Организация сети пунктов наблюдений за поверхностными водными объектами

Для проведения мониторинга вод суши организуются:

- стационарная сеть пунктов наблюдений за естественным составом и загрязнением поверхностных вод;

- специализированная сеть пунктов для решения научно-исследовательских задач;

- временная экспедиционная сеть пунктов.

В основе организации и проведения наблюдений за качеством поверхностных вод лежат следующие принципы: комплексность и систематичность наблюдений, согласованность сроков их проведения с характерными гидрологическими ситуациями, определение показателей качества воды едиными методами. Соблюдение этих принципов достигается установлением программ контроля (по физическим, химическим, гидробиологическим и гидрологическим показателям) и периодичности проведения контроля, выполнением анализа проб воды по единым или обеспечивающим требуемую точность методикам (Вильдяев, 1999).

Сеть гидрохимических наблюдений должна охватывать

В рамках ОГСНК проводят:

Основные задачи систематических наблюдений за качеством поверхностных вод в системе ОГСНК можно сформулировать следующим образом:

Все пункты наблюдений за качеством воды водоемов и водотоков делят на 4 категории, определяемые частотой и детальностью программ наблюдений. Назначение и расположение пунктов контроля определяются правилами наблюдений за качеством воды водоемов и водотоков (Беспамятнов, 1997).

Пункты первой категории располагают на средних и больших водоемах и водотоках, имеющих важное народнохозяйственное значение:

- в районах городов с населением свыше 1 млн. жителей;

- в местах нереста и зимовья особо ценных видов промысловых рыб;

- в районах повторяющихся аварийных сбросов загрязняющих веществ;

- в районах организованного сброса сточных вод, в результате которых наблюдается высокая загрязненность воды.

Пункты второй категории устраивают на водоемах и водотоках в пределах следующих участков:

- в районах городов с населением от 0,5 до 1 млн. жителей;

- в местах нереста и зимовья ценных видов промысловых рыб (организмов);

- на важных для рыбного хозяйства предплотинных участках рек;

- в местах организованного сброса дренажных сточных вод с орошаемых территорий и промышленных сточных вод;

- при пересечении реками Государственной границы;

- в районах со средней загрязненностью воды.

Пункты третьей категории располагают на водоемах и водотоках:

- в районах городов с населением менее 0,5 млн. жителей;

- на замыкающих участках больших и средних рек;

- в устьях загрязненных притоков больших рек и водоемов;

- в районах организованного сброса сточных вод, в результате чего наблюдается низкая загрязненность воды.

Пункты четвертой категории устанавливают:

- на незагрязненных участках водоемов и водотоков,

- на водоемах и водотоках, расположенных на территориях государственных заповедников и национальных парков.

Наблюдения за качеством воды ведут по определенным видам программ, которые выбирают в зависимости от категории пункта контроля. Периодичность проведения контроля по гидробиологическим и гидрохимическим показателям устанавливают в соответствии с категорией пункта наблюдений. При выборе программы контроля учитывают целевое использование водоема или водотока, состав сбрасываемых сточных вод, требования потребителей информации (Беспамятнов, 1997).

Параметры, определение которых предусмотрено обязательной программой наблюдений за качеством поверхностных вод по гидрохимическим и гидрологическим 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 (Беспамятнов, 1997).

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.

Внедрение в систему наблюдений за качеством воды гидробиологических методов позволяет непосредственно выяснить состав и структуру сообществ гидробионтов (Беспамятнов, 1997).

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;

- 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 (Беспамятнов, 1997).

2. Биомониторинговые методы оценки состояния водных экосистем

Существует множество методов оценки состояния водных экосистем по различным параметрам. В то же время большинство из них применимо не ко всем категориям водных объектов и факторов воздействия. Известно лишь несколько разработанных методов интегральных оценок, позволяющих применять их на любых водных объектах и для оценки большинства факторов воздействия. Так, например, количество растворенной в воде органики является интегральным показателем состояния вод и водных экосистем в целом, так как складывается из органических веществ, возникших в процессе жизнедеятельности организмов на всех трофических уровнях, а также внесенных с бассейна водосбора в результате природных и антропогенных процессов (Буторина, 1968).

