Екологічний контроль стану гідроекосистем басейнів річок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Київський національний університет будівництва і архітектури

УДК 504.4.054+504.06+556

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Екологічний контроль стану гідроекосистем басейнів річок (на прикладі басейну р. Прут)

21.06.01 - Екологічна безпека

ЯЦІВ МАРИНА ЮРІЇВНА

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі охорони праці та навколишнього середовища Київського національного університету будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України

Науковий керівник доктор біологічних наук, професор

УДОД Віра Михайлівна,

Київський національний університет будівництва

і архітектури, професор кафедри охорони праці

та навколишнього середовища

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

ЯКОВЛЄВ Євгеній Олександровича,

Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору НАН України, м. Київ,

головний науковий співробітник

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

ІВАНЮТА Сергій Петрович,

Національний інституту стратегічних досліджень, м. Київ,

старший консультант відділу техногенної та екологічної безпеки

Захист відбудеться 14 грудня 2011 р. о 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.05 «Основи та фундаменти. Будівельні матеріали та вироби. Екологічна безпека» Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський проспект, 31, ауд. 466.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий 14 листопада 2011 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доцент М.В. Суханевич

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Початок ХХІ сторіччя характеризується тим, що практично всі поверхневі водні об'єкти кількісно та якісно виснажені (Яцик, 2003 р.; Національна доповідь… 2007 р., Батлук, 2009 р.). Сучасний екологічний стан викликає серйозну стурбованість, тому що внаслідок багатофакторного впливу на басейни річок не відбувається збереження природної організації гідроекосистем через порушення внутрішньоводоймних процесів (Стольберг, 2000 р.; Воробйов, 2006 р.; Васюков, 2007 р., Молчанова, 2007 р.). Гомеостатичність водних екосистем може бути досягнута лише за умов раціонального використання водних ресурсів, якісного екологічного контролю та інформаційного супроводження прийняття природоохоронних рішень для створення екологічно безпечних умов розвитку природних і соціально-економічних систем на регіональному рівні. Такий підхід особливого значення набуває в тих випадках, коли вода річок використовується для централізованого водопостачання та господарської діяльності людини. Саме за таких умов формуються взаємопов'язані екологічні зв'язки між водними ресурсами та соціально-економічним середовищем. Існуючі методи контролю за станом водойм лише на основі ГДК є екологічно неефективними (Воробйов, 2006 р.; Васюков, 2007 р., Удод, 2011р.) за рахунок того, що ГДК представляють собою принципово індивідуальні стандарти, які регламентують лише ізольовану дію нормативно шкідливого агента та не передбачають визначення впливу забруднюючих речовин на гомеостатичність водних екосистем та відновлення самоочисної здатності водойми. У зв'язку з цим надзвичайно важливим та актуальним є розробка комплексних критеріїв екологічної оцінки ефективності внутрішньоводоймних процесів з урахуванням вимог принципів сталого розвитку природних і соціальних систем. А для реалізації цих положень розробка геоінформаційних систем та використання їх в природоохоронній діяльності досліджуваного регіону.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась безпосередньо автором відповідно ініціативного плану науково-дослідних робіт кафедри охорони праці і навколишнього середовища Київського національного університету будівництва і архітектури за темами: «Дослідження впливу техногенезу на гомеостатичність природних систем та їх елементів. Розробка і впровадження в навчальний процес концепції сталого розвитку природно-антропогенних систем» (2008 - 2009 рр.); «Трансформація природних систем під впливом антропогенного навантаження» (2010 - 2012 рр.); відповідно Гранту Президента України для обдарованої молоді “Створення геоінформаційної системи та картографічної моделі техногенного навантаження на басейни річок Чернівецької області” (розпорядження Президента України від 04.12.2007 р. № 285/2007-р “Про призначення грантів Президента України для обдарованої молоді на 2008 рік”); відповідно договору про співпрацю між Інститутом телекомунікацій і глобального інформаційного простору НАН України та кафедрою охорони праці і навколишнього середовища КНУБА.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка і реалізація методів, спрямованих на вирішення задач екологічного контролю стану гідроекосистем басейнів річок, як один із шляхів забезпечення їх сталого розвитку.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв'язати наступні задачі: якість вода екосистемний прут

