Комплексная оценка состояния экосистемы озер урбанизированной территории
на правах рукописи
ГОРДЕЕВА МАРИЯ ЭДУАРДОВНА
Комплексная оценка состояния экосистемы озер урбанизированной территории
Специальность: 03.02.08 – Экология (биология)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Астрахань – 2013
Работа выполнена на кафедре «Водные биоресурсы и аквакультура» ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет»
| Научный руководитель: | доктор биологических наук, профессор Калайда Марина Львовна | |
| Официальные оппоненты: | Курапов Алексей Александрович доктор биологических наук, исполнительный директор ООО «Научно-исследовательский институт экологии южных морей» | |
| Габдрахманова Лейла Асхатовна доктор биологических наук, старший научный сотрудник ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» | ||
| Ведущая организация: | Татарское отделение ФГБНУ «ГосНИОРХ» | |
Защита состоится 27 декабря 2013 г. в « » часов на заседании диссертационного совета Д.307.001.05 при Астраханском государственном техническим университете по адресу: 414025, г. Астрахань, ул. Татищева, 16, ___ ауд. ____.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного технического университета по адресу: 414025, Астрахань, ул. Татищева, 16.
Автореферат разослан « » ноября 2013 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук, доцент |  | Мелякина Эльвира Ивановна |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
В настоящее время в условиях усиления антропогенного воздействия на водные ресурсы особенно актуальным становится определение приоритетных задач в области охраны вод и их рациональное использование. Особую значимость в данном контексте приобретают озера в черте крупных мегаполисов, которые являются объектами многоцелевого использования, в результате чего возникает необходимость сочетания разнонаправленных задач использования водных ресурсов. Однако, рациональное использование и охрана природных водоемов невозможны без знания особенностей их экосистем, зависящих от разных факторов, особенно антропогенного воздействия. При комплексном изучении экосистем озер урбанизированной территории особую значимость приобретают такие составляющие как физико-химические, биотические особенности и особенности формирования донных отложений. Озера, расположенные внутри городской черты городов-миллионников часто используются и как водоемы охладители объектов энергетики. В связи с этим в антропогенном воздействии выделяется как самостоятельный фактор температурное воздействие на водную экосистему.
В г.Казань, являющимся промышленно развитым городом-миллионником располагается система озер Кабан. При этом одно из озер – озеро Средний Кабан является водоемом-охладителем Казанской ТЭЦ-1.
Выявление закономерностей изменения состояния экосистем озер в условиях воздействия хозяйственной деятельности человека при комплексном использовании водоемов позволяет наметить пути их реабилитации.
Целью работы является комплексная оценка состояния экосистемы озер урбанизированной территории в условиях разной степени антропогенного воздействия и выбор методов реабилитации водоемов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- Исследовать особенности абиотических (температуры воды, растворенного кислорода, pH, окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), суммарной антиоксидантной активности (САОА), ХПК, БПК5) характеристик озер Средний и Верхний Кабан г. Казань, отличающихся разной степенью антропогенной нагрузки;
- Исследовать особенности биотических (состояние бактерио-, фито-, зоопланктона, зообентоса, ихтиофауны) характеристик озер Средний и Верхний Кабан г. Казань;
- Дать комплексную оценку состояния водных экосистем изученных озер по физико-химическим и биологическим характеристикам;
- Выявить закономерности, определяющие состояние экосистемы озера в условиях разной степени антропогенной нагрузки, включая изменения в зависимости от теплового загрязнения водоема.
Научная новизна работы. Установлено, что промышленное загрязнение, в частности тепловое, существенно влияет на величины ОВП воды, ее САОА, состояние гидробионтов и ихтиофауны. Впервые проведена комплексная оценка, включившая показатель САОА воды, в результате которой выявлены изменения в экосистеме озера Средний Кабан г. Казань под воздействием антропогенных факторов урбанизированной территории.
Разработан индекс качества вод, основанный на физико-химических показателях и с учетом показателя САОА.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработаны рекомендации по улучшению состояния экосистемы озер на урбанизированной территории с учетом целевого использования и особенностей состояния экосистем.
Разработана и зарегистрирована интерактивная компьютерная программа комплексной оценки состояния экосистемы озер Средний (оз. С. Кабан) и Верхний (оз. В. Кабан) Кабан, которая используется в государственных учреждениях Республики Татарстан и позволяет наметить соответствующие реабилитационные мероприятия на исследуемых озерах.
Методология и методы исследований. Работа выполнена с применением традиционных методов сбора, получения и обработки информации. Морфометрические исследования озер проводились методом gps-навигации и эхолокации. Физические показатели измерялись контактным методом; САОА – кулонометрическим. Количественный и качественный состав тяжелых металлов в воде и донных отложениях исследовался рентгенофлуоресцентным методом анализа. Микробиологическое исследование проводилось методом разведения отобранных проб с последующим посевом на питательные среды. Гидробиологический анализ проводился классическими методами количественного и качественного учета гидробионтов. Распределение рыб изучалось методом эхолокации.
Положения, выносимые на защиту
Промышленное загрязнение, включая тепловое, приводит к изменению физико-химических показателей – величины ОВП и САОА воды, а также донных отложений экосистемы озер урбанизированной территории.
Промышленное загрязнение, включая тепловое, приводит к изменению биотических показателей экосистемы озер урбанизированной территории – состояния планктона и бентоса, распределения рыб.
Комплексная оценка состояния экосистемы озера выявила периоды с наиболее низким качеством вод в сезонном аспекте – лето и зима. Наихудшее состояние водной экосистемы характерно для района с комплексным антропогенным воздействием.
Степень достоверности результатов определяется объёмом собранного материала, применением современных аналитических приборов, статистической обработкой полученных результатов.
Апробация. Материалы диссертации докладывались на Всероссийской молодежной конференции с международным участием «Экологобезопасные и ресурсосберегающие технологии и материалы» (Улан-Удэ, 2011), XXIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 2011), Third international NACEE (Network of Aquaculture in Central and Eastern Europe) conference of young researchers (Санкт-Петербург, 2011), II научно-практической конференции молодых ученых «Современные проблемы и перспективы рыбохозяйственного комплекса» (Москва, 2011), VI, VII и VIII международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2011- 2013).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 6 статьях в научных журналах, в том числе 3 – в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, а также 11 тезисах докладов на конференциях различного уровня.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, материалов и методов исследования, результатов собственных исследований и выводов. Материал изложен на 158 страницах, содержит 98 рисунков и 27 таблиц. Список использованной литературы содержит 235 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО ОЦЕНКЕ СОСТОЯНИЯ ЭКОСИСТЕМЫ ОЗЕР
Данная глава содержит следующие разделы: 1.1. Оценка состояния абиотических факторов водной среды; 1.2. Оценка состояния биотических факторов водной среды; 1.3. Особенности воздействия на экосистему температурного фактора как антропогенного фактора воздействия.
Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ, МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объекты исследования – оз. С. Кабан и В. Кабан – входят в систему озер Кабан (рис.1), располагаясь на первой надпойменной террасе реки Волга, в черте города Казани, имеют вытянутую форму, карстовое происхождение и испытывают разное антропогенное воздействие. С 1931 года оз. С. Кабан является водоемом-охладителем Казанской ТЭЦ-1 (рис.2) (полный водообмен в озере осуществляется за 96 суток).
