A methodical approach to the ecological status evaluation of water bodies using the complex index of water quality on the example of the Middle Priobye

Full Text

Введение

Современная система мониторинга водных объектов гидросферы в РФ основана на отборе проб воды и донных отложений, проведении перечня химических анализов по определенной программе исследований, сопоставлении полученных результатов с нормативами предельно-допустимых концентраций (ПДК) для водоемов определенной категории водопользования [1–2]. В некоторых случаях программой мониторинга предусматривается процедура биотестирования. Заключение о качестве воды и экологическом состоянии водного объекта осуществляется по количеству показателей, превышающих нормативы ПДК, кратности превышения ПДК, результатам биотестирования. При этом субъекты мониторинга сталкиваются с необходимостью интерпретировать большие объемы цифровых данных, которые требуется обработать, систематизировать, представить определенным образом, что составляет довольно трудоемкий и длительный процесс [3, с. 3]. Следовательно, выявление источников антропогенного воздействия, и далее принятие управленческих решений по восстановлению водной экосистемы может быть отложено на неопределенный срок, который может растянуться на многие месяцы. Одним из вариантов решения таких трудностей является расчет комплексных индексов, позволяющих оценить состояние водного объекта по совокупности показателей. В процессе обработки материалов, полученных при мониторинге водных объектов бассейна Средней Оби, нами было апробировано несколько комплексных индексов оценки качества вод, некоторые результаты были ранее опубликованы [4–8].

Целью настоящего исследования являлось апробирование различных интегральных методов оценки качества воды водных объектов гидросферы и разработка методологического подхода к оценке состояния водных объектов с учетом региональных геохимических характеристик.

Автор выражает благодарность В.Н. Тюрину за помощь в составлении карты-схемы расположения контрольных створов на водотоках Среднего Приобья, О.Н. Корниловой, В.Н. Ранченковой, студентам кафедры экологии СурГУ за помощь в выполнении полевых и экспериментальных работ.

Объект и методы исследования

Данное исследование было выполнено на реках широтного отрезка Средней Оби. Широтный отрезок Средней Оби протяженностью более 300 км располагается в центральной части Западной Сибири в границах Нижневартовского, Нефтеюганского и Сургутского административных районов Ханты-Мансийского автономного округа – Югры. Данный участок Среднего Приобья характеризуется высокой водообеспеченностью, густота речной сети достигает 0,3 км/км². В среднем течении р. Обь принимает крупные притоки: рр. Лямин, Пим, Тромъеган, Аган, Вах – правобережные; рр. Большой Юган, Большой Салым, Большой Балык – левобережные [9, с. 5].

Начиная с 1950-х гг., в Среднем Приобье наблюдается прогрессирующий рост антропогенной нагрузки в связи с открытием и введением в эксплуатацию промысловых объектов нефтегазовых месторождений в пределах Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции. ХМАО – Югра на сегодняшний день является лидером в РФ по объемам добычи углеводородного сырья. В бассейне широтного отрезка Средней Оби находятся сотни лицензионных участков нефтегазовых месторождений (ЛУНМ) таких крупнейших производителей нефти как ПАО «Сургутнефтегаз», ПАО «НК «Роснефть», ООО «ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь», «Салым Петролеум Девелопмент Н.В.». Протяженность сети нефте- и газопроводов превысила 100 тыс. км. В Среднем Приобье в пределах широтного отрезка Оби расположены крупные муниципальные образования – Нижневартовск, Лангепас, Сургут, Нефтеюганск и другие. Численность населения в ХМАО–Югре с конца 50-х гг. прошлого века возросла более чем в 13 раз и составила к 2019 г. более 1,6 млн чел.

Суровые природно-климатические условия в Среднем Приобье создают специфические режимы экологических факторов в водных объектах: ледостав длительностью 6 и более месяцев в году, короткий период вегетации, дефицит растворенного кислорода, заморные явления [7, с. 40].