- охарактеризувати екологічну ситуацію басейну р.Прут;

- провести огляд відомих підходів та методів оцінки якості вод;

- створити базу даних якості поверхневих вод басейну р. Прут та проаналізувати дані екосистемного моніторингу у просторі та часі з використанням методів математичного аналізу, встановити наукові закономірності розвитку гідроекосистем, визначити лімітуючі фактори розвитку водних екосистем, виконати розрахунки якості поверхневих вод на основі існуючих методик проведення оцінки;

- створити базу даних антропогенного навантаження на поверхневі води басейну р. Прут та проаналізувати характер водокористування в досліджуваному басейні;

- розробити новий метод оцінки стану гідроекосистем басейнів річок на основі існуючих методик з урахуванням принципів сталого розвитку природних систем;

- на основі ГІС-технологій розробити інформаційне супроводження прийняття природоохоронних рішень в басейні р. Прут з наступним впровадженням у практику.

Об'єктом дослідження є стан гідроекосистем басейнів річок.

Предметом дослідження є методи екологічного контролю стану гідроекосистем басейну р. Прут на території України.

Методи дослідження. При виконанні роботи використовувалися статистичний аналіз рядів спостережень за хімічним складом води, математичне моделювання, порівняння існуючих методик оцінки якості поверхневих вод, методи геоінформаційних технологій.

Наукова новизна одержаних результатів:

- виявлено закономірності розвитку гідроекосистем басейну р. Прут, зокрема визначено просторово-часові особливості зміни якості поверхневих вод по всьому досліджуваному басейну, визначені лімітуючі фактори розвитку водних екосистем;

- дістали подальшого розвитку методи оцінювання самовідновних властивостей водних екосистем, які характеризують внутрішньоводоймні процеси басейну річки (на прикладі басейну р. Прут);

- вперше запропонований індекс розвитку гідроекосистем (ІРГ), який дає змогу комплексно оцінити стан водної екосистеми по трьом напрямам: поточний стан гідроекосистеми, антропогенне навантаження на водну екосистему, заходи щодо збереження сталого розвитку водної екосистеми;

- розроблено математичні моделі для прогнозування змін якості води річок басейну р.Прут;

- розроблено геоінформаційну систему “Техногенне навантаження на басейн річки Прут”, що дозволяє оптимізувати систему підтримки прийняття природоохоронних рішень в басейні р. Прут.

Практичне значення одержаних результатів. Запропонований методичний підхід оцінки стану гідроекосистем басейнів річок може бути використаний для оцінки рівня розвитку гідроекосистем різних регіонів України. Виконані дослідження дозволили проаналізувати та оцінити екологічний стан водних об'єктів, розробити тематичні карти-схеми екологічного стану басейну річки Прут. Результати наукових досліджень можуть бути використані в якості інформаційного супроводження природоохоронних рішень та заходів в досліджуваному басейні.

Результати дисертаційної роботи використовуються та впроваджені:

- в учбовий процес на кафедрі охорони праці та навколишнього середовища Київського національного університету будівництва і архітектури для студентів спеціальності 7.070801 “Екологія та охорона навколишнього природного середовища і збалансованого природокористування” (методичні рекомендації «Оцінка якості поверхневих вод при використанні картографічного матеріалу (на прикладі р.Прут)» до практичних робіт з дисципліни “Техноекологія”; конспект лекцій «Інженерні методи захисту гідросфери»);

- у науково-дослідній роботі Інституту телекомунікацій і глобального інформаційного простору НАН України (при розробці геоінформаційної системи “Техногенне навантаження на басейн річки Прут”, при складанні екологічної карти Чернівецької області);

- у виробничу діяльність Північно-східної філії Державного науково-виробничого центру «Природа».