Рис.1. Оз. С. Кабан и В. Кабан (вид из космоса)
Выбор оз. С. Кабан в качестве объекта исследования связан с тем, что экосистема озера испытывает высокую степень антропогенной нагрузки, в первую очередь за счет поступления сточных вод промышленных предприятий (ОАО «Генерирующая компания» Казанская ТЭЦ-1, ОАО «Казанский завод синтетического каучука», ЗАО «Казанский завод искусственных кож», ОАО «Казанский электротехнический завод», ОАО «Завод ЖБИ-3», ОАО «Промышленные строительные материалы», ОАО «Татстрой»), теплых вод Казанской ТЭЦ-1, системы ливневой канализации города, поверхностного стока с муниципальных земель, частных домовладений, садовых товариществ. Оз. В. Кабан, расположенное в зеленой зоне г. Казань и испытывающее незначительное воздействие с урбанизированной территории, выбрано как модельное.
Рис. 2. Схема использования вод оз. С. Кабан в системе технического водоснабжения Казанской ТЭЦ-1
Сбор, обработка и анализ данных проводился в 2010-2013 гг. Схема исследования показана на рис.3.
Рис.3. Блок-схема исследования
Анализ физико-химических показателей. Пробы отбирались еженедельно в течение года с обоих озер. Температура воды (поверхностный, серединный и придонный слои) (3148 измерений), содержание растворенного кислорода (1908 измерений) измерялись с помощью анализатора растворенного кислорода МАРК 302Э (Мониторинг …, 2001). Погрешность ±0,3°С. pH водной среды и ОВП (по 636 измерений) с помощью pH-метра марки pH-150МИ. САОА воды (144 измерения) с помощью кулонометра «Эксперт-006-антиоксиданты» по сертифицированной методике МВИ-001-44538054. Измерения ХПК и БПК5 проводились ежемесячно в соответствии с ГОСТ Р 52708-2007 и ПНД Ф 14.1;2;3;4.123-97.
Анализ морфометрии и распределения донных отложений. Включил 2966 измерений методом эхолокации и gps-навигации.
Химический и гранулометрический анализ. Ряд тяжелых металлов в придонном слое воды и донных отложениях определялся рентгенофлуоресцентным методом анализом по стандартизированной методике с помощью приборов СУР-02 «Реном ФВ» и S2 PICOFOX. Гранулометрический анализ донных отложений осуществлялся на основе ГОСТ 12536-79. Оптико-микроскопическое исследование образцов проводилось на оптическом микроскопе Leica при увеличениях 60х, 125х, 300х.
В соответствии с выделенными по физико-химическим особенностям зонами было проведено исследование биоты озер.
Микробиологический анализ. Сделано 180 анализов на исследуемых озерах в соответствии с МУК 4.2.1884-04 по определению общего числа микроорганизмов, образующих колонии на питательном агаре. Для определения качества воды использовались классификации А.А. Былинкиной (1962), ГОСТ 17.1.3.07-82.
Анализ степени зарастания озер. Исследование проводилось с помощью натурных наблюдений (Лепилова, 1934) и с использованием спутниковых снимков, полученных со спутника Landsat и из программы Google Earth.
Гидробиологический анализ. В течение вегетационного периода 2012 года было отобрано и обработано 450 проб на количественный состав фито-, зоопланктона (сеть Апштейна) и зообентоса (дночерпатель Петерсона, площадь захвата 0,025 м2). Сбор и обработка проводилась в соответствии с методическими рекомендациями (Жадин, 1960; Константинов, 1979; Максимович, 1986; Методика изучения …, 1975; Руководство по методам …, 1983). Для определения качества воды использовались классификации С.П. Китаева (1984), В. Сладечека (1967)
Ихтиологический анализ. Исследование распределения рыб на двух озерах проводилось с помощью эхолота Humminbird Piranha Max 210.
Построение карт местности с точками отбора проб, распределения грунтов, зонирования, зарастания высшей водной растительностью, пространственное распределение фито-, зоопланктона и зообентоса проводилось с помощью ГИС-продукта GeoMedia Pro 6.1, в равноугольной поперечно-цилиндрической проекции Гаусса-Крюгера (Пулкова, 1942); 2D и 3D моделей глубин, распределения температур – Surfer 10. Статистическая обработка фактических и экспериментальных данных выполнялась с помощью программ Statgraphics Plus 5.1, Microsoft Excel.
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ АБИОТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОЗЕР СРЕДНИЙ И ВЕРХНИЙ КАБАН
3.1. Исследование гидрологических и морфологических характеристик
Результаты морфометрического и гидрологического исследования озер приведены в табл. 1, рис. 4. По площади водной поверхности оз. С. Кабан относится к категории «малый» водоем, оз. В. Кабан – «очень малый» по классификации П.В. Иванова (1948), по объему – малые водоемы по ГОСТ 17.1.1.02-77, по средней глубине – «средние», по максимальной глубине – «с повышенной» (рис.3) по классификации С.П. Китаева (1984), по форме озерной котловины оз. С. Кабан – «конус», оз. В. Кабан – параболоид, коэффициент удлиненности оз. С. Кабан составляет 6,6, оз. В. Кабан – 4,2.
Таблица 1 – Результаты морфометрического и гидрологического исследования озер
| Параметры | Оз. С. Кабан | Оз. В. Кабан |
| Длина, м | 3300 | 1142 |
| Ширина, м минимальная – максимальная средняя | 165-640 500 | 98-360 270 |
| Глубина средняя, м | 6,5 | 7,2 |
| Глубина максимальная, м | 19 | 14 |
| Площадь водного зеркала, км2 | 1,32 | 0,28 |
| Объем, км3 | 0,0072 | 0,002 |
| Площадь водосбора, км2 | 38,6 | 27,9 |
| Уровень воды, абс.м. | 49,5-54,3 | 51-58 |
| Коэффициент извилистости береговой линии | 2,26 | 1,4 |
| Наличие циркуляции | есть (полный водообмен за 96 суток) | нет |
| Питание озера: | ||
| Подземные воды, % | 75 | 50,4 |
| Приток талых вод с водозабора, % | 21 | 48,8 |
| Осадки, % | 2,9 | 0,8 |
Рис. 4. 3D модель морфологических характеристик оз. С. Кабан (а) и В. Кабан (б)
3.2. Исследование физико-химических особенностей озер в условиях разной степени антропогенного воздействия
Проведенное нами исследование температурного режима позволило охарактеризовать озера как умеренные по классификации Ф. Фореля (1892), димиктические по Д. Хатчинсону (1969). Исследование морфологических характеристик (табл.1), распределения глубин (рис.4) дало возможность отнести озера к классу гипометотермических по классификации С. П. Китаева (1970, 1978). По количеству градусо-дней озеро с естественным режимом было отнесено к категории «теплые» (3395°), озеро с искусственным термическим режимом – «очень теплые» (4074°) по классификации С.П. Китаева (1975, 1978). Повышение температуры в озере на 679° в результате теплового загрязнения способствует развитию дополнительной генерации личинок хирономид.
Годовые динамики и 2D модели горизонтального распределения температур воды озер с естественным и искусственным температурным режимом представлены на рисунках 5 и 6 соответственно.