Первичный материал для расчета комплексных индексов и оценки экологического состояния водотоков собирался непрерывно в период 2002 по 2018 гг. в различные гидрологические сезоны. Карта-схема фрагмента участка широтного отрезка Средней Оби, обследованного в период 2002–2018 гг., представлена на рис. 1. Контрольные створы (КС) располагались на 35 водотоках на территории Нижневартовского, Сургутского, Нефтеюганского административных районов Югры. Более 30 точек отбора проб воды были организованы на территории промысловых площадок нефтегазовых месторождений, 3 точки являлись фоновыми и были расположены на относительно ненарушенных участках рек, в том числе на территории Государственного природного заповедника «Юганский», остальные КС находились в черте населенных пунктов. Пробы воды отбирались в соответствии с ГОСТ 17.1.5-85, ГОСТ 31861-2012 [10–11].

Программа мониторинга предусматривала анализ проб воды по 16 показателям химического состава: обобщенные показатели (рН, цветность, содержание взвешенных веществ), солевой состав (сухой остаток, концентрация хлорид-ионов), концентрации растворенного кислорода, железа общего, органических веществ (перманганатная окисляемость, БПК₅, фенолы, АПАВ, нефтепродукты), биогенных веществ (ионы аммония, нитрит-, нитрат-, фосфат-ионы). С 2009 г. в программу мониторинга были также включены концентрации тяжелых металлов (свинец, хром, цинк, марганец, никель). Кроме того, была изучена эколого-трофическая структура микробного сообщества по показателям численности бактерий, растущих на различных питательных субстратах: сапрофитные гетеротрофные, углеводородокисляющие, фенолусваивающие бактерии, бактерии цикла азота, бактерии группы кишечной палочки. Все исследования выполнялись стандартными методами, принятыми в практике мониторинга водных объектов [12–14] в лабораториях «Экологического мониторинга» СурГУ и в Филиале ФГБУ «ЦЛАТИ по УФО» по ХМАО – Югре.

Рисунок 1 – Карта-схема расположения точек отбора проб воды на водотоках бассейна Средней Оби

Далее в процессе научного поиска мы апробировали различные математические методы в оценке качества вод [15–17], в частности индекс, предложенный И.Х. Башмаковой [15], который был модифицирован нами [7–8] и использован для оценки экологического состояния водотоков по показателям химического состава, а также по численности бактерий в структуре микробного сообщества.

Методика расчета Индекса качества воды представлена в табл. 1. В индекс качества воды включали только те показатели, для которых P_sj / P_{j ср} > 1. При расчете α_j принимаем ∑α_j = 1. По полученным значениям индексов водные объекты были отнесены к определенному классу качества воды.

Таблица 1 – Методика расчета Индекса качества воды I_wq (Water Quality Index)

Результаты и обсуждение

В практике мониторинга для оценки качества вод широко используется индекс УКИЗВ, разработанный Гидрохимическим институтом Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (г. Ростов-на-Дону) [16]. В качестве основного критерия оценки в данном индексе используются нормативы ПДК химических веществ. При расчете УКИЗВ, помимо количества показателей, превышающих ПДК, и кратности их превышения, учитывается частота случаев превышения ПДК. Такой интегральный подход упрощает процедуру представления и анализа информации о качестве вод. Нами был апробирован метод расчета УКИЗВ на примере водных объектов Среднего Приобья в зоне влияния промысловых площадок нефтегазовых месторождений за период 2009–2011 гг. Однако, при анализе экспериментальных данных столкнулись с рядом трудностей иного характера:

1. Нормативы ПДК для целого ряда показателей оказываются значительно ниже, чем региональные фоновые концентрации. К примеру, концентрации общего железа в ненарушенных водных объектах Среднего Приобья могут достигать 10 ПДК_вр и более [18–19]. Такая же ситуация наблюдается с концентрацией марганца, меди и некоторых других металлов, которые имеют в водотоках природное происхождение, связанное с их подвижностью в ландшафтах в условиях кислых значений рН.
2. При учете кратности и частоты случаев превышения ПДК железо и другие поливалентные металлы автоматически становятся приоритетными загрязнителями водных объектов бассейна Средней Оби, всегда вносят ощутимый вклад в значение УКИЗВ и ухудшают качество воды исследованных водотоков. Следовательно, дальнейшая оценка качества воды, как по другим ингредиентам, так и по индексу в целом, теряет смысл.
3. Обратная ситуация наблюдается для концентрации хлорид-ионов, которые, являясь техногенными загрязнителями водных объектов, поступающими с подтоварными водами в результате порывов нефтепроводов, могут создавать в водотоках концентрации, многократно превышающие фоновые, тем не менее оказываются ниже ПДК_вр и, значит, не включаются в перечень приоритетных загрязнителей и не учитываются в УКИЗВ. Так, фоновые концентрации хлоридов в ненарушенных водотоках бассейна Средней Оби составляют не более 20–30 мг/дм³ [18–19]. ПДК_вр хлоридов 300 мг/дм³ [1]. Разница между фоном и нормативом 10 и более раз. К примеру, в эксперименте получены концентрации хлоридов в водотоке в диапазоне 30–300 мг/дм³, кратно превышающие региональные фоновые концентрации, но интерпретировать как загрязнение их невозможно, так как формально они не превышают ПДК_вр.
4. УКИЗВ не учитывает другие характеристики, полученные для водного объекта, как то концентрации химических веществ в донных отложениях, структурно-функциональные характеристики водного биоценоза. Тогда как именно от этих характеристик зависит интенсивность процессов самоочищения водного объекта, его экологическое состояние, трофический статус и т.д.

Эти сложности нам удалось преодолеть при использовании для оценки экологического состояния водотоков и классов качества воды индекса I_wq. На рис. 2 представлены значения Индексов качества воды, рассчитанных по гидрохимическим показателям, для обследованных рек, в бассейнах которых осуществляется антропогенное воздействие различного характера.

Наблюдается широкий разброс значений индексов для водотоков с различным характером антропогенной нагрузки. К 1 классу «чистые» отнесены 6 водотоков, в том числе р. Обь в районе пос. Барсово (Сургутский район), крупный правобережный приток Оби р. Пим в трех КС, его приток р. Ай-Пим, а также малые реки. Следует отметить, что водотоков 1 класса не было выявлено на ненарушенных участках водных объектов. Ко 2 классу «относительно чистые» отнесено 10 водотоков в одиннадцати КС, включая р. Обь в районе дер. Лямина, ее крупные правобережные притоки рр. Тромъеган, Пим, Лямин, а также малые реки. Фоновые участки рек в двух точках были отнесены ко 2-му классу вод категории «относительно чистые». Наибольшее количество обследованных рек в четырнадцати контрольных створах относилось к 3 классу категории «умеренно загрязненные» – это р. Обь и ее протоки в Сургутском и Нижневартовском районах, а также малые реки. К 4 классу «загрязненные» были отнесены право- и левобережные протоки Оби, а также левобережный приток р. Большой Балык. Наибольший уровень загрязнения (5 класс «сильно загрязненные») был выявлен для правобережной протоки Лангепас (Нижневартовский район), а также для левобережных рек Кутым-Игай и Большой Юган. Интересным является то, что КС на р. Большой Юган находится на территории государственного природного заповедника «Юганский». В целом следует отметить более высокие значения I_wq для левобережных водотоков. Низкие значения индекса были получены для крупных правобережных притоков Оби рр. Лямин и Пим.

Рисунок 2 – Индекс качества воды Iwq по гидрохимическим показателям

В табл. 2 представлено распределение обследованных водотоков по классам качества воды по показателям химического состава воды.

Таблица 2 – Результаты оценки качества воды водотоков по гидрохимическим показателям

Примечание. Тип антропогенной нагрузки: Т – техногенная, Р – рекреационная, ТР – смешанная, Ф – фоновый водоток.

Выявлены достоверные различия значений Индексов качества воды для рек с различным характером антропогенной нагрузки и фоновых водотоков.

Первичные материалы для расчета I_wq по микробиологическим показателям были опубликованы ранее [20]. На рис. 3 представлены значения Индексов качества воды, рассчитанных по показателям структуры микробного сообщества. Среди изученных рек к 1 классу «чистых» отнесены р. Обь в Сургутском районе (дер. Лямина и пос. Барсово), крупные притоки Оби рр. Лямин, Пим, Тромъеган, Большой Балык, Большой Юган, водотоки на территории г. Сургута рр. Черная, пр. Боровая, а также малые реки. Следует отметить, что все фоновые реки по численности бактерий были отнесены к категории «чистых». Ко 2, 3 и 4 классам было отнесено в общей сложности 7 водотоков с техногенным характером антропогенной нагрузки. К 5 классу «сильно загрязненные» была отнесена р. Обь в районе Речного вокзала г. Сургута, протоки Оби в четырех точках, правобережный приток Оби р. Пим выше пос. Нижнесортымский, а также малые реки с различным характером антропогенной нагрузки. В табл. 3 представлено распределение обследованных водотоков по классам качества воды по показателям структуры микробного сообщества.