Особистий внесок здобувача в науковій праці полягає у проведенні аналітичних досліджень, обробці отриманих результатів, розробці нових методичних підходів, впровадженні розробленого матеріалу. Особистий внесок здобувача у наукові праці:

- було розроблено комплексну програму досліджень, яка включила вирішення таких питань: з'ясування основних джерел забруднення природних вод; види забруднення води річки; наслідки забруднення і прогноз на майбутнє [1, 9]; охарактеризовано екологічну і техногенну ситуацію басейну річки Прут в Чернівецькій області [1, 5, 9, 10];

- проаналізовано якість води на різних ділянках р.Прут за 1955 - 2005 рр. [1, 2];

- розглянуто проблему оцінки якості води гідроекосистем, виділено здатність води річок до самоочищення як індикатор їх стану; запропоновано підхід до визначення якості вод гідроекосистем р.Прут на основі критеріїв, що відображають процеси трансформації забруднюючих речовин у водному середовищі, процеси самоочищення [2, 7];

- проведено порівняння різних методик оцінки якості поверхневих вод на прикладі р.Прут [7, 14];

- запропоновано методику еколого-санітарної оцінки стану гідроекосистем, яка включає комплексний індекс розвитку гідроекосистем та визначення їх самовідновних властивостей [8];

- проведено моделювання процесу самоочищення на ділянці р. Прут між трьома створами [6];

- проаналізовано характер водокористування в басейні р.Прут за 1991-2007рр. [11];

- створено бази даних гідрохімічних показників та водокористування в басейні р. Прут; розроблено геоінформаційну систему «Техногенне навантаження на басейн річки Прут» [12];

- проведено комплексну оцінку якості води р.Прут за методикою Гідрохімічного інституту [3, 14];

- досліджені умови формування якості води річки Прут; виконана гідрологічна характеристика даної річки; проведена оцінка води р.Прут як джерела водопостачання [4];

- виконаний довгостроковий прогноз якості поверхневих вод басейну р. Прут [13].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на 68, 71 і 72 науково-технічних конференціях КНУБА (м. Київ, 2007 р., 2010 р., 2011 р.); на І та ІІ Міжнародних науково-практичних конференціях молодих вчених і студентів «Підвищення ефективності використання водних, теплових та енергетичних ресурсів та охорона навколишнього середовища» (м. Київ, 2008 р., 2009 р.); на Міжнародній науково-практичній конференції молодих вчених і студентів “Сучасні екологічно безпечні та енергозберігаючі технології в природокористуванні” (м. Київ, 2011 р.); на кон-ференції «Управление водно-ресурсными системами в экстремальных условиях» (м. Москва, 2008 р.), на 8-ій Міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні інформаційні технології управління екологічною безпекою, природокористуванням, заходами в надзвичайних ситуаціях» (АРК с. Рибаче, 2009р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 14 друкованих праць, у тому числі 8 статей у наукових фахових виданнях, 2 статті у матеріалах конференцій, 3 тези доповідей, 1 методичні рекомендації.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Робота викладена на 243 сторінках друкованого тексту, у тому числі основний текст на 131 сторінці, включає 6 рисунків на 6 сторінках, 7 таблиць на 12 сторінках, список використаних джерел із 178 найменувань на 22 сторінках та 14 додатків на 72 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито актуальність теми, наведені мета і завдання дослідження, методи дослідження, наукова новизна роботи, практична значимість одержаних результатів, особистий внесок здобувача, апробація результатів дисертації та публікації.