Биотические компоненты водных экосистем отражают трофический статус водного объекта, который, в свою очередь, зависит от количества органических веществ, растворенных в воде. В соответствии с этим популяции, виды и сообщества организмов имеют определенный уровень толерантности в сложившихся условиях. Исследование изменений, происходящих в структуре популяций и сообществ, позволяют оценить состояние всей экосистемы (Буторина, 1968).

Наиболее перспективным объектом для оценки состояния водных экосистем по нашему мнению являются водоросли - первичное и очень информативное звено трофических цепей. Кроме того, в отличии от других групп гидробионтов, водоросли встречаются везде, где есть вода (Буторина, 1968).

При изменении содержания органических веществ в воде изменяется видовой состав водорослей и, как правило, их обилие. Те виды, которые определенно реагируют на изменения условий среды, являются видами-индикаторами. У водорослей выделяются индикаторные организмы на рН среды, соленость, органическое загрязнение и др. В континентальных водоемах России обитают около 10 тысяч видов микроскопических водорослей. ндикаторными является сравнительно небольшое число видов, около 1000, но они самые распространенные и массовые. Практически нет биотопов, где бы не встречались водоросли. Поэтому оценка состояния водных экосистем, основанная на биоиндикации с помощью водорослей, позволяет сравнивать водные объекты разного типа и расположенные в различных регионах (Дейнека, 1998).

Методы биоиндикации

Методы биоиндикации разрабатываются уже давно, примерно с начала нашего века. В настоящее время сложилось три системы оценки качества вод, построенных на индикаторном значении таксонов. Наиболее оперативной и позволяющей охватить большую территорию сетью постоянно дающих информацию станций, является система, применяемая французскими коллегами (Лафон, 1988; Лафон и др., 1988), основанная на определении водорослей до крупных таксонов. Однако при этом оценки степени загрязнения слишком приблизительны. Система Кольквица-Марсона получившая позднее имя Пантле-Бука (Pantle, Buck, 1955) и модифицированная В. Сладечеком (Сладечек, 1967; Макрушин, 1974а, б, 1978; Sladecek, 1973, 1976, 1978, 1986), применяется широко в странах восточной и центральной Европы, а в России метод Сладечека вошел составной частью в систему сбора данных мониторинга Госкомгидромета. Метод основан на понятии сапробности - способности организмов выживать в загрязненной органикой среде. Виды-индикаторы сапробности имеют в этой системе свой вес, выраженный в виде индекса s числом от 0 до 4. Степень же загрязнения в месте отбора пробы водорослей определяется по набору видов-индикаторов, обитающих в исследуемом месте и обилию их в пробе. Третий метод разработан в последние годы японскими коллегами под руководством Т. Ватанабе (Watanabe et al., 1986a, b, 1988a, b). В основе его также анализ сообщества видов-индикаторов сапробности, имеющих свой индикаторный вес (Дейнека, 1998).

Однако, метод разработан только для диатомовых водорослей, хотя и являющихся наиболее распространенной группой, но не охватывающей всего разнообразия водных экосистем, что является существенным недостатком метода. Индекс органического загрязнения по сообществу диатомовых - DAIpo - изменяется от 0 до 100 и обнаруживает высокую степень корреляции со многими физико-химическими показателями вод. Особенно четко прослеживается связь DAIpo с электропроводностью.

