью гидробионтов в естественных или искусственных условиях и постановке эксперимента. Учет населения в водоемах может быть качественным, когда устанавливается видовой и возрастной состав гидробионтов в районе исследования, и количественным, когда получают сведения о количестве тех или иных особей в популяции и в разных экологических группировках.

Количественный учет основывается на принципе отбора проб определенного объема или с определенной поверхности. Количество обнаруженных организмов выражают либо числом, либо их весом (биомассой) с пересчетом на единицу объема или поверхности грунта. Иногда количество организмов выражается в энергетических единицах - калориях. Для этой цели производят сжигание найденных в пробе организмов (различные методы мокрого сжигания), либо пользуются различными расчетными формулами. Например, установлено, что калорийность сухого вещества бентосных и планктонных организмов довольно хорошо выражается уравнением:

y = 0,058x - 0,169 (1.5);

где у - калорийность кал/г,

х - процентное содержание беззольного вещества.

В качестве показателя обычности особей данного вида вычисляется их частота встречаемости, под которой понимается процентное отношение числа проб, где данные организмы встречены, ко всему числу взятых проб. Частота встречаемости зависит от величины пробы: чем больше облавливаемые участки, тем выше вероятность встречи на них данного организма. Для одновременной характеристики количества и обычности гидробионтов используется индекс плотности, представляющий собой среднее геометрическое между биомассой гидробионта, отнесенной к 1 мІ, и частотой встречаемости (т.е. квадратный корень из произведения биомассы на частоту встречаемости). Формы, встречающиеся часто и в значительных количествах, называются доминантными, или руководящими, имеющие меньшее значение - субдоминантыми, или характерными, встречающиеся еще реже - второстепенными, и совсем редко - случайными. Под индексом доминирования понимается процентное содержание числа (веса) всех особей данного вида к числу (весу) особей всех видов в пробе. Для установления степени общности видового состава организмов на сравниваемых участках вычисляют коэффициент видовой общности (К) по формуле:

К = C Ч 100/ D (1.6);

где С - число общих видов,

D - общее число видов на участках.

Учет пелагических организмов производится путем профильтровывания определенного объема воды сквозь сеть Джеди с определенным размером ячеи, центрифугированием взятых образцов воды, отстаиванием отобранной пробы и непосредственным подсчетом организмов в ней. При сетных ловах планктона сеть с ячеей нужного размера опускается на требуемую глубину и медленно поднимется вверх так, чтобы вода, поступающая во входное отверстие, успевала фильтроваться через шелковый газ. Отцеживаемые организмы скапливаются в стаканчике, которым внизу заканчивается конусообразная сетка. Зная величину входного отверстия сети и пройденное ею расстояние, можно определить объем профильтровавшейся сквозь нее воды и затем отнести к нему биомассу или число обнаруженных в стаканчике организмов. Если необходимо обловить слой на определенной глубине, то пользуются сетками, замыкание которых осуществляется на нужной глубине посыльным грузом.

Сбор проб центрифужного, отстоенного и фильтруемого планктона может производиться с помощью батометра, который на заданной глубине закрывается с помощью посыльного груза и приносит пробу определенного объема. Пробы воды либо центрифугируются, либо отстаиваются, либо пропускаются под давлением через нужные фильтры. Отделенные от воды организмы взвешивают или же определяют их объем.

Учет бентосных организмов производится с помощью дночерпателей, которые, опускаясь на дно, вырезают монолит грунта определенной величины. Различают дночерпатели, вдавливаемые в грунт с помощью прикрепленной к ним штанги и опускаемые на тросе, которые врезаются в грунт в результате работы механизмов, использующих для захвата монолита силу тяжести прибора. Для учета количества организмов в различных горизонтах грунта используются стратификационные дночерпатели. В них добытый образец грунта разрезается по вертикали на отдельные слои, каждый из которых вынимается из прибора отдельно. Пробы грунта промываются сквозь сита с нужной ячеей, организмы из промытой пробы выбираются, подсчитываются и взвешиваются [18].

Оценка качества поверхностных вод по гидробиологическим показателям проводится с помощью методов биоиндикации, основанных на изучении структуры гидробиоценозов и их отдельных компонентов. Для биондикации поверхностных вод с помощью планктонных сообществ и водорослей обрастания используется метод сапробиологического анализа Пантле и Букка в модификации Сладечека. Индекс сапробности определяется по формуле:

S = У (sh)/ Уh (1.7);

где h - относительная частота встречаемости,

s - индикаторная значимость вида.