У першому розділі наведено огляд та аналіз науково-технічної літератури з проблеми. Розглянуто стан вивченості екологічної ситуації, що склалася в басейні р.Прут. Детально проведений аналіз літературних джерел щодо якості поверхневих вод даного басейну. Дослідження стосовно якості поверхневих вод басейну р.Прут наведені в працях М.Д. Галюка, К.І. Геренчука, Г.Д. Гуцуляка, В.М. Клапчука, О.І. Мережка, В. Колодія, М.І. Кирилюка, Р.М. Адаменка, Ю.Ф. Шевчука, Т.В. Соловей. Констатовано, що наявні дослідження проводились, як правило, без аналізу динаміки забруднень в часі (тим паче за довгостроковий період), були обмежені певними гідрологічними умовами, адміністративними кордонами, часто без зазначення пунктів спостереження, досліджувались окремі показники якості, використовувались не абсолютні величини концентрацій, а частки ГДК без зазначення для водойм якого призначення (рибогосподарського чи господарсько-питного). Такий стан досліджень не дозволяє комплексно оцінити стан води усього водного басейну досліджуваної річки, провести просторово-часовий аналіз та спрогнозувати розвиток гідроекосистеми.

Розглянуто проблеми оцінки якості поверхневих вод, якими займались А.В. Яцик, Г.Н. Красовський, В.К. Шитіков, Г.С. Розенберг, А.М. Ніканоров, В.П. Ємельянова, С.І. Сніжко, В.М. Жукинський, В.Д. Романенко, В.М. Удод, В.І. Лаврик. Відмічено, що існуючі методики спрямовані на оцінку якості водного середовища виключно за показниками, які характеризують вміст забруднюючих речовин у воді. Однак, на наш погляд, в наш час актуальною і своєчасною є оцінка водного об'єкта з позиції сталого розвитку, яка б у комплексі з характеристикою ступеня забрудненості водного середовища відображала б рівень техногенного навантаження на гідроекосистему, ступінь її стійкості, а також захищеність зі сторони людини. Також показано, що важливим показником екологічного благополуччя гідроекосистем є інтенсивність самоочищення, яка є віддзеркаленням внутрішньоводоймних процесів. Вивченням процесів самоочищення вод займались такі вчені, як Л.Н. Горєв, П.І. Коваленко, В.І. Лаврик, В.Б. Мокін, І.Д. Родзиллер, В.Є. Синельніков, Л.М. Галкін, Ю.А. Ізраель.

В якості потужного інструменту для визначення екологічного стану гідроекосистем, рівнів техногенного навантаження на них та прогнозування змін на картографічній основі розглянуто сучасні геоінформаційні технології.

Нами висунуто наукову гіпотезу, згідно якої можливо проводити екологічний контроль стану гідроекосистем басейнів річок, зокрема басейну р.Прут, із застосуванням нових підходів до визначення стану гідроекосистем на основі принципів їх сталого розвитку.

Другий розділ присвячено матеріалам і методам, які були використані для виконання поставлених завдань. Зокрема, було створено інформаційну базу даних гідроекологічних показників, до якої увійшли дані з Галузевого державного архіву гідрометслужби України для 14 створів басейну р.Прут (рис.1). Також створена база даних антропогенного навантаження з відомостей статистичної звітності 2ТП-водгосп, в яку увійшли дані щодо водокористування в басейні р.Прут за сім років (1991, 1994, 1997, 1999, 2001, 2004, 2007 роки).

Для оцінки впливу природних та антропогенних факторів на стан поверхневих вод досліджуваного басейну були використані наступні методики 1) індекс забрудненості води (ІЗВ); 2) комбінаторний індекс забруднення за методикою Гідрохімічного інституту (Москва); 3) екологічний індекс за методикою екологічної оцінки якості поверхневих вод за відповідними категоріями; 4) математичне прогнозування за допомогою моделювання статистичними методами; 5) методи геоінформаційного картографування та аналізу; 6) математичне моделювання процесу самоочищення.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В третьому розділі представлено результати проведеного екологічного моніторингу водних об'єктів басейну р. Прут. Відмічено обов'язковість басейнового підходу до гідроекологічних досліджень. Проаналізовано рівень техногенного навантаження на гідроекосистеми басейну річки Прут з боку стаціонарних скидів стічних вод.