Рис. 5. Температурный режим оз. В. Кабан: а – годовой температурный режим;
б – 2D модель горизонтального распределения поверхностных температур (июль 2011 г.)
Современный температурный режим оз. В. Кабан характеризуется 6 периодами в соответствии с предложенным С.А. Зерновым (1934) годовым ходом температуры (рис. 5): летняя и зимняя стагнация (1, 4); частичная летняя (2) и зимняя (5), полная осенняя (3) и весенняя (6) циркуляции. Температура оз. В. Кабан в поверхностном слое воды в течение года изменялась от 0,3 до 31,1°С, в придонном – от 1,9 до 15,4°С.
Рис. 6. Температурный режим оз. С. Кабан: а – годовой температурный режим;
б – 2D модель горизонтального распределения поверхностных температур (июль 2011 г.)
Оз. С. Кабан характеризуется 5 периодами: исчезает период зимней стагнации (4). Температура поверхностного слоя воды в течение года изменяется от 0,3 до 34,5°С, а придонного – от 1,9 до 28,2°С. Значительный вклад, особенно в зимний период времени, вносят подогретые воды Казанской ТЭЦ-1, которые не позволяют средней температуре опуститься ниже 4°С. Большая часть акватории (77%) покрывается ледовым покровом, который держится 4 месяца (табл. 2). На оз. С. Кабан температура поверхностного слоя воды в горизонтальном направлении в самый теплый месяц года изменяется в пределах 9°С (рис.6б), на оз. В. Кабан – в пределах 2°С (рис.5б).
Если на оз. С. Кабан на участке влияния теплых вод ТЭЦ в зимний период времени наблюдается прямая стратификация (рис.7а), то на оз. В. Кабан без теплового загрязнения – обратная (рис.7б). Термоклин на оз. С. Кабан продолжается 2 месяца: июль и август (рис.7в), на оз. В. Кабан 1 месяц – июль (рис.7г). В придонном слое воды озер отмечается повышение температуры на 0,2-0,3°С, связанное с разложением органического вещества в подстилающем слое грунта.
Рис.7. Распределение температуры по глубине озер Средний (а, в) и Верхний (б, г) Кабан
Таблица 2 – Температурные периоды мезотрофных озер умеренной зоны
| Источник сведений | Температурные периоды | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| Летняя стагнация | Частичная летняя циркуляция | Полная осенняя циркуляция | Зимняя стагнация | Частичная зимняя циркуляция | Полная весенняя циркуляция | |
| С.А. Зернов (1934 г.) | середина февраля – начало сентября | сентябрь - начало декабря | первая половина декабря | середина декабря – середина января | середина января – начало февраля | середина февраля |
| А.Н. Липин (1950 г.) | середина апреля - середина июля | середина июля - октябрь | середина октября | конец октября – конец марта | первая половина апреля | середина апреля |
| Озеро Средний Кабан | ||||||
| Н.Н. Никольский (1901 г.) | середина апреля – середина июня | июнь – сентябрь | сентябрь – середина октябрь | вторая половина октября - март | вторая половина марта – начало апреля | середина апреля |
| Наши данные (2011 г.) | начало апреля – конец июля | начало августа – конец октября | конец октября – начало января | - | начало января – середина марта | вторая половина марта |
| Озеро Верхний Кабан | ||||||
| Наши данные (2011 г.) | конец апреля – конец июля | начало августа – конец октября | первая половина ноября | середина ноября – середина марта | середина марта – начало апреля | середина апреля |
Сравнивая современный температурный режим оз. С. Кабан в условиях теплового загрязнения с результатами первого исследованиями этого же озера, проведенного Н.Н. Никольским в 1901 г., а также с наиболее характерными особенностями термического режима озер средней полосы России, описанными С.А. Зерновым (1932) и А.Н. Липиным (1950) можно отметить:
- в современном озере без теплового загрязнения (оз. В. Кабан) наблюдается удлинение периода летней стагнации на 1 мес.; сдвиг температурного максимума с июня на июль с увеличением его значения на 24,4%; сокращение продолжительности периодов частичной летней и полной осенней циркуляции на 0,5 мес. и периода зимней стагнации на 1 мес. по сравнению с озером, описанным Н.Н. Никольским в 1901 г. По сравнению с озером, описанным А.Н. Липиным (1950 г.) наблюдается подвижка всех выделенных температурных периодов на 0,5 мес. вперед и увеличение значения температурного максимума на 35,2%.
- в современном озере с тепловым загрязнением (оз. С. Кабан) наблюдается удлинение периодов летней стагнации на 2 мес., частичной летней и полной осенней циркуляции на 1 мес., сдвиг во времени температурного максимума с июня на июль и увеличение его значения на 38%; отсутствие периода зимней стагнации по сравнению с этим же озером, описанным Н.Н. Никольским в 1901 г.
Как видно из данных, представленных на рис.5, 6, табл.2 при термическом антропогенном воздействии на водоем температурный режим озера значительно меняется: если при одинаковых температурах воздуха коэффициент вариации (V,%) значений температуры воды в озере без промышленного загрязнения водоема составил 4,6%, то при тепловом загрязнении соответственно 16,4%.
Проведенное исследование позволило провести зонирование акватории оз. С. Кабан по характеристикам состояния экосистем, которые находятся в зависимости от особенностей температурного режима зоны (рис.8). Поскольку оз. В. Кабан по результатам исследования характеризуется как водоем со слабым антропогенным воздействием, то значения показателей оз. В. Кабан были использованы нами в качестве характерных значений для урбанизированной территории в настоящее время («Н» - рис.8).
Рис.8. Зонирование оз. С. Кабан г. Казани по характеристике температурного режима: а – весна; б – лето; в – осень, г – зима; д – год
Зона I типа – зона промышленного загрязнения. Охватывает акваторию юго-восточной части озера. Температурные значения (табл.3) и количество выделенных температурных периодов (6) аналогичны оз. В. Кабан (рис.5). Аналогичны и значения растворенного кислорода, только зимой среднее значение по зоне повышается на 41%. В температурном режиме зимой наблюдается обратная стратификация и ледовый покров. Наблюдаются минимальные значения величины испарения – менее 7,1 тыс.м3 с 1 га, нейтральная реакция среды в течение года за исключением июля – щелочная
(10,03), вызванная массовым развитием фитопланктона (рис.9). Значения ХПК изменялись от 14 до 29 мгО2/дм3, составив в среднем 23,8±1,43 мгО2/дм3. Была отмечена обратная зависимость между значениями pH и ОВП (r2 = -0,93) и максимальное отклонение среднесезонных значений ОВП от аналогичных значений показателя на озере В.Кабан: весной отклонение отсутствует, летом на 24,3%, осенью на -29,6%, зимой на -74,5% (табл.3).