Относительную частоту встречаемости определяют по глазомерной шкале. Индикаторную значимость узнают по списку индикаторных видов: каждому виду соответствует определенное значение.

Оценка качества среды посредством анализа сообществ донных отложений проводится с использованием общепринятых методов биотических индексов (по видовому разнообразию и показательных значениям таксонов) и индекса Гуднайта-Уитлея (по относительной численности олигохет).

Общая оценка класса качества поверхностных вод и донных отложений в каждом из конкретных случаев выполняется по совокупности гидробиологических показателей с учетом экологических особенностей как водных объектов в целом, так и его отдельных компонентов.

Видовая структура биоценоза характеризуется не только числом видов в его составе (видовым разнообразием), но и соотношением их численностей. Состав и уровень количественного развития водных беспозвоночных организмов является высокочувствительным показателем степени загрязнения водоема и нарушения чистоты его вод.

Количественное соотношение видов в биоценозе выражается индексом видового разнообразия (Н) и обычно определяется по формуле Шеннона:

-У с_i log₂ с_i, (1.8);

где с_i - доля каждого вида в сообществе. Чем выше значения индекса Шеннона, тем более стабильной и благополучной считается среда обитания гидробионтов [11].

Классификация качества воды по гидробиологическим показателям приведена в табл. 3 и соответствует ГОСТу.

Таблица 3. Классификация качества вод суши по гидробиологическим показателям [21]

Класс качества воды	Степень загрязнения воды	Гидробиологические показатели
		фитоплактон, зоопланктон, фитоперифитон	Макрозообентос
		индекс сапробности по Пантле и Букку (в модификации Сладечека)	отношение общей численности олигохет к общей численности донных организмов,%, (индекс Гуднайта -Уитлея)	биотический индекс по Вудивиссу, баллы
I	Очень чистые	менее 1,00	1 -20	10
II	Чистые	1,00-1,50	21 -35	7-9
III	Умеренно загрязненные	1,51 -2,50	36-50	5-6
IV	Загрязненные	2,51 -3,50	51 -65	4
V	Грязные	3,51 -4,00	66-85	2-3
VI	Очень грязные	более 4,00	86-100 или макрозообентос отсутствует	0-1

Результаты гидробиологических наблюдений позволяют охарактеризовать пространственное распределение и выявить тенденции многолетней динамики уровня загрязнения водных объектов и их экологического состояния, оценить результаты природоохранных мероприятий.

Таким образом, среди гидроэкологических исследований основная роль принадлежит гидрохимическим и гидробиологическим наблюдениям. При гидрохимических наблюдениях проводится отбор проб, анализ проб, сравнение результатов с предельно допустимыми концентрациями, расчет индекса загрязнения воды (ИЗВ), на основе которого проводится оценка качества воды. Наиболее часто при анализе природных вод используют фотометрические, титриметрические, потенциометрические методы, метод сравнения окраски исследуемой воды с эталонами.

Гидробиологические наблюдения включают изучение развития фитопланктона, зоопланктона, макрофитов, перифитона, зообентоса и других групп водного населения. Оценка качества поверхностных вод выполняется по совокупности гидробиологических показателей (индекс сапробности по Пантле и Букку, индекс Гуднайта-Уитлея, биотический индекс) с учетом экологических особенностей как водных объектов в целом, так и его отдельных компонентов.

Глава 2. Физико-географическая характеристика Витебского района

Поверхность Витебского района преимущественно холмисто-равнинная. Общий наклон территории отмечается с северо-востока на юго-запад. В центре и на востоке района расположена Витебская возвышенность, на западе - Шумилинская равнина, на северо-востоке - Суражская низменность с высотами 150-160 м (рис. 2.1). Около 70% территории района находится на высоте 150-200 м, в том числе 47% - 160-180 м. Максимальная высота составляет 266,8 м (возле с. Хомутовка), наиболее низкая отметка не превышает 120 м (врез Зап. Двины около д. Старое Село) [29].

В тектоническом отношении район приурочен к Оршанской впадине. Общая мощность платформенного чехла составляет 1400-1500 м [6]. В пределах района находится Витебская мульда, отрицательная структура 2-го порядка, северная составная часть Оршанской впадины. Она простирается в субмеридиональном направлении почти на 100 км, шириной 70-80 км.