Для зручності роботи з накопиченими даними екологічного моніторингу досліджуваний період з 1955 року до 2008 року поділили на окремі менші за часом періоди (табл. 1). На основі аналізу цих даних встановлені наукові закономірності змін якості води досліджуваного басейну у просторі і часі.

Під впливом природних та антропогенних факторів з 1950-х років до нашого часу відбулося підвищення мінералізації у поверхневих водах басейну р. Прут (рис.2) Сольовий склад води по довжині р.Прут та в її притоках зазнавав певних змін протягом досліджуваного періоду: гідрокарбонатно-кальцієва вода І та ІІ типів переходить в гідрокарбонатно-кальцієво-натрієву І та ІІ типів, крім с.Докра, де склад води стабільно гідрокарбонатно кальцієвий І та ІІ типів (рис.3).

В роботі для аналізу якості поверхневих вод басейну р.Прут використовували ГДК для водойм рибогосподарського призначення. Величина рН у басейні Прута за досліджуваний період в середньому становила 7,25 - 7,85. Вміст розчиненого кисню становив 11 - 12,2 мг/дм³ біля м. Яремча та с.Дора та 9,04 - 10,9 мг/дм³ в решті створів басейну. Забруднення поверхневих вод басейну р.Прут по БСК₅ та ХСК змінювалось в широких межах в різні часові періоди в різних створах: середньорічне

Таблиця 1 Середньобагаторічні значення показників якості води річки Прут вище м. Чернівці

Показник якості води	Період Одиниці вимір.	1955-1965рр.	1966-1975рр.	1976-1983рр.	1984-1995рр.	1996-2008рр.
Швидкість течії	м/с	-	0,65	0,68	0,39	0,46
Витрата води річки	м3/сек	192,09	166,48	102,13	67,99	61,82
Температура	оС	11,66	8,80	9,73	10,10	9,52
Завислі речовини	мг/дм3	-	200,6	22,00	58,45	14,05
рН	-	7,87	8,02	7,72	7,55	7,71
СО2	мг/дм3	10,16	6,35	-	5,68	3,54
Розчин. Кисень	мг/дм3	-	10,39	10,60	10,12	10,05
Насичення киснем	%	-	90,22	90,92	88,97	88,72
Гідрокарбонати	мг/дм3	168,0	164,3	-	176,4	238,8
Сульфати	мг/дм3	42,58	50,19	44,29	71,54	31,89
Хлориди	мг/дм3	20,59	30,06	30,08	41,16	31,40
Кальцій	мг/дм3	57,71	57,64		53,67	60,28
Магній	мг/дм3	6,84	10,62	14,91	12,86	11,60
Натрій	мг/дм3	-	-	-	47,32	37,37
Сума іонів	мг/дм3	314,3	336,7	380,5	403,3	411,3
Заг. Жорсткість	ммоль/дм3	-	3,70	-	3,77	3,97
Біхром.окислюваність	мгО/дм3	14,59	13,75	26,87	20,52	9,77
БСК5	мгO2/дм3	-	4,34	3,12	3,57	1,95
Нафтопродуктти	мг/дм3	-	1,493	0,336	0,140	0,041
Смоли і асфальтени	мг/дм3	-	-	0,339	0,056	0,106
Феноли летючі	мг/дм3	-	0,002	0,003	0,002	0,003
СПАР	мг/дм3	-	0,570	0,061	0,040	0,025
Азот амонійний	мг/дм3	-	0,281	0,980	0,518	0,352
Азот нітритний	мг/дм3	0,028	0,114	0,018	0,009	0,020
Азот нітратний	мг/дм3	2,334	0,242	0,204	1,044	0,218
Азот загальний	мг/дм3	-	0,43	1,15	2,24	0,59
Фосфор мін.	мг/дм3	-	-	0,045	0,025	-
Фосфор заг.	мг/дм3	-	-	0,074	0,047	0,052
Фосфати	мг/дм3	0,030	0,084	-	0,045	0,023
Залізо загальне	мг/дм3	0,269	0,921	0,368	0,459	0,231
Кремній	мг/дм3	3,09	5,69	-	3,03	2,99
Мідь	мг/дм3	-	0,001	0,007	0,007	0,007
Цинк	мг/дм3	-	0,001	0,006	0,020	0,025
Хром (VI)	мг/дм3	-	0,039	0,011	0,006	0,003
Марганець	мг/дм3	-	-	-	0,014	0,018
Фториди	мг/дм3	-	-	-	0,30	-
Запах	бали	-	16	0	0	0
Прозорість	см	-	9,4	-	24,7	21,7
Колірність,	град.	-	18,8	16,9	13,4	17,3
Пестициди б-ГХЦГ	мг/дм3	-	-	-	0,009	0,000
Пестициди г-ГХЦГ	мг/дм3	-	-	-	0,002	0,000
Пестициди п,п'-ДДЕ	мг/дм3	-	-	-	0,011	0,000
Пестициди п,п'-ДДД	мг/дм3	-	-	-	0,000	-
Пестициди п,п'-ДДТ	мг/дм3	-		-	0,018	0,000
Капролактам	мг/дм3	-	0,000	0,772	0,173	-
Примітка. «-» - немає даних для відображення.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