Зона II типа – зона верховьев озера, занимающая северо-западную часть озера, где наблюдается циркуляция воды. Данная зона характеризуется более высокими среднесезонными значениями температуры воды весной и осенью по сравнению с зоной I типа: повышение составляет 65,7% и 8,1% соответственно; количество температурных периодов – 6. В температурном режиме зимой наблюдается обратная стратификация и ледовый покров. Отмечаются более высокие концентрации растворенного кислорода в воде в весенний период времени (в поверхностном слое воды на 39%, в придонном на 13,3%) и более низкие в осенний (в поверхностном на 30,1%, в придонном на 14,6%) по сравнению с зоной I типа. Величина испарения изменяется от 7,1 до 8,3 тыс.м3. Значения pH сдвигаются в слабощелочную сторону, однако не выходят за границы установленных нормативов 6,5-8,5 за исключением летнего периода времени (11,1) (рис.9). Значения ХПК изменялись от 16 до 30 мгО2/дм3, среднее значение составило 23,8±1,58 мгО2/дм3. Летом и зимой отклонение среднесезонных значений ОВП от аналогичных значений на озере без промышленного загрязнения отсутствует, весной на -30,1%, осенью на -29,5%. Значение САОА аналогично значению данного показателя на оз. В. Кабан и составляет 4,64 мг.рутин/л.
Зона III типа – зона промышленного и теплового загрязнения. Данная зона характеризуется отсутствием периодов полной осенней циркуляции (3) и частичной зимней циркуляции (5), зимней стагнации (4). Отсутствие ледового покрова приводит к прямой стратификации температуры воды. Среднесезонные значения температуры воды максимальны (табл.3). В весенний, летний и осенний периоды температура данной зоны превышает температуру оз. В.Кабан в 1,5 раза, в зимний – в 4,7 раз. Несмотря на значительное повышение температуры в летний период, значения растворенного кислорода в поверхностном слое аналогичны озеру с естественным температурным режимом, а в зимний период повышаются на 81% (табл.4) в результате поступления насыщенных кислородом вод с открытого сбросного канала ТЭЦ и отсутствия ледового покрова. Наблюдаются максимальные величины испарения с водной поверхности – более 8,3 тыс.м3, что приводит к повышению минерализации до 0,97 г/л. Значения pH соответствуют слабощелочной реакции среды (рис.9). Значения ХПК колебались от 12 до 30 мгО2/дм3, составив в среднем 22,2±1,55 мгО2/дм3. Значения ОВП ниже по сравнением с значениями данного показателя на оз. В. Кабан только в осенний период времени на -29,6%. Наблюдаются более низкие значения САОА по сравнению с зоной I типа и оз. В. Кабан – 3,19 мг.рутин/л.
Таким образом, для водоема, подверженного промышленному, в том числе тепловому загрязнению, по комплексу абиотических показателей выделяются 3 зоны, которые отличаются по значениям температуры, растворенного кислорода, pH, ОВП, САОА. Отмечается превышение БПК5 до 2,6ПДКрх с максимальными значениями в апреле и июле – времени массового развития фитопланктона. В среднем БПК5 за год составляет 2,6±0,3 мгО2/дм3. Максимальные значения ХПК, достигающие 30 мгО2/дм3, отмечаются при повышении концентрации растворенного кислорода (май-июнь, август-октябрь). По значениям ХПК различий между зонами не отмечается.
Таблица 3 – Среднесезонная динамика абиотических показателей воды оз. С. Кабан и В. Кабан
| Название озера | Весна | Лето | Осень | Зима | |
| t (пов. слой), °С t (придон. слой), °С | |||||
| Оз. В. Кабан | 4,6±1,2 3,2±1,3 | 24,4±1,2 13,6±1,3 | 10,3±1,2 8,8±1,3 | 1,3±1,2 2,2±1,3 | |
| Оз. С. Кабан | Зона I типа | 4,6±1,2 3,2±1,3 | 24,4±1,2 16,2±1,3 | 10,3±1,2 11,4±1,3 | 1,3±1,2 2,2±1,1 |
| Зона II типа | 7±1,2 5,8±1,3 | 24,4±1,2 16,2±1,3 | 12,7±1,2 11,4±1,3 | 1,3±1,2 2,2±1,3 | |
| Зона III типа | 7±1,2 5,8±1,3 | 26,8±1,2 16,2±1,3 | 15,1±1,2 14±1,3 | 6,1±1,2 4,8±1,3 | |
| О2 (пов.слой), мг/л О2 (придон.слой), мг/л | |||||
| Оз. Верхний Кабан | 6,4±0,9 3,9±0,3 | 6,4±0,9 4,3±0,3 | 6,2±0,9 4,1±0,3 | 4,4±0,9 3,3±0,3 | |
| Оз. С. Кабан | Зона I типа | 6,4±0,9 3,9±0,3 | 6,4±0,9 4,3±0,3 | 6,2±0,9 4,1±0,3 | 6,2±0,9 3,9±0,3 |
| Зона II типа | 8,9±0,9 4,5±0,3 | 6,4±0,9 4,3±0,3 | 4,4±0,9 3,5±0,3 | 6,2±0,9 3,9±0,3 | |
| Зона III типа | 9,1±0,9 5,1±0,3 | 6,4±0,9 3,7±0,3 | 4,4±0,9 3,5±0,3 | 8,0±0,9 4,5±0,3 | |
| pH | |||||
| Оз. Верхний Кабан | 6,5 – 7,5 | 6,5 – 7,5 | 7,5 – 8,5 | 6,5 – 7,5 | |
| Оз. С. Кабан | Зона I типа | 6,5 – 7,5 | 6,5 – 8,5 | 7,5 – 8,5 | 6,5 – 7,5 |
| Зона II типа | 7,5 – 8,5 | 7,5 – 8,5 | 7,5 – 8,5 | 7,5 – 8,5 | |
| Зона III типа | 7,5 – 8,5 | 7,5 – 8,5 | 7,5 – 8,5 | 7,5 – 8,5 | |
| ОВП, мВ | |||||
| Оз. Верхний Кабан | -55±8,5 | -70±8,5 | -57,5±8,5 | -11±8,5 | |
| Оз. С. Кабан | Зона I типа | -55±8,5 | -53±8,5 | -74,5±8,5 | -28±8,5 |
| Зона II типа | -72±8,5 | -70±8,5 | -74,5±8,5 | -11±8,5 | |
| Зона III типа | -55±8,5 | -70±8,5 | -74,5±8,5 | -11±8,5 | |
Из созданного уравнения баланса САОА воды и абиотических факторов среды экосистемы озер С. Кабан и В. Кабан выведен новый комплексный показатель качества вод – Икв [1].
[1]
Где САОА – суммарная антиоксидантная активность (мг.рут./л); Tпов – температура поверхностного слоя воды (°С); Со2 – концентрация растворенного кислорода в воде (мг/л); pH – pH среды; ОВП – окислительно-восстановительный потенциал среды (мВ). Достоверность прогнозной модели подтверждает стандартная ошибка 0,09 и коэффициент детерминации 99,32%.
Если значения индекса лежат в пределах от -1 до 1, то воды относятся к чистым (олигосапробным в соответствии с данными параллельного микробиологического анализа). Если в промежутках от 1 до 2 и от -1 до -2, то -мезосапробная зона, если от 2 до 3 и от -2 до -3, то -мезосапробная зона. При значениях коэффициента в диапазоне -3<Икв<3 воды загрязненные – полисапробные. По представленному индексу в оз. В.Кабан весной и осенью олигосапробное качество воды, а летом и зимой -мезосапробное. Качество воды в зоне верховьев оз. С. Кабан характеризуется как наиболее низкое (в летнее время года Икв достигает -3,2 – полисапробное качество воды). Для зоны промышленного и теплого загрязнения характерна максимальная вариабельность показателя Икв (от -2,5 до 2,4; V = 909,4%). В разные промежутки времени качество в данной зоне характеризуется как олиго-, -мезосапробное.