Витебский район расположен в области Белорусского Поозерья и находится в зоне распространения льдов последнего оледенения [41]. Особенность рельефа заключается в его значительной контрастности, что характерно в первую очередь для краевых образований, где широко представлены ледниково-седиментационные и ледниково-экзарационные типы рельефа. Характерно сочетание конечно-моренных гряд с широкими и плоскими днищами озерно-ледниковых равнин, котловин и речных долин. Выделяются следующие геоморфологические районы:

Шумилинская моренная равнина. Поверхность равнины тяготеет в основном к интервалу высот 150-180 м. По долинам рек абсолютные отметки снижаются до 140-145 м. Глубина расчленения рельефа составляет 5-10 м/км². Средняя густота расчленения достигает 0,27 м/км². Реки равнины принадлежат бассейну Западной Двины. Глубина вреза долин варьирует от 5-7 до 25 м, ширина достигает 0,5-0,6 км.

Доминирующей формой рельефа является плоская и пологоволнистая моренная равнина, сложенная валунными супесями и суглинками. Колебания относительных высот в пределах равнины не превышают 5-7 м; многочисленны термокарстовые западины диаметром до 100-200 м и глубиной 2-3 м. Ложбины стока ледниковых вод отличаются пологими склонами, широкими (до 1 км) днищами. Рытвинные ложбины имеют большую глубину (до 20-30 м), значительную ширину (до 2-3 км), с ними связана система озер, к их бортам приурочены озы и камы. Высота озовых гряд составляет 5-12 м, ширина их у основания достигает 150-250 м, склоны крутые. Встречающиеся на территории камы имеют вид пологосклонных холмов высотой до 20 м, наиболее крупные из них достигают 0,5-0,6 км в диаметре [8].

Суражская ледниково-озерная равнина. Поверхность приурочена преимущественно к абсолютным высотам 150-160 м. Урез воды в Западной Двине находится на высоте 125-130 м. Глубина расчленения для всей территории не превышает 5-10 м/км², а на придолинных участках увеличивается до 20 м/км²; густота расчленения составляет около 0,3 м/км². Речная сеть Суражской равнины принадлежит бассейну Западной Двины, которая принимает здесь справа Усвячу, а слева - Касплю.

В пределах района преобладающей категорией рельефа является ледниково-озерная равнина. Равнина сложена супесями, глинами, тонко- и мелкозернистыми песками. Довольно часто встречаются эоловые холмы и серповидные дюны высотой до 15 м, максимальная их длина достигает 0,3-0,4 км. Дюны сложены песком светло-желтым, мелко- и тонкозернистым, полевошпатово-кварцевым, слоистым [8].

Лучесская ледниково-озерная равнина. Современная поверхность приурочена к абсолютным высотам 140-180 м. В долине Лучесы отметки снижаются до 125-140 м (наименьший уровень 123,8 м - урез воды в устье Лучесы). Глубина расчленения большей части района находится в пределах 5-10 м/км². Густота расчленения составляет около 0,5 м/км². В долинах выделяется пойма высотой 1-1,5 м и шириной до 500 м. Глубина вреза не превышает 8-10 м [8].

Большую часть территории района занимает ледниково-озерная равнина. Рельеф поверхности плоский или волнистый. Встречаются острова основной морены, камовые массивы, достигающие 5-6 км в поперечнике и имеющие высоту до 20 м, рытвинные ложбины.

Витебская краевая ледниковая возвышенность. Она расположена между Суражской равниной на севере и Лучесской равниной на юге. В структурном отношении эта территория тяготеет в основном к Витебской мульде Оршанской впадины. Ложем антропогеновых отложений повсеместно служат доломиты, известняки и глины верхнего девона. Мощность антропогеновых отложений изменяется от нескольких метров до 150-160 м, составляя в среднем 50-60 м. Рельеф ложа антропогенового чехла Витебской возвышенности расчленен слабо, здесь отмечается общее поднятие пород девона с абсолютными высотами более 120 м.

Гидрографическая сеть возвышенности представлена низовьями Лучесы и небольшими притоками Каспли и Западной Двины. Реки имеют узкие, слабо выработанные долины, глубина вреза которых достигает 20-30 м. Озер немного, наиболее крупные из них Вымно и Яновичское.