значення БСК₅ становило 0,14 - 4,39 мгО/дм³, ХСК - 9,2 - 20,3 мгО₂/дм³.Для вод басейну р. Прут характерний високий вміст амонійної (0,26 - 1,705 мгN/дм³) та нітритної (0,009 - 0, 048 мгN/дм³) форм азоту. Вміст азоту нітратного протягом усього досліджуваного періоду відповідав нормативам. Концентрації фенолів і нафтопродуктів, як правило, перевищували ГДК - в середньому по басейну 0,0017 - 0,004 мг/дм³ та 0,032 - 0,24 мг/дм³ відповідно. Для вмісту важких металів (цинк, мідь, хром (IV)) та заліза загального також характерним є перевищення ГДК в переважній більшості випадків.

Нами виділено три рівні виснаження водної екосистеми: 1) у водній екосистемі не проявляються негативні впливи, що виключає порушення екологічно безпечного розвиту природної системи (неперевищення ГДК речовин; для басейну р. Прут - це концентрації розчиненого кисню, сульфатів, хлоридів, кальцію, магнію, натрію, СПАР, нітратів, кремнію, мінералізації, прозорість, рН); 2) у водній екосистемі інтенсивність прояву впливу антропогенних факторів знаходиться на межі пристосувальних реакцій живих організмів (перевищення ГДК антропогенних домішок у воді до 10 разів; для басейну Прута - це ХСК, БСК₅, концентрації нафтопродуктів, фенолів, азотів амонійного та нітритного, фосфатів, заліза загального, міді, цинку, хрому (IV), марганцю); 3) у водній екосистемі проявляється негативний вплив за рахунок перевищення компенсаційних можливостей природної системи і відбувається якісне виснаження води (перевищення ГДК антропогенних домішок у воді у десятки разів; для басейну Прута - це мідь, дещо менше нафтопродукти, залізо загальне і хром (IV)). Таким чином лімітуючими для розвитку гідроекосистеми басейну річки Прут є мідь, хром, залізо загальне, нафтопродукти, та в меншій мірі - цинк, азоти амонійний та нітритний, феноли, марганець, а також ХСК та БСК₅.