3.3.Исследование грунта и распределение иловых отложений в озерах
Впервые на оз. С. и В. Кабан были исследованы донные отложения и построена карта-схема их распределения (рис. 10). Выделены 3 типа грунта: 1 - мелкоалевритовые илы, 2-крупноалевритовые илы и 3-песок различных фракций.
Рис. 10. Распределение (а, б) и толщина (см) (в, г) донных отложений на оз. С. Кабан и В. Кабан
На оз. С. Кабан в мелководной прибрежной зоне грунты представлены песком различных фракций (зерна диаметром 0,078-0,556 мм) с присутствием органических веществ (1,5% от сухой массы грунта). По мере приближения к профундали песок сменяется крупноалевритовым илом (зерна диаметром 0,05-0,1 мм) с количеством органического вещества до 4,1% от сухой массы грунта. На глубинах более 10 м. отмечается присутствие мелкоалевритового ила с минимальным диаметром зерен – 0,018 мм, максимальным содержанием органического вещества до 12,4% от сухой массы грунта, маслянистой структурой с высокой плотностью (до 1,4 г/см3) и присутствием запаха сероводорода. В оз. В. Кабан доминирующим типом грунта становятся крупноалевритовые илы, а мелкоалевритовые илы носят фрагментарный характер, присутствуя в местах сброса ливневых вод.
Толщина илистых отложений варьирует от 0 до 130 см, составляя в среднем 80 см в оз. В. Кабан, а в оз. С. Кабан толщина варьирует от 0 до160 см, составляя в среднем 45 см. Меньшая скорость осадконакопления (1 см/год) сокращает толщину залегания органических илов в оз. С. Кабан в 1,8 раз, а в северо-западной части озера, характеризующейся наличием проточности в результате работы ТЭЦ, в 2,7 раз.
Установлены закономерности увеличения концентрации тяжелых металлов в ионной форме с увеличением доли органического вещества (Ов) в грунте (рис.11). Например, концентрация стронция (СSr) описывается уравнением: СSr = 0,01 + 0,002*Ов2. Концентрация меди в грунтах, представленных песчаными фракциями в 2 раза выше, чем в илистых. Рентгенофлуоресцентный анализ выявил, что все тяжелые металлы не превышают их фоновое содержание в донных отложениях по Республики Татарстан за исключением меди (превышение в 3,84 раза в илистых грунтах и в 7,69 раз в песчаных) и цинка (в 1,2 в песчаном грунте).
Рис. 11. Концентрации основных тяжелых металлов Рис.12. Динамика ИЗВ оз. С. Кабан
в разных типах грунта (мг/кг сухого вещества)
В придонном слое воды отмечается превышение ПДКрх по следующим металлам: марганцу (в 1,6 – 109 раз), меди (в 2 – 40 раз), свинцу (в 3,3 раза), цинку (в 3 раза), магнию (в 1,1 раз), фосфору (на 0,1 – 0,4 раз). Максимальная концентрация всех тяжелых металлов была зафиксирована в зоне теплового загрязнения. Это связано с вторичным загрязнением вод и с поступлением сточных вод промышленных предприятий. Высокие концентрации меди и марганца в воде характерны в целом для водных объектов Республики Татарстан и могут быть связаны с геохимическими региональными особенностями.
Рассчитанный ИЗВ (Роскомгидромет, 1996) по 6 показателям (БПК5, растворенный кислород, pH, азот нитритный, медь, сульфаты) характеризует воду оз. С. Кабан как загрязненную. Осенью отмечается максимальное значение индекса – 4,1, в зимний период времени индекс принимает свое минимальное значение – 3,4 (рис.12). В тоже время, в зимний период в зоне без термического воздействия отмечаются наибольшие значения индекса (5,1), что связано в первую очередь с низкими значениями растворенного кислорода в воде.
Таким образом, тепловое загрязнение водоема приводит к повышению содержания растворенного кислорода в зимний и весенний период времени в поверхностном (до 81%) и придонном слое (до 26,6%) в результате отсутствия ледового покрова и наличии аэрации, максимальным значениям водообмена в виде испарения и скоростей течения, подщелачиванию воды, преобладанию крупноалевритовых илов с содержанием органического вещества до 4,1% от сухой массы грунта, снижению значений ОВП (до -29,6% осенью), понижению значений САОА (до 3,19 мг.рут./л) по сравнению с оз. В. Кабан.
Промышленное загрязнение приводит к преобладанию мелкоалевритовых илов с содержанием органического вещества до 12,4% от сухой массы грунта, снижению значений ОВП (до -74,5% зимой), превышению БПК5 до 2,6 ПДКрх.
Глава 4. ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ БИОТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОЗЕР СРЕДНИЙ И ВЕРХНИЙ КАБАН
4.1. Исследование санитарно-микробиологического состояния
Для динамики бактериопланктона в обоих озерах характерно 3 максимума по численности. Отличие заключается во времени наступления максимумов (рис.13). Если на оз. С. Кабан максимумы численности приходятся на апрель (34,4±0,6*103 КОЕ/мл), июль (40,5±1,4*103 КОЕ/мл) и декабрь (37,3±0,9*103 КОЕ/мл), то на оз. В. Кабан на май (19,8±0,4*103 КОЕ/мл), июль (34,8±1,3*103 КОЕ/мл) и сентябрь (28,7±0,5*103 КОЕ/мл). По численности бактериопланктона вода в обоих озерах соответствует -мезосапробной зоне по классификации А.А. Былинкиной (1962) и «загрязненной» в соответствии с ГОСТ 17.1.3.07-82.
Рис. 13. Годовая динамика общего микробного числа (ОМЧ) с нанесенными планками погрешностей на оз. В. Кабан (а) и С. Кабан (б)
В зоне промышленного загрязнения (зона I типа, рис.13) в июле отмечается максимальное количество микроорганизмов – 54,1±1,9*103 КОЕ/мл, в тоже время в зоне промышленного и теплового загрязнения – 40,5±1,4*103 КОЕ/мл. В зоне III типа наблюдается круглогодичная вегетация динофитовых водорослей, при отмирании которых (апрель месяц) отмечается увеличение численности сапрофитных микрооргонизмов по сравнению с зоной I типа. Был отмечен сдвиг во времени максимальной численности бактериопланктона на 2 месяца: с октября на декабрь. В зонах I и II типов было обнаружено семейство Enterobacteriacea.
4.2. Исследование степени зарастания озер
Анализ степени зарастания озер выявил, что, несмотря на промышленное и тепловое загрязнение оз. С.Кабан, оно имеет меньший процент зарастания (4%) по сравнению с оз. В.Кабан (17%). В результате теплового загрязнения на оз.С.Кабан преобладают теплолюбивые формы: тростник обыкновенный, рогоз узколистный, рогоз широколистный, рдест курчавый, многокоренник, ряска и в открытом сбросном канале ТЭЦ валлиснерия спиральная.