Центральную, наиболее высокую часть слагают Витебско-Колышкинские краевые образования, которые тянутся в широтном направлении на 25-30 км от Витебска. Ширина этой полосы составляет 5-8 км. К северу от них протянулась пологоволнистая равнина, частично перекрытая маломощным чехлом лессовидных пород.

Территория района размещена в западной области умеренного пояса и имеет континентальный тип климата. Район принадлежит к Суражско-Лучесскому и Городокско-Витебскому агроклиматическим районам.

Солнечная радиация. Приход суммарной солнечной радиации колеблется в пределах 3600-3800 мДж/м² в год [9]. В годовом ходе наблюдаются сезонные изменения по количеству и по составу: в июле она в 9 раз больше, чем в январе, и на 50-52% состоит из прямой солнечной радиации, а в январе на ее долю приходится всего 20-30% суммарной. Самые солнечные месяцы - июнь и июль, на которые приходятся максимальные значения прямой солнечной радиации. Минимум наблюдается в январе.

Радиационный баланс. В среднем за год радиационный баланс положительный и составляет примерно 1500 мДж/м². Четыре месяца в году (ноябрь-февраль) баланс отрицательный. В марте и апреле радиационный баланс резко увеличивается в результате быстрого роста суммарной радиации и уменьшения альбедо. Самое большое суммарное значение радиационного баланса приходится на июнь. К осени он уменьшается и в ноябре становится отрицательным. За год около 84% радиационного тепла тратится на испарение, 16% - на нагревание атмосферы.

Атмосферное давление. Атмосферное давление в среднем за год составляет около 995 гПа. Максимальное давление устанавливается в январе. Летом над прогретой сушей давление понижается, наименьшее отмечается в июле, ниже всего оно в глубоких циклонах. Среднемесячные значения давления изменяются в интервале 3-6 гПа. Наиболее резкие перепады давления между абсолютными максимумами и минимумами отмечаются в декабре-январе (70-80 гПа), а наименьшие - в июле (35-50 гПа) [9].

Температура воздуха. Годовая температура воздуха характеризуется значительной изменчивостью. Минимальные среднемесячные значения температуры наблюдаются в январе, максимальные - в июле. Среднемесячная температура воздуха колеблется в январе от минус 1,8 ⁰С до минус 16,7 ⁰С, в июле - от +15 ⁰С до +21,8 ⁰С [28].

Годовой абсолютный минимум температуры воздуха ниже минус 38 ⁰С и абсолютный максимум больше +35 ⁰С наблюдается не чаще чем раз в 20 лет. Средняя температура поверхности почвы зимой достигает минус 8 ⁰С [9].

Первый заморозок в воздухе отмечается в среднем 29 сентября, последний - 7 мая. Продолжительность безморозного периода - 144 дня.

Осадки. Район относится к зоне достаточного увлажнения. Среднегодовое количество осадков составляет 620 мм, наибольшее количество выпадает в июле (93 мм), а наименьшее - в феврале (30 мм).

Годовой ход абсолютной влажности совпадает с ходом температур: максимум наблюдается летом, минимум - зимой. Относительная влажность воздуха достигает максимума в зимний период (88-90% в ноябре-декабре), а весной и летом она понижается (в мае минимальная - 65-70%) [9].

В засушливые годы выпадает не более 400 мм осадков. Раз в 7 лет отмечается более 740 мм осадков. В теплую пору года (апрель-октябрь) выпадает 70% годовой суммы осадков. Самые влажные месяцы - июль и август (93 и 82 мм). Осадки выпадают в основном в виде дождя (76-84%). Выпавшие твердые осадки формируют снежный покров, средняя максимальная высота которого достигает 27 см, в отдельные годы - до 55 см, а продолжительность залегания составляет примерно 130 дней [28].

Реки относятся к Западно-Двинскому и Верхнеднепровскому гидрологическим районам. Крупнейшие реки Западная Двина с притоками Усвяча, Лужеснянка, (слева) и Каспля с Вымнянкой, Витьба, Лучеса с Суходровкой (справа). Густота природной речной сети достигает 0,45 км/км². Общая протяженность осушительной сети не превышает 1,3 тыс. км, в том числе магистральных каналов - 560 км, регулирующих каналов - около 430 км.

Западная Двина. Длина реки в пределах района составляет примерно 80 км, средний уклон водной поверхности равен 0,12 ‰. Долина имеет трапециевидную форму, в районе г. п. Руба - каньонообразную. Ширина ее в основном составляет 3-4 км. Глубина вреза изменяется от 20-30 до 40-50 м. В строении долины выделяются пойма и две надпойменные террасы [2].