Объединение различных параметров качества воды, как физико-химических, так и биологических, включая биоиндикационные (Баринова, 1992) и соотнесение индексов Пантле-Бука и Ватанабе представляют собой оригинальную разработку. Остальные физико-химические и продукционные показатели водных экосистем были взяты из ранее опубликованных работ (Жукинский и др., 1976; Единые критерии…, 1982; Романенко и др., 1990; Sladecek, 1973). Сопоставление индексов Пантле-Бука и индексов Ватанабе к настоящему моменту представляется не только необходимым, но и весьма продуктивным. Метод Пантле-Бука, применяемый в течение многих лет, дает большое количество информации по оценке органического загрязнения водоемов и водотоков, причем в пространственно-временном виде. Хорошо отработанные в этой системе представления о самоочищении приложены к конкретным типам водных объектов. Кроме того, интервалы изменения индексов сапробности (S) соотнесены с различными характеристиками воды, как среды обитания гидробионтов через классы качества вод, причем список параметров соответствия физико-химических и продукционных показателей индексам сапробности может быть довольно большим (Карюхина, 1997).

В системе Ватанабе, индексы которой сопоставляются нами с индексами S, хорошо статистически отработаны зависимости между DAIpo и числом видов в сообществе водорослей, а также DAIpo и структурными характеристиками сообщества, отраженными в индексах Шеннона (Н). Таким образом, сопоставление индексов в обеих системах значительно расширяет возможности для интерпретации данных, получаемых по разным системам оценки качества вод.

При сопоставлении объединенных из разных систем данных важными оказались не только область изменения индекса Шеннона, но и интервалы минимальных и максимальных значений в каждой из зон самоочищения или классе качества вод. Области изменения индексов Шеннона (Н) и числа видов (N), полученные японскими коллегами и очерченные нами для сообществ проточных и непроточных водоемов, были проверены и дополнены на примерах расчетов по водоемам и водотокам юга бореальной части России - Приморском и Хабаровском краях, а также на материалах, полученных в Индии на р. Ганг (Карюхина, 1997).

Проанализированные материалы не выявили ни одного случая отклонения от очерченного нами поля точек.

В структурных характеристиках сообщества прослеживаются следующие закономерности. С увеличением азотно-фосфорной нагрузки сообщество ультаолиготрофного водоема постепенно повышает свое видовое разнообразие, причем размах изменчивости Н становится максимальным в середине олигосапробной зоны самоочищения при DAIpo около 65. Дальнейшее повышение количества органики приводит к значительному колебанию Н от 0 до максимальных значений, что отражает нестабильность таких показателей сообщества в этот период, как численность и видовой состав сообщества. При еще большем органическом загрязнении (и DAIpo ниже 30, S больше 2,5) происходит упрощение структуры сообщества одновременно с увеличением биомассы оставшихся видов. (Мануйлова, 1994).

Рассмотрение показателей среды по классам качества вод (Мануйлова, 1994) и изменчивости показателей биоразнообразия сообществ дает представление об интервалах взвимосвязанных изменений этих показателей в соответствии с сукцессионным процессом. Это дает возможность оценки состояния экосистемы в целом как единства среды и обитающих в ней организмов. Такая оценка нужна не только для анализа современного состояния среды и биоты на конкретном водном объекте, но и для прогноза изменений и степени устойчивости конкретной водной экосистемы к антропогенным воздействиям. Таким образом, описанная система взаимосвязей и закономерностей может служить моделью функционирования водных экосистем. На основе этой модели можно оценить состояние водной экосистемы, имея только некоторые из параметров (Мануйлова, 1994).

Чаще всего имеется лишь набор гидрохимических характеристик и иногда также продукционных. В этом случае, основываясь на классификации имеющихся химических параметров среды, проводится экстраполяция на ось значений индексов сапробности, а затем на параметры видового богатства и биоразнообразия. При наличии данных по видовому разнообразию или индексам сапробности в любой из систем, проводится обратная операция. Число видов или индекс сапробности определяет зону в координатах N - DAIpo (или S) в виде поля (области). Как показывает опыт, наибольшее значение имеет нижняя часть фигуры поля точек, отражающая зависимость структуры сообщества и показателей среды. Размеры выделенного поля показывают широту экологических характеристик биоты. При равной ширине (т.е. равных областях изменения индексов сапробности) большая высота Н указывает на большую изменчивость физико-химических условий при равном количестве органики. Ширина амплитуды Н отражает сложность структуры биоты.

