Способ определения экологического состояния пресноводных водоемов

 

Использование: охрана, контроль качества воды пресноводных водоемов, в том числе и рыбохозяйственного назначения. Сущность изобретения: непосредственно в водоеме измеряют активную реакцию воды pH и содержание кислорода O₂ и по этим гидрохимическим показателям определяют показатель трофности (ПТ) водоема по формуле, приведенной в описании. Экологическое состояние водоема определяют путем сравнения расчетного значения ПТ с его численным значением для различных экологических состояний дистрофного (ПТ ≅ 5,7), ультроэлиготрофного (5,7 < ПТ < 7,0), олиготрофного (ПТ ≈ 7,0), мезотрофного (7,0 < ПТ < 8,3) и эвтотрофного (ПТ > 8,3). 1 табл.

Изобретение относится к охране поверхностных вод от загрязнений, а именно к способам контроля качества воды пресноводных водоемов различного назначения.

Известно, что экологическое состояние водоемов определяется биотическим балансом фотосинтеза (продукции) Ф и деструкции органического вещества Д. При цветении воды (эвтрофирование) происходят нарушение биотического баланса и накопление органического вещества, что приводит к нарушению равновесия экологической системы и в конечном счете к ухудшению качества воды.

По экологическому состоянию водоемы классифицируют на дистрофные, олиготрофные и эвтрофные. Между ними выделяют промежуточные состояния ультраолиготрофное и мезотрофное. Знание экологического состояния водоема позволяет управлять продукционными и деструкционными процессами, регулировать и предотвращать нарушение его экологического равновесия.

Известны четыре основных метода определения экологического состояния водоемов: по содержанию биогенных элементов (азота и фосфора), являющихся стимуляторами развития водорослей; по индикаторным организмам, обитающими в толще воды и на дне; по количественным показателям развития микроскопических водорослей (фитопланктона) численности, биомассе, концентрации хлорофилла, скорости фотосинтеза и др.

по качественным визуальным признакам прозрачности, цвету, запаху и т.д. (Федоров В. Д. О методах изучения фитопланктона и его активности. М. МГУ, 1979, с. 49-61).

Для объективной оценки экологического состояния водоема показатели, полученные при использовании указанных методов, должны рассматриваться в совокупности, что требует значительных затрат труда и времени.

Наиболее близким к заявленному способу по сущности и достигаемому результату является способ определения экологического состояния пресноводных водоемов методом склянок, заключающийся в отборе проб воды из водоема, определении в лабораторных условиях гидрохимических показателей, а именно растворенного кислорода О₂ в пробах воды, заключенных в герметически замкнутые темные и светлые сосуды (склянки), до и после экспозиции, расчете критерия трофности, в качестве которого рассматривают отношение Ф/Д, где Ф величина фотосинтеза, Д величина деструкции, выраженные через содержание кислорода О₂ в пробах воды, и сравнении этого показателя трофности с его численным значением, равным 1. В зависимости от величины Ф/Д различают следующие экологические состояния водоемов: дистрофное Ф/Д < 1, олиготрофное Ф/Д ≈ 1 и эвтрофное Ф/Д > 1, (Винберг Г.Г. Первичная продукция водоемов. Минск, 1960, с. 181-183, 299).

Величину фотосинтеза (Ф) определяют по изменению содержания кислорода за определенное время в изолированном образце воды, помещенном в светлую склянку Ф [O₂]CK [O₂]CH, где [O₂]CK содержание кислорода в воде в светлой склянке после эаспозиции, мг/л x xсут; [O₂] C содержание кислорода в воде в светлой склянке в начальный момент, мг/л x x сут.

Величину деструкции (Д) определяют по изменению содержания кислорода в изолированном образце воды, помещенном в темную склянку, которая экспонируется при тех же условиях, что и в светлой склянке Д [O₂]TH [O₂]TK, где [O₂]TH содержание кислорода в воде в темной склянке в начальный момент, мг/л x x сут; [O₂] TK содержание кислорода в воде в темной склянке после экспозиции, мг/л x xсут.