Для розробки нових підходів до оцінки стану гідроекосистем була проведена екологічна оцінка стану поверхневих вод басейну Прута за трьома відомими методиками. За Методикою екологічної оцінки якості поверхневих вод за відповідними категоріями екологічний стан поверхневих вод басейну Прута коливається в межах 2-ї і 3-ї категорій (ІІ клас, ЕІ=2,51-3,86) - добрі, досить чисті або дуже добрі, чисті за середніми значеннями показників. За індексом забруднення води (ІЗВ) в переважній більшості води досліджуваного басейну належать до ІІ та ІІІ класів якості - чисті та помірно забруднені. За методикою Гідрохімічного інституту води басейну Прута характеризуються як брудні (клас 4, категорія а), значно рідше - як дуже (3б) або досить забруднені (3а). Як видно, методика Гідрохімічного інституту дає більш "жорстку" оцінку якості поверхневих вод, ніж екологічний індекс та індекс забруднення води.

Здійснена порівняльна характеристика використаних методик. Основним недоліком ІЗВ є чітко фіксований набір показників, які можна використати при оцінці, до шести; плюсом даного методу оцінки є простота розрахунків, що важливо для оперативної оцінки. Перевагою ЕІ є наявність трьох блоків, за кожним з яких можна окремо характеризувати стан якості вод. Також, методика екологічної оцінки якості поверхневих вод за відповідними критеріями має дуже добре охарактеризовану класифікацію класів та категорій якості. Однак, ЕІ не враховує сумарну дію забруднюючих речовин на гідроекоситсему, вихід за межі норми одного показника може компенсуватись покращенням відносно норми іншого. З наведених методик лише при визначенні КІЗ використовуються такі оціночні характеристики, як величина повторюваності випадків перевищення ГДК речовин та кратність перевищень, що, на наш погляд, є значною перевагою над іншими індексами, адже істотно підвищує точність і інформативність оцінки. Крім того, використовуючи ГДК для водойм різного призначення, за допомогою КІЗ можна виконувати оцінку якості вод як з екологічних позицій, так і з санітарно-гігієнічних або водогосподарських. Однак, КІЗ не має класифікації з урахуванням благополуччя функціонування гідроекосистеми. На наш погляд, методика Гідрохімічного інституту заслуговує уваги при проведенні оцінки якості поверхневих вод в умовах, коли водна екосистема постійно знаходиться під дією різносторонніх техногенних факторів.

Проведений довгостроковий (на 10 років) прогноз гідрохімічного складу поверхневих вод басейну річки Прут за допомогою лінійних згладжувальних функцій. В більшості досліджуваних створів для таких показників якості, як мінералізація, мідь, цинк притаманним є зростання, тобто погіршення якості вод, а речовини: СПАР, азот амонійний, фосфати, а також БСК5 та ХСК мають тенденцію до зниження.

В четвертому розділі розглянуто сталий розвиток гідроекосистем, що є основою екобезпечного водокористування. На пріоритетному рівні запропоновано методику визначення рівня розвитку гідроекосистем, основою якої є індекс розвитку гідроекосистем (ІРГ) - комплексний показник, що оцінює рівень благополуччя водної екосистеми по трьом напрямам: якісний стан гідроекосистеми, антропогенне навантаження на гідроекосистему, заходи для збереження сталого розвитку гідроекосистеми (рис.4).

Було розроблено три категорії індикаторів, які різносторонньо розкривають стан гідроекосистеми: 1) індикатори, що характеризують поточний стан розвитку гідроекосистеми; 2) індикатори, що характеризують людську діяльність, процеси і характеристики, які впливають на сталий розвиток гідроекосистем; 3)індикатори, що характеризують дії спрямовані на покращення стану гідро екосистем (рис. 4). В кожній з категорій виділили по дві підкатегорії, які характеризують окремо якість водних ресурсів та їх кількість.