4.3. Исследование фитопланктона, зоопланктона и зообентоса
Отмечается прямая зависимость между численностью батериопланктона в озерах и биомассой фитопланктона (r2=0,6) (рис.14). Тепловое загрязнение приводит к сдвигу во времени максимальной численности фитопланктона с мая, что характерно для озер рассматриваемой климатической зоны, на апрель. Увеличение численности фитопланктона приводит к увеличению значений БПК5, азота аммонийного (рис.14) и температуры воды. Происходит сдвиг и в осеннее время с сентября на декабрь (рис.14). Период вегетации фитопланктона в целом увеличивается на 4 мес., а в зоне сбросного канала ТЭЦ длится круглый год.
Рис.14. Динамика численности (N) бактерио- и фитопланктона оз. В.Кабан (а) и С. Кабан (б)
Сравнивая структуру фитопланктона в период максимального развития двух озер, можно отметить, что при естественном температурном фоне (оз. В. Кабан) доля Cyanoprokaryota составляет 28,7%, Chlorophyta 41,6%, Bacillariophyta 29,2%, а в условиях теплового загрязнения (оз. С. Кабан) доля Cyanoprokaryota возрастает до 43,8%, Chlorophyta до 52,4%, а доля Bacillariophyta сокращается до 3,7% (рис.15).
Аналогичная картина наблюдается вблизи мест сброса сточных вод. Таким образом, цианопрокариоты максимально представлены в зоне теплового загрязнения и в местах сброса сточных вод.
Рис.15. Структура фитопланктона в период максимального развития
По величине биомассы фитопланктона исследованные водоемы характеризуются как -эвтрофный (оз.С.Кабан) и -мезотрофный (оз.В.Кабан) по классификации С.П. Китаева (1984) (табл.5). Индекс сапробности, рассчитанный по численности фитопланктона, позволил оценить воды оз. С.Кабан как -мезосапробные (1,68-2,02), оз. В.Кабан как олигосапробные (1,43-1,58).
Для оценки степени антропогенной нагрузки на озера нами рассчитаны среднегодовые значения численности и биомассы фито- и зоопланктона по собственным данным (2011 г.) и по данным Ф.Ф. Бариевой (Бариева, 2003) и О.Ю. Деревенской (Деревенская, 1997) (рис.16, 17).
Рис.16. Среднегодовые значения биомассы (В) фитопланктона оз. В. Кабан (а) и С. Кабан (б)
Если в оз. В. Кабан отмечается некоторое увеличение среднегодовой биомассы фитопланктона (рис.16) (с 0,11 до 2,38 мг/л) в связи с идущим процессом эвтрофирования (олиготрофия мезотрофия) и региональным потеплением климата, то в оз. C. Кабан в отдельные годы отмечаются значения близкие к природному фону (1,1; 3,53; 0,66; 1,6 мг/л), в другие годы (1996; 1998; 2011) отмечаются значения биомассы фитопланктона значительно больше (7,9-78,2 мг/л) за счет увеличения биомассы цианопрокариот, вызванной ростом промышленной нагрузки на водоем.
Сравнение численности зоопланктона в разные годы исследования на озерах (рис. 17) показало существенное увеличение численности с 1981 по 2011 год. При этом, если в 1991 г. численность зоопланктона в обоих озерах была относительно равной (369,2 и 392 тыс.экз./м3 соответственно), то уже в 2011 г. количественное развитие зоопланктона в оз. С. Кабан в 4 раз превышало этот показатель в оз. В. Кабан. Таким образом, можно сделать вывод о значительном увеличении промышленной нагрузки на оз. С. Кабан после 1991 года и по настоящее время (степенной тренд).
Рис.17. Среднегодовые значения численности (N) и биомассы (B) зоопланктона на оз. С. Кабан и В. Кабан
Пространственное распределение зоопланктона, зообентоса и рыб на исследуемых озерах представлено на рис.18.
Рис. 18. Пространственное распределение зоопланктона, зообентоса и рыб на оз. С.Кабан (а) и В.Кабан (б)
Максимальные значения численности зоопланктона были зафиксированы в зоне зарослей макрофитов (достигая в июле в оз. В. Кабан 500 и оз. С. Кабан 1350 тыс.экз/м3 соответственно). Аналогично пространственное распределение зообентоса. Максимальная численность зообентоса в оз. В. Кабан вблизи зарослей вышей водной растительности в июле составила 775 экз./м2, из которых 74% составили личинки хирономид (Chironomus f. l. plumosus L., Ch. f. l. semireductus L. и др.), 9,7% – олигохеты (Tubifex tubifex Muller, Stylaria lacustris L. и др.) и 16,3% – прочие зообентонты. В оз. С. Кабан максимальная численность зообентоса в июле составила 3840 экз./м2 (зона I типа), из которых 73% пришлось на личинки хирономид (Glyptotendipes glaueus Meig, G. Paripes Edw., Endochironomus albipennis Meig. и др.), 19% – олигохеты (Stylaria lacustris L. и др.) и 8% - прочие зообентонты. Исследование распределения зообентоса по глубине выявило, что по мере приближения к профундали (h>10 м) количественные характеристики зообентоса снижались с 775 до 13 экз./м2 и с 991 до 2,5 мг/м2 в оз. В. Кабан и с 3840 до 57 экз./м2; с 3,7 до 0,035 г/м2 в оз. С. Кабан. Низкие значения численности и биомассы зообентоса также были отмечены в районе проведения берегоукрепительных работ оз. С. Кабан – 450 экз./м2 и 0,3 г/м2 – -олиготрофная зона. В зоне промышленного и теплового загрязнения численность зообентоса в среднем за вегетационный период составила 410±97,4 экз./м2, биомасса – 0,43±0,1 г/м2. По численности макрозообентоса оба озера были отнесены к категории -мезосапробных в литоральной зоне.
4.4. Ихтиологическое состояние озер
Выявлена разница в плотности рыб в различных зонах в зависимости от их физико-химических особенностей и замена доминант в составе ихтиофауны с окуневых на карповых в зоне промышленного и теплового загрязнения. В зоне промышленного и теплового загрязнения средняя за вегетационный период плотность рыб составила 883±97 шт./га, в зоне верховьев озера – 2890±126 шт./га; в зоне промышленного загрязнения – 2270±119 шт./га (рис.18). Средняя за вегетационный период плотность рыб на оз. В. Кабан составила 1277±102 шт./га. Низкая плотность обыкновенного карася в районе теплового загрязнения связана с высоким водообменном, малой степенью зарастания (0,4%) и количеством зообентоса (0,43±0,1 г/м2) по сравнению с остальными зонами озера. Расчет потенциальной ихтиомассы по уровню кормовой базы (Китаев, 1984) показал, что фактически определенная ихтиомасса методом эхолокации ниже потенциальной по биомассе фито- и зоопланктона и выше по биомассе зообентоса. Потенциальная ихтиомасса в зависимости от термического типа озера (С.П. Китаев, 1984) ниже по сравнению с фактической ихтиомассой в зонах промышленного загрязнения и выше на 30,2% в зоне промышленного и теплового загрязнения.
Сравнительная характеристика состояния бактерио-, фито- и зоопланктона, зообентоса и ихтиофауны представлена в табл.4.