Содержание кислорода в пробах воды определяется широко используемым аналитическим методом Винклера (Федоров В.Д. О методах изучения фитопланктона и его активности. М. МГУ, 1979, с. 78-81).

Значения фотосинтеза Ф и деструкции Д обычно определяют в пробах воды, взятых из различных участков водоема и разных глубин, после чего путем графического интегрирования получают средние значения этих показателей для каждого слоя воды и для водоема в целом.

При использовании способа определения экологического состояния водоема, принятого за прототип, гидрохимические показатели определяют в лабораторных условиях в герметически замкнутых склянках, в которых невозможно воспроизвести все естественные процессы, протекающие в водоеме, в котором фотосинтез органических веществ происходит не только за счет микроскопических водорослей в толще воды, но и за счет высшей водной растительности, а в потреблении кислорода участвует все сообщество организмов водоема, а также органические вещества, содержащиеся не только в воде, но и в донных отложениях.

В связи с этим известный метод определения экологического состояния водоемов, не отражающий всей сложной совокупности естественных биологических и биохимических процессов в водоеме, не обеспечивает объективной и достоверной оценки экологического состояния. С другой стороны использование известного метода требует значительных затрат труда, времени и средств для отбора многочисленных проб воды на различных участках и разных глубинах водоема и проведения их гидрохимических анализов в лабораторных условиях.

Заявленный способ направлен на повышение точности и достоверности оценки экологического состояния водоемов и упрощение известного способа.

В отличие от известного способа определения экологического состояния водоемов, предусматривающего выявление гидрохимических показателей, расчет критерия трофности и сравнение его с численными значениями для различных экологических состояний водоема, при использовании заявленного способа в качестве гидрохимических показателей определяют активную реакцию воды рН и содержание кислорода О₂ в воде непосредственно в водоеме, в качестве критерия трофности рассчитывают показатель трофности ПТ по формуле ПТpH_i/n × 100-[O₂]_i/n
где n число измерения рН_i и [O₂]_i и сравнивают расчетный показатель трофности ПТ с его постоянными численными значениями для различных экологических состояний водоема: дистрофного ПТ ≅ 5,7, ультраолиготрофного 5,7 < ПТ < 7,0, олиготрофного ПТ ≈ 7,0, мезотрофного 7,0 < ПТ < 8,3 и эвтрофного ПТ > 8,3.

Заявленный способ определения экологического состояния водоемов использует впервые разработанный показатель трофности ПТ, полученный на основе измерений в воде водоема величины рН и растворенного кислорода О₂и учитывающий все процессы фотосинтеза и деструкции органических веществ в водоеме. В патентной и технической литературе отсутствуют сведения о предложенном способе определения экологического состояния водоемов, в связи с чем этот способ обладает элементами существенной новизны.

Способ осуществляют следующим образом.

На станциях наблюдений непосредственно в водоеме определяют активную реакцию воды рН и содержание кислорода О₂. Известно, что процессы фотосинтеза Ф и деструкции Д органических веществ приводят к изменению в воде содержания кислорода О₂ и углекислого газа СО₂, то есть
CO₂+H₂O CH₂O+O₂
(Винберг Г.Г. Первичная продукция водоемов. Минск, 1960, с. 62-63).

Изменение содержания углекислого газа СО₂ в воде может определяться изменением величины рН. Растворенный кислород О₂ и углекислый газ СО₂являются конечными продуктами процессов фотосинтеза и деструкции органических веществ в водоеме. Указанные процессы в конечном счете и определяют экологическое состояние водоема. Следовательно, по значениям рН и О₂ можно судить о состоянии водоема и в случае необходимости предпринимать необходимые меры по регулированию продукционно-деструкционных процессов.