Таблица 3 – Результаты оценки качества воды водотоков по микробиологическим показателям

Примечание. Тип антропогенной нагрузки: Т – техногенная, Р – рекреационная, ТР – смешанная, Ф – фоновый водоток.

Рисунок 3 – Индекс качества воды воды Iwq по микробиологическим показателям

Выявлены достоверные различия значений I_wq для антропогенно нарушенных и фоновых участков рек. По результатам корреляционного анализа выявлена положительная взаимосвязь слабой силы между значениями индексов, рассчитанными по гидрохимическим и микробиологическим показателям c коэффициентом корреляции Пирсона r = 0,43.

Фрагмент данного исследования также проводился в период 2009–2011 гг. на р. Оби в Сургутском и Нижневартовском районах, ее правобережных притоках рр. Вах и Аган, а также малой правобережной реке Пим (всего проанализировано 182 пробы воды). Полученное распределение водотоков по классам качества вод, рассчитанным по гидрохимическим показателям, представлено на рис. 4.

Рисунок 4 – Распределение проб воды по классам качества

К 1-му классу качества вод было отнесено 5% от общего числа отобранных проб воды, ко 2-му классу – 27%, к 3-му классу – 24%, к 4-му классу – 20%, к 5-му классу – 24%. В рр. Обь и Вах наибольшее количество проб (27% и 30% соответственно) позволило отнести водотоки ко 2-му классу, в р. Аган пробы 2-го и 3-го класса распределились равномерно и составили по 26%, в р. Ай-Пим 50% проб было отнесено к 3 классу, пробы 1-го класса отсутствовали. Для 5-го класса качества вод категории «сильно загрязненные» изученные водотоки распределились следующим образом: р. Обь (25%), р. Вах 22,4%, р. Аган 22%, р. Ай-Пим 17% [8, с. 603].

Предложенный методологический подход оценки качества воды позволяет более тщательно подойти к процедуре диагностики экологического состояния водных объектов, учесть интенсивность процессов самоочищения, более обоснованно подойти к вопросам планирования водоохранных мероприятий и рационального использования водных объектов гидросферы.

Выводы

1. В целом, для левобережных водотоков характерны более высокие уровни загрязнения, чем для правобережных. Наименьшие показатели загрязнения были получены для крупных правобережных притоков Оби, что позволяет использовать их в качестве фоновых. Уровень загрязнения водотоков с преимущественно техногенным характером антропогенной нагрузки, как правило, выше, чем водотоков с рекреационным и смешанным характером антропогенной нагрузки как по гидрохимическим, так и по микробиологическим показателям.
2. Использованный методологический подход к оценке экологического состояния водотоков при помощи индекса качества воды I_wq позволил нам обработать обширный многолетний массив экспериментальных данных, полученных на водотоках бассейна широтного отрезка Средней Оби, определить классы и категории качества вод без использования нормативов ПДК, но с учетом фоновых региональных гидрохимических характеристик.
3. Данный метод позволяет использовать для расчета индекса I_wq биологические характеристики, полученные для различных компонентов водной экосистемы, что было продемонстрировано нами на примере численности бактерий различных эколого-трофических групп в структуре микробного сообщества.

About the authors

Elena Aleksandrovna Shornikova

Author for correspondence.
Email: capucin72@mail.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Ecology and Biophysics Department

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Figure 1 - Schematic map of the location of water sampling points on the watercourses of the Middle Ob basin

Download (67KB)

Indexing metadata

3. Figure 2 - Index of water quality Iwq by hydrochemical indicators

Download (72KB)

Indexing metadata

4. Figure 3 - Index of water quality of water Iwq by microbiological indicators

Download (55KB)

Indexing metadata

5. Figure 4 - Distribution of water samples by quality class

Download (17KB)

Indexing metadata