Таблица 4 – Характеристика биоты оз. С. Кабан и В. Кабан
| Показатели | Оз. Средний Кабан | Озеро Верхний Кабан | ||
| I типа | II типа | III типа | ||
| Площадь зарастания, % от общей площади зоны / га | 3,5 / 2,84 | 4,2 / 0,7 | 0,4 / 2,84 | 17 / 4,82 |
| Общее микробное число, тыс.кл./мл. | 27,3±3 | 28,1±1,5 | 32,9±1,3 | 20,8±1,8 |
| Наличие семейства Enterobacteriacea | 0,0125 | 0,002 | отсутствует | 0,03 |
| Численность фитопланктона, тыс.кл./л | 84005±5205 | 77130±6249 | 21290±897 | 10235±470 |
| Биомасса фитопланктона, мг/л | 7±2,3 | 4,52±1,87 | 4,5±1,6 | 1,24±0,25 |
| Численность зоопланктона, тыс.экз./м3 | 757±277 | 108±36,5 | 244±55,5 | 159±64,5 |
| Биомасса зоопланктона, мг/л | 12138±3716 | 624±79 | 2203,3±734 | 2031,4±531 |
| Численность зообентоса, экз./м2 | 2573,6±676,8 | 746,5±196,5 | 410±97,4 | 355,6±133,2 |
| Биомасса зообентоса, г/м2 | 2,83±0,72 | 1,53±0,23 | 0,43±0,1 | 0,3±0,1 |
| Ихтиомасса, кг/га | 61,2 | 77,9 | 23,8 | 59,37 |
| Плотность рыб, шт/га | 2270±119 | 2890±126 | 883±97 | 1277±102 |
Сравнительный анализ фактического состояния компонент биоты оз. С. Кабан выявил, что для зоны поступления поверхностных сточных вод (зона I типа) характерно максимальное развитие высших водных растений (зарастаемость 3,5%), микроорганизмов в июле (54,13 тыс.кл./мл), фито-, зоопланктона и зообентоса (84005±5205 тыс.кл./л; 757±277 тыс.экз./м3 и 2573,6±676,8 г/м2 соответственно). Зона промышленного и теплового загрязнения (III типа) характеризуется небольшим ростом зоопланктона по сравнению с зоной II типа, все остальные перечисленные показатели минимальны. Таким образом, в оз. С. Кабан количественные характеристики биоты выше по сравнению с оз. В. Кабан, что также является доказательством более высокого уровня загрязнения оз. С. Кабан.
Глава 5. ПУТИ РЕАБИЛИТАЦИИ ОЗЕР СРЕДНИЙ И ВЕРХНИЙ КАБАН
5.1.Комплексная оценка состояния экосистем озер
Комплексная бальная оценка с учетом сезонного аспекта (рис.18, 19) проводилась по 14 показателям (растворенный кислород, pH, САОА, температура воды, ОВП, количество сапрофитных микроорганизмов, численность и биомасса фито-, зоопланктона, зообентоса, ихтиомасса), охарактеризованных в 6 методиках оценки качества вод (Китаев, 1984; Былинкина, 1962; Сладечек, 1967; Романенко, 1990; ГОСТ 17.1.3.07-82; Калайда, Гордеева, 2011). Поскольку в рассмотренных методиках степень загрязнения вод и трофности озер представлена разным количеством категорий качества вод, нами сделан перевод данных методов в бальную оценку, где каждой категории качества вод присвоен 1 балл. Например, в шкале В. Сладечека (1967) по степени сапробности ксеносапробному водоему был присвоен 1 балл, олигосапробному – 2, -мезосапробному – 3, -мезосапробному – 4, полисапробному – 5 баллов. При оценке физико-химических и микробиологических показателей использовались значения 4 сезонов, т.е. ксеносапробный водоем характеризуется 4 баллами. В методике А.А. Былинкиной (1962) при оценке качества вод используются показатели 2 сезонов – лета и зимы, соответственно категории «очень чистые» или «ксеносапробные» присвоено 2 балла. В связи с этим минимальное количество баллов в общей оценке качества вод составило 31 балл. Максимальное количество баллов, соответствующее наихудшему качеству вод, составило 208 баллов. Комплексная балльная оценка степени загрязнения и трофности свидетельствует о среднем уровне загрязнения (мезотрофии) как озера с промышленным загрязнением, так и озера без него. Диапазон изменения баллов незначительный: от 98,5 баллов на оз. В. Кабан до 104 баллов на оз. С. Кабан.
Результаты комплексной бальной оценки (рис.17) свидетельствуют о том, что в оз. В. Кабан бальная оценка варьировала от 14 осенью до 22,5 баллов летом. В оз. С. Кабан – от 13 до 24 баллов. Можно отметить, что в условиях промышленного загрязнения (зона II типа) размах вариационного ряда баллов больше, чем в условиях теплового загрязнения (зона III типа) как основного: 11 против 6 баллов. В целом, летний и зимний периоды, характеризуются наиболее низким качеством вод по сравнению с весенним и осенним периодами. При этом максимальную долю в летний период в загрязнение зон II и III типа оз. С. Кабан вносят физико-химические показатели (50 и 62% от максимального числа баллов соответственно), а зоны I типа и оз. В. Кабан – микробиологические показатели (52 и 53% соответственно). В зимний период максимальную долю в загрязнение вносят физико-химические показатели (от 56 до 60% от максимального числа баллов).
Бальная оценка качества вод по характеристикам биоты (рис.19) выявила наихудшее состояние водной экосистемы в зоне I и II типа оз. С. Кабан (по 32 балла), для которых характерно комплексное антропогенное воздействие.
5.2. Интерактивная модель комплексной оценки состояния экосистемы озер
Для удобства восприятия данных, фактически проведенные исследования по комплексу физико-химических, биотических характеристик и с учетом состояния донных отложений, были заложены в динамическую картину состояния озер – интерактивную программу комплексной оценки состояния экосистемы оз. В. Кабан и С. Кабан г. Казани, позволяющую визуализировать состояние водоемов. Данная программа предназначена для организации проведения реабилитационных мероприятий на озерах в условиях урбанизированной территории.
5.3. Практические рекомендации по реабилитации озер, основанные на комплексной оценке состояния экосистемы
Для оз. В. Кабан предложено создание рекреационной зоны – гидропарка (рис.20, 21), что позволит сохранить водоем в состоянии мезотрофии путем соблюдения требований к качеству воды рекреационных зон. Из проведенных расчетов по кормовой базе для оз. С. Кабан в целом рекомендовано вселение Ctenopharyngodon idella Val. (рис.20), что обеспечит ежегодное изымание высшей водной растительности площадью 5,2 га и возможность вылова рыбной продукции в объеме 1505 кг при ежегодном зарыблении годовиками с плотностью посадки 705 шт/га. В связи с тем, что наибольший вклад в загрязнение водной экосистемы вносят ливневые сточные воды и планируется увеличение антропогенной нагрузки на береговую линию, предлагается реализация рекреационного потенциала. Данное мероприятие возможно путем формирования рациональной и перспективной системы рекреационных объектов (зоопарка и благоустроенной набережной) и инженерной инфраструктуры (создание дренажной системы отвода ливневых вод).
Рис.20. Пути реабилитации на оз. С. Кабан и В. Кабан
ВЫВОДЫ
1. Промышленное загрязнение приводит к снижению значений суммарной антиоксидантной активности воды с 4,64 мг.рут./л, характерных для озера без промышленного загрязнения, до 3,19 мг.рут./л при характеристике талой и артезианской воды – 2,61 и 5,37 мг.рутин/л соответственно.