Таким образом, имея даже небольшой набор различных характеристик среды и биоты, на основе предлагаемой модели можно получить представление о состоянии экосистемы в целом и изменчивости недостающих компонентов (Мануйлова, 1994).

Предложенное нами сопоставление индексов сапробности в разных системах дает еще одну возможность - получить интегральную характеристику водного объекта по индексу загрязнения RPIs. Индекс изначально предложен Т. Ватанабе для системы DAIpo, но теперь мы можем привлечь к оценкам данные Госкомгидромета по S и сделать на основе индексов Пантле-Бука интегральную оценку загрязнения водного объекта в целом. RPIs или RPId позволяют сравнивать загрязнение рек или их участков, чего DAIpo или S дать не могут. Расчет RPIs настолько несложен, а индекс настолько информативен, что представляется необходимым включить его в число показателей, определяемых на водных объектах системой мониторинга (Серебряков, 1997).

Для того, чтобы полно и достоверно охарактеризовать состояние водной экосистемы предложенным методом, желательно иметь продукционные и гидрохимические показатели или данные по ним, полученные экстраполированием. Для оценки по биотическим показателям нужны данные, характеризующие сообщества микроводорослей. Это число видов в сообществе, по которым определяется H, S, DAIpo или соотношение обилия особей по видам (в долях, % или абсолютное), откуда можно рассчитать H, S, DAIpo и число видов (Серебряков, 1997).

После отбора пробы водорослей определяются: число видов в сообществе N, число особей по видам, индексы Шеннона, Пантле-Бука или Ватанабе (S или DAIpo), находят область по рисунку. После этого в координатах H - DAIpo (или S) также находят область на фигуре поля точек. Сопоставление полученных данных с продкуционными и гидрохимическими позволяют оценить состояние анализируемой экосистемы (Серебряков, 1997).

3. Биоиндикаторы воды

Каждая группа организмов в качестве биологического индикатора имеет свои преимущества и недостатки, которые определяют границы ее использования при решении задач биоиндикации.

Водорослям принадлежит ведущая роль в индикации изменения качества воды в результате эвтрофирования (заболачивания) водоема.

Зоопланктон также достаточно показателен как индикатор эвтрофирования и загрязнения (в частности органического и нитратного) вод. Кроме этого, среди зоопланктона встречаются и представители патогенной фауны, ограничивающей использование водного объекта в целях водоснабжения. Простейшие являются высокочувствительными индикаторами сапробного состояния водоемов.

В табл. 1 представлены шкалы загрязнений по индикаторным таксонам.

поверхностный водный биомониторинговый загрязнение

Таблица 1. Шкала загрязнений по индикаторным таксонам

Классы качества речных вод

Шестиклассная система оценки качества вод принята в зарубежных странах и положена в основу ГОСТ 17.12.04.77 и ГОСТ 17.13.07.82.

· Воды 1 класса экологически полноценные, могут использоваться для питья, рекреации, рыбоводства и орошения.

· Воды 2 класса экологически полноценные, имеют питьевое значение, могут использоваться для рекреации, рыбоводства и орошения.

· Воды 3 класса экологически полноценные, могут использоваться для питья с предварительной очисткой, а также рыбоводства и орошения.

· Воды 4 класса экологически неблагополучны, имееют ограниченное применение в рыбоводстве и орошении, пригодны для технических целей.

· Воды 5 класса экологически неблагополучны, имеют техническое значение.

· Воды 6 класса экологически неблагополучные, применяются для технических целей с предварительной очисткой. Макробеспозвоночных не встречается.

В табл. 2 представлен перечень индикаторных таксонов.

Таблица 2. Перечень индикаторных таксонов

3.1 Зообентос