Пойма в пределах Суражской равнины узкая, имеет до 60 м. Различают два ее уровня: низкий (1,5-2 м над летним урезом реки, заливается каждый год) и высокий (4-5 м, заливается после многоснежных зим). Ширина низкой поймы варьирует от 40 до 50 м, а высокой не превышает 15-20 м. Русло реки извилистое, зарастает преимущественно возле берегов. Его ширина колеблется от 100 до 150 м. [2].

Первая надпойменная терраса в пределах Суражской равнины имеет ширину 2-2,5 км, высота ее варьирует от 7-9 до 10-12 м. Терраса эрозионно-аккумулятивная, мощность аллювия обычно не превышает 3-5 м на участках выше Витебска и 6-9 м - ниже. Вторая надпойменная терраса, также эрозионно-аккумулятивная, превышает урез воды в русле на 15-19 м. Ближе к Витебску выделяется эрозионная терраса на высоте 26-33 м, образованная потоками флювиогляциалов [39].

Берега Западной Двины умерено-крутые, супесчаные, высотой до 8 м. Питание реки смешанное (преимущественно снеговое). Особенность режима - высокое весеннее половодье, низкая летне-осенняя межень с частыми дождевыми паводками, устойчивая зимняя межень. На период весеннего половодья приходится 56%, летне-осеннюю межень - 33%, зимний период - 11% годового стока. Весеннее половодье длится 60-70 дней (с конца марта до 1-й декады июня) [1]. Летне-осенняя межень длится 4-5 месяцев, нередко нарушается дождевыми паводками высотой до 6 м. Зимняя межень продолжается около 70-80 дней. Река замерзает в 1-й декаде декабря, наибольшая толщина льда достигает 50-78 см (февраль-март). Весенний ледоход длится 4-10 дней. Наибольший расход воды около Витебска составляет 3320 м³/с и не изменяется с течением времени [10].

Витьба, левый приток Западной Двины. Длина реки составляет 33 км, площадь водосбора достигает 275 км². Среднегодовой расход воды в устье равен 1,8 м³/с, уклон водной поверхности - 2,9 ‰ [2]. Основные притоки: Горновка (слева) и Сильница (справа).

Вымнянка, левый приток Каспли, имеет длину 38 км, площадь водосбора 357 км². Среднегодовой расход воды в устье достигает 1,4 м³/с, уклон водной поверхности не превышает 1,7 ‰. Основной приток - Половец. Долина трапециевидная, шириной 300-500 м, пойма прерывистая, ширина ее достигает 500 м. Русло извилистое, его ширина не превышает 6-10 м [1].

Каспля, левый приток Западной Двины, длина 20 км, площадь водосбора составляет 513 км², среднегодовой расход воды в устье равен 35 м³/с, уклон водной поверхности не превышает 0,2 ‰. Основной приток - Вымнянка.

Долина трапециевидная, шириной 300-400 м. Русло слабоизвилистое, шириной 40-50 м. Наивысший уровень половодья в 1-й декаде марта, замерзает в 1-й декаде декабря. Наибольшая высота над меженным уровнем - 9 м.

Лучеса, левый приток Западной Двины, имеет длину 90 км, площадь водосбора достигает 3510 км², среднегодовой расход воды в устье - 21,4 м³/с, уклон водной поверхности - 0,3%. Основные притоки - Суходровка и Оболянка. Долина трапециевидная, в верховье невыраженная, ширина ее достигает 400-600 м. Пойма прерывистая, чередуется по берегам, более развита на левобережье, ширина 300-500 м. Русло шириной 20-30 м, в низовье - до 60 м. Наивысший уровень половодья начинается в начале апреля, средняя высота над меженным уровнем составляет 6,6 м, наибольшая достигает 9,9 м. Река замерзает в конце 1-й декады декабря. Весенний ледоход длится 3 дня.

Суходровка, правый приток реки Лучеса, длиной 66 км, площадь водосбора 519 км². Среднегодовой расход воды в устье около 3,3 м³/с, уклон водной поверхности достигает 1,7%. Долина трапециевидная, ширина 300-600 м, есть сужения до 50 м. Пойма чередуется по берегам, в верхнем течении местами отсутствует, преобладающая ширина 100-300 м.