Разработан критерий трофности водоемов, учитывающий указанные гидрохимические показатели и полностью отражающий совокупность процессов фотосинтеза и деструкции органических веществ в водоеме. Этот критерий трофности ПТ определяется по формуле
ПТpH_i/n ×
100-[O₂]_i/n
где n число измерений рН_i и [O₂]_i;
pH_i содержание ионов водорода при разовом замере;
[O₂]_i содержание растворенного кислорода в при разовом замере.

Оценка экологического состояния оказывается тем точнее, чем больше производится замеров n, так как экологическое состояние водоема может меняться как в течение суток, так и в течение года.

Окончательно экологическое состояние водоема определяется путем сравнения расчетного значения ПТ с его численным значением для различных экологических состояний: дистрофного (ПТ < 5,7), ультраолиготрофного (5,7 < ПТ < 7,0), олиготрофного ПТ ≈ 7,0, мезотрофного (7,0 < ПТ < 8,3) и эвтрофного (ПТ ≥ 8,3).

Таким образом, заявленный способ основан на измерении двух взаимосвязанных стандартных гидрохимических показателей, измеряемых непосредственно в водоеме. Это позволяет учитывать разработанным показателем трофности все многообразие гидрохимических и биологических процессов в водоеме, что дает возможность получить объективную, достоверную и достаточно точную оценку экологического состояния водоема, при этом не требуется рассматривать множество гидрохимических и биологических показателей в их совокупности. В настоящее время при экологическом мониторинге широко используется система автоматизированного измерения рН и О₂ непосредственно в водоеме, что позволяет производить непрерывный контроль экологического состояния водоемов при минимальных затратах труда и времени.

П р и м е р 1. В качестве примера дистрофного водоема выбрано озеро Жемчужное на Карельском перешейке Выборгского района Ленинградской области, которое характеризовалось низкой интенсивностью фотосинтеза, составляющей Ф 0,1-0,3 мг О₂/л^. сут, при этом Ф/Д 0,19/3,63 0,05 < <1, что подтверждает экологическое состояние водоема как дистрофное (Баранов И.В. Пшенина Т.И. Влияние извести, азотно-фосфорных удобрений на гидрохимический режим и первичную продукцию оз. Жемчужное. Изв. ГосНИОРХ, т. 45, Л. 1968, с. 48).

Непосредственно в водоеме на различных его участках были замерены рН и О₂, значения которых представлены в таблице.

Для указанных значений рН и О₂ показатель трофности
ПТ= 20,2/3 · 100 379/6/3 1,9<5,7

Экологическое состояние водоема определялось заявленным методом на основе 6 анализов, выполненных в течение 6 ч, в то время как для определения экологического состояния водоема методом склянок, принятым за прототип, необходимо было выполнить 12 анализов в 6 пробах воды до и в 6 пробах после экспозиции в течение 30 ч.

Таким образом, заявленный способ определения экологического состояния водоема учитывает все многообразие гидробиологических и гидрохимических процессов в водоеме, позволяет получить объективную и достоверную информацию о состоянии водоема на основе ограниченного числа анализов, что позволяет значительно уменьшить затраты труда, времени и средств при проведении исследований.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПРЕСНОВОДНЫХ ВОДОЕМОВ по степени его трофности, предусматривающий регистрацию гидрохимических показателей, расчет критерия трофности водоема и определения экологического состояния водоема по величине критерия, отличающийся тем, что в качестве гидрохимических показателей регистрируют активную реакцию среды pHn содержание кислорода (О₂) непосредственно в водоеме, в качестве критерия трофности рассчитывают показатель трофности (ПТ) по формуле
ПТ = Σ pH_i/n -


где n число измерений;
pH_i содержание ионов водорода при разовом замере;
[O₂]_i содержание растворенного кислорода при разовом замере,
при этом при значении показателя менее 5,7 водоем считают дистрофным, при значении показателя больше 5,7, но меньше 7,0 ультралиготрофным, при значении 7,0 олиготрофным, от значения более 7,0 но менньше 8,3 - мезотрофным, а при значении показателя, большем либо равном 8,3 эвтрорным.

РИСУНКИ

Рисунок 1