Промышленное загрязнение приводит к повышению значений окислительно-восстановительного потенциала в летний период до 24,3% (-53±8,5 мВ), к снижению данного показателя в осенний и зимний периоды до -29,6% (-74±8,5 мВ) и -74,5% (-28±8,5 мВ) соответственно по сравнению с озером без промышленного загрязнения.
2. Разработан индекс качества вод, который позволяет оценивать качество воды по степени загрязнения на основе использования перспективного комплексного показателя – суммарной антиокисдантной активности. Данный индекс получен из уравнения баланса значений антиокисдантной активности (мг.рут./л) и абиотических факторов среды: температуры поверхностного слоя воды (°С), растворенного кислорода (мг/л), pH, ОВП (мВ).
3. Показано существенное влияние промышленного загрязнения на продолжительность и количество современных температурных периодов: количество температурных периодов снижается с 6 до 4, термоклин длится 2 месяца (июль, август) вместо 1 мес. (июль), коэффициент вариации значений температур воды в течение года составляет 16,4% вместо 4,6%.
4. Тепловое загрязнение, сопровождающееся изменением гидрологического режима с наличием повышенного водообмена (до 1,37 м/сек) приводит к смене доминирующего типа грунта с крупноалевритовых илов с содержанием органического вещества до 4,1% от сухой массы грунта, характерного для озера с естественным режимом на мелкоалевритовые илы с большим содержанием органического вещества (до 12,4%).
В условиях промышленного загрязнения отмечается превышение фонового содержания в грунте тяжелых металлов, например, меди (в 3,84 раза в илистых грунтах и в 7,69 раз в песчаных) и цинка (в 1,2 в песчаном грунте).
5. В зоне промышленного загрязнения отмечаются максимальная численность и биомасса фито-, зоопланктона и зообентоса (84005±5205 тыс.кл/л, 757±277 тыс.экз./м3, 2573,6±676,8 экз./м2 соответственно; 0,007±0,002, 12,13±3,7 г/м3, 2,83±0,72 г/м2 соответственно). В зоне промышленного и теплового загрязнения отмечается снижение данных показателей в 3,9, 3,1, 6,3 раза соответственно и в 1,75, 5,5, 6,6 раз соответственно; смещение периодов максимального развития бактериопланктона (на 2 мес.) на более поздний период (на декабрь); удлинение периода вегетации фитопланктона на 4 мес. и до круглого года в зоне сбросного канала ТЭЦ; развитие погруженных теплолюбивых видов высшей водной растительности; сокращение плотности рыб с 2890±126 до 883±97 шт./га и замене доминант в составе ихтиофауны с окуневых на карповых.
6. Комплексная бальная оценка состояния экосистемы озер по абиотическим и биотическим показателям характеризует озеро с промышленным загрязнением и без него как мезотрофное. В сезонном аспекте наиболее низкое качество вод отмечается в летний и зимний периоды за счет ухудшения физико-химических показателей, в частности снижения концентрации растворенного кислорода. Наихудшее состояние водной экосистемы по анализу биотической составляющей было отмечено в зонах I и II типа оз. С. Кабан, для которых характерно комплексное антропогенное воздействие.
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
1. Разработана компьютерная интерактивная программа комплексной оценки состояния экосистем оз. В. Кабан и С. Кабан г. Казань, предназначенная для организации проведения реабилитационных мероприятий на озерах в условиях урбанизированной территории.
2. Для оз. В. Кабан предлагается создание рекреационной зоны - гидропарка;
3. Для оз. С. Кабан в целом рекомендовано вселение Ctenopharyngodon idella Val. с плотностью посадки 705 шт/га, реализация рекреационного потенциала путем формирования рациональной и перспективной системы рекреационных объектов и инженерной инфраструктуры.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
Публикации в изданиях из перечня ВАК Минобрнауки России:
1. Калайда М.Л., Галеева (Гордеева) М.Э. История развития математического моделирования водных экосистем // Бутлеровские сообщения. – 2010. – Т.22 – № 12. – С. 54-60.
2. Галеева (Гордеева) М.Э., Лапин А.А., Чугунов Ю.В., Калайда М.Л. Антиоксидантная активность – перспективный показатель для определения индекса качества вод // Бутлеровские сообщения. – 2012. – Т.29 – № 3. – С. 110-119.
3. Калайда М.Л., Галеева (Гордеева) М.Э., Лапин А.А., Зеленков В.Н., Попов А.И., Русаков А.В. Антиоксидантная активность – интегральный показатель характеристики грунтов в водных экосистемах // Бутлеровские сообщения. – 2012.- Т.22 – № 12. – С. 140-146.
Публикации в других издания:
4. Калайда М.Л., Галеева (Гордеева) М.Э. The opportunities of mathematical modeling under the efficient exploration of water ecosystems // Вестник Казанского Государственного Энергетического Университета. - 2010. – № 3(6).- С. 69-75.
5. Калайда М.Л., Галеева (Гордеева) М.Э. Эксперименты по альголизации водоемов одноклеточной водорослью Chlorella vulgaris // Вестник Казанского гос. энерг. ун-та. – 2011. – № 2(10). – С.42-52.
6. Галеева (Гордеева) М.Э., Калайда М.Л., Лапин А.А. Абиотические факторы среды рыбохозяйственного водоема // Вестник государственной полярной академии. – 2011. – № 1(12). – С.42-43.
7. Галеева (Гордеева) М.Э., Калайда М.Л. Температурный режим неглубоких озер умеренной зоны XXI века // Материалы Всероссийской молодежной научно-практической конференции с международным участием «Экологобезопасные и ресурсосберегающие технологии и материалы»: Тезисы докладов. – Улан-Удэ: Бурятский гос. ун-т, 2011. – С. 177-179.
8. Галеева (Гордеева) М.Э., Калайда М.Л. Коэффициент качества вод как важный показатель состояния водной экосистемы // Материалы II научно-практической конференции молодых ученых «Современные проблемы и перспективы рыбохозяйственного комплекса»: Тезисы докладов. – М: ФГУП «ВНИРО», 2011. – С. 277-279.
9. Галеева (Гордеева) М.Э., Калайда М.Л. Формирование базы данных как основа моделирования водных экосистем // Материалы докладов VI Всероссийской молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» / Под общ. ред. д-ра физ.-мат. наук, проф. Ю.Я. Петрушенко. – Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2011. – Т. 3. – С.90.
10. Галеева (Гордеева) М.Э., Калайда М,Л. Индекс качества вод как перспективный комплексный показатель // Материалы докладов XV аспирантско-магистерского научного семинара, посвященного «Дню энергетика». – Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2011. – Т. 30., № 4 – С.208-209.
11. Галеева (Гордеева) М.Э., Калайда М.Л. Оценка качества вод озера в условиях антропогенного воздействия // Материалы докладов VII Всероссийской молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» / Под общ. ред. ректора КГЭУ Э.Ю. Абдуллазянов. – Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2012. – Т. 3. – С.144-145.
Подписано в печать 21.11.2013г.
Формат 60х841/16. Печатных листов 1.
Бумага офсетная, тираж 100. Заказ К-92.
Отпечатано в ИД «МеДДок»
г. Казань, ул. Муштари, 11, тел. 259-56-48.
E-mail: [email protected]