Лужеснянка, правый приток Западной Двины, длина реки 32 км, площадь водосбора около 700 км², среднегодовой расход в устье составляет 4,6 м³/с, уклон водной поверхности не превышает 0,9 ‰. Долина корытообразная, на большей части узкая, шириной 200-400 м. Пойма двухсторонняя и прерывистая, местами отсутствует, ширина 80-100 м. Русло извилистое, шириной 12-20 м, в верхнем течении 5 м [1].

Усвяча, правый приток Западной Двины, длина реки 31 км, площадь водосбора составляет 740 км², среднегодовой расход воды в устье равен 15,9 м³/с, уклон водной поверхности достигает 0,15%. Долина трапециевидная, шириной от 50 м до 3 км. Пойма двухсторонняя, чередуется по берегам, ширина 200-300 м. Русло слабоизвилистое и извилистое, неразветвленное. Половодье обычно начинается в конце марта, продолжительность 65 дней. Наибольшее превышение над меженью составляет 2,9 м.

В районе находится также около 30 озер, крупнейшие из которых:

Озеро Зароново имеет площадь 3,61 км², наибольшая глубина составляет 13,5 м. Длина озера не превышает 7,6 км, наибольшая ширина равна 1,05 км, длина береговой линии достигает 21,3 км, объем воды составляет 23,11 млн. м³, площадь водосбора - 147 км². Склоны котловины имеют высоту 10-17 м, распаханы, частично под лесом и кустарником. Берега песчаные и песчано-галечные, участками совпадают со склонами. Мелководье широкое, песчаное, вдоль берегов - песчано-галечное с валунами. Глубоководная часть илистая. Водоем зарастает до глубины 2-3 м [40].

Озеро Вымно занимает площадь 2,1 км², максимальная глубина достигает 9,6 м. Длина озера составляет 2,95 км, наибольшая ширина не превышает 1,09 км, длина береговой линии около 7,6 км. Объем воды примерно 11,12 млн. м³, площадь водосбора равна 97,8 км². Озеро расположено в бассейне реки Каспля. Склоны котловины высотой 5-8 м, в верхней части распаханы. Берега низкие, на западе сливаются со склонами. Дно выстлано песком, на глубине - глиной. Растительность вдоль берегов создает полосу шириной 20-90 м.

Озеро Яновичское имеет площадь 1,46 км², наибольшая глубина достигает 7 м. Длина озера не превышает 2,82 км, наибольшая ширина равна 0,87 км, длина береговой линии около 7,43 км, объем воды примерно 5,65 млн. м³, площадь водосбора составляет 31,3 км². Склоны котловины высотой 4-8 м, в верхней части распаханы, в нижней - задернованы, под кустарником. Дно до глубины 1,5-2,5 м песчаное, ниже - илистое. Озеро зарастает до глубины 2 м.

Озеро Сосна занимает площадь 1,1 км², наибольшая глубина составляет 9,4 м. Длина озера равна 2,64 км, наибольшая ширина не превышает 0,82 км, длина береговой линии - 7,53 км, площадь водосбора составляет 5 км², объем воды равен примерно 4,01 млн. м³. Озеро размещено в бассейне реки Лужеснянка. Склоны котловины высотой 5-7 м, на северо-востоке и востоке распаханы, на западе заросли лесом. Берега сливаются со склонами высотой 0,4-0,7 м, задернованы, на юго-востоке заболочены. Дно до глубины 3 м песчаное, ниже выстлано илом и сапропелем [40].

Территория района расположена в пределах Сенненско-Россонско-Городокского и Витебско-Лиозненского агропочвенных районов Северо-восточного почвенного округа. Структура почвенного покрова следующая (в%): дерновые и дерново-карбонатные 0,4, дерново-подзолистые 43,6, дерново-подзолистые заболоченные 38,8, дерновые и дерново-карбонатные заболоченные 9,4; пойменные заболоченные 3,5; торфяно-болотные 4,3.

По механическому составу выделяют (в%): суглинистые 77,2, супесчаные 15,6, песчаные 2,9, торфяные 4,3 [28].

Сенненско-Россонско-Городокский район дерново-подзолистых суглинистых почв, развивающихся на моренных валунных суглинках. Большая пестрота и многообразие форм, частая смена рельефа обусловливает смену почвенного покрова. Разнообразие форм рельефа приводит к перераспределению на территории атмосферных осадков. С повышенных участков вода быстро стекает в понижения. Поэтому вершины холмов страдают от недостатка, а понижения - от избытка влаги [30].

Сложность рельефа обусловливает мелкоконтурность угодий. В районе преобладают дерново-подзолистые среднеоподзоленные, местами слабо- и среднеэродированные почвы, развивающиеся на легких моренных и водно-ледниковых суглинках, нередко подстилаемых песками. Однако на отдельных буграх и грядах развиваются дерново-подзолистые слабооподзоленные почвы, на каменисто-гравийных песках, моренных супесях и суглинках. Плоскостная эрозия развита повсеместно. На вершинах холмов, гряд и грив она сильно выражена, что приводит к полному разрушению перегнойного горизонта и на поверхность выходит моренный суглинок или намытые пески [30].

Витебско-Лиозненский район дерново-подзолистых пылевато-суглинистых и супесчаных почв. К данному агропочвенному району относится восточная часть Витебского района. Рельеф территории крупнохолмистый, местами сильно расчленен. Почвообразующими породами являются моренные, водно-ледниковые суглинки и супеси. Преобладающие почвы - дерново-подзолистые сильно- среднеоподзоленные, местами слабоэродированные на легких водно-ледниковых слабозавалуненных суглинках, подстилаемых моренными суглинками. Торфяно-болотные занимают до 2% территории. По механическому составу почвы разделяются на суглинистые (61%), супесчаные (36%), песчаные (2%).

Растительность принадлежит к Западно-Двинскому геоботаническому округу, а именно к Суражско-Лучесскому геоботаническому району. Под лесами, которые относятся к подзоне дубово-темнохвойных лесов, занято 32% территории района [17]. Наибольшие массивы, по площади до 60 км², расположены на северо-востоке района, в центре лесные массивы занимают площадь 6-8 км², на юг они увеличиваются до 15-20 км². Видовой состав лесов следующий (в%): сосновые 30, еловые 17, березовые 30, осиновые 8, черноольховые 5, сероольховые 7, ясеневые 2, дубовые 1. Около 10% лесов - искусственные, в основном сосновые насаждения [28].

Среди сосновых лесов около 85% имеют средний возраст 50-55 лет. Преобладают бореальные виды с подростом ели и хорошо развитым подлеском, в напочвенном покрове встречаются щитовник, дереза сплюснутая, майник. Особое место занимают сосняки на переходных и верховых болотах, на которых можно найти березу карликовую, морошку. Среди сосняков наиболее распространенные типы: моховые, черничные, долгомошные, сфагновые.

Еловые леса занимают территорию, которая сложена суглинистыми и глинистыми породами, в независимости от того, повышенные или пониженные это участки. Ельникам свойственны в первом-втором ярусах березы, осины часто с различным покровом изо мхов и бореальных видов травянистых растений. По окраинам болот растут своеобразные травяно-осоковые и осоко-сфагновые леса, выполняющие водорегулирующую роль - они способствуют постепенному переводу поверхностных вод в грунтовые.

Березовые леса распространены на месте коренных хвойных и широколиственных лесов в результате природных или антропогенных сукцессий или природного зарастания сельскохозяйственных угодий и относятся к вторичным лесам. Подлесок березняков не отличается большим разнообразием. Как правило, в кустарниковом ярусе и покрове преобладают бореальные виды. Для большинства типов березовых лесов характерно присутствие в напочвенном покрове злаковых. Еще одной особенностью березовых лесов Витебского района является их средний возраст, составляющий около 35-40 лет.

Общая площадь лугов 41,5 тыс. га. Суходолы занимают 49,2%, низинные 43,6%, заливные 7,2%. Пойменные луга развиты незначительно и заняты низинными лугами на глеевых почвах, в основном со злаково-разнотравно-осоковыми ассоциациями.

Материковые луга представлены суходолами и низинными лугами. Они более разнообразны по флористическому составу, но по плодородию почв данные луга значительно более бедные. Особенно это касается суходольных лугов, которые часто не имеют сплошного покрытия. Для этих лугов характерно глубокое залегание грунтовых вод, поэтому суходолы не отличаются стабильными урожаями трав. На пониженных элементах рельефа формируются низинные луга. В их травостое довольно много таких ценных злаков, как тимофеевка, душистый колосок, овсяница луговая, из бобовых - чин луговой, осока [9].