Індекс розвитку гідроекосистеми є результатом агрегації комплексу показників. Першим етапом у визначенні індексу розвитку гідроекосистем є розрахунок проміжних індексів по кожному з показників, які повинні виражатись величиною від 1 до 0. Для цього потрібно для кожного з використовуваних показників встановити порогові значення - найкраще (оптимальне) і найгірше та використати формулу:

(1)

де П_і - фактичне значення показника, який описує і-ту характеристику розвитку гідроекосистеми;

П_{найгірш.} та П_оптим. - відповідно найгірше та найкраще значення для даного показника.

І_{найкращ}., І_{найгірш.} - крайові значення проміжних індексів. Для усіх показників, крім "стійкості гідроекосистеми", І_{найкращ}. = 1, І_{найгірш.} = 0. У цьому випадку формула набуває вигляду:

(2)

Дана формула є своєрідним вираженням інтерполяції (знаходження проміжного значення), при цьому базовими точками є ( П_{найгірш.}, 0) та (П_оптим., 1). Для показника “стійкість гідроекосистеми” вводимо додаткову проміжну базову точку - (П_проміж., 0,5), яка у випадку, коли П_і? П_проміж, набуває значення найгіршої, а при П_і> П_проміж - оптимальної.

Наступним етапом розрахунку ІРГ є визначення індексів по напрямам:

СКЛАДОВІ ІРГ	Поточний стан розвитку гідроекосистеми	Антропогенний вплив на розвиток гідроекосистем	Заходи для збереження сталого розвитку гідроекосистем
НАПРЯМИ	Кількість води	Якість води	Кількість води	Якість води	Кількість води	Якість води
ПОКАЗНИКИ	Водність річки	Екологічне благополуччя водного об'єкту	Водогосподарське благополуччя водного об'єкту	Стійкість гідроекосистеми	Втрата води для природних джерел	Забір води	Скид забрудню-ючих речовин	Скид неочищених стічних вод	Використання оборотного водопостачання (економія води)	Потужність роботи очисних споруд
ІНДЕКСИ ПО ПОКАЗНИКАМ	Івитр.	Іек.бл.	Ів-гп.бл.	Іст.ІРГ.	Івтрат.	Ізабір.	Ізабр.реч.	Ізабр.СВ.	Іобор.	ІОС.
ІНДЕКСИ ПО НАПРЯМАМ	Індекс гідрологіч-ного стану	Індекс стану якості води	Індекс гідрологічного навантаження	Індекс навантаження на якість води	Індекс гідрологічно-го захисту	Індекс захисту якості води
	Іг.с.	Ія.с.	Іг.н.	Ія.н.	Іг.з.	Ія.з.
ІНДЕКСИ ПО СКЛАДОВИМ	Індекс поточного стану гідроекосистеми Іпоточ.ст.	Індекс антропогенного впливу Іантроп.вп.	Індекс збереження гідроекосистеми Ізбереж.
	Індекс розвитку гідроекосистеми ІРГ
Рис.4. Структура і склад індексу розвитку гідро екосистем

,(3)

де І_j - індекс по напряму; m - кількість індексів по показникам, що входять в даний напрям; І_і - індекси по показникам.

Далі розрахунок індексів по складовим:

,(4)

де І_l - індекс по складовій; І_гj - індекс по напряму “Кількість води”; І_яj - індекс по напряму “Якість води”; 1/3 і 2/3 - зважувальні коефіцієнти, які передбачають більшу вагу (2/3) надавати напряму “Якість води”, меншу (1/3) - напряму “Кількість води”.

Узагальнений ІРГ розраховується як середньоарифметичне індексів по складовим:

(5)

В загальному вигляді формулу для розрахунку ІРГ можна записати у вигляді:

або (6)

де a_i - коефіцієнт, який враховує вагу і-го показника.

Відповідно до значень ІРГ можна користуватись запропонованою нами класифікацією рівня розвитку гідроекосистем: до регіонів з високим рівнем розвитку гідроекосистем відносити ті, в яких ІРГ > 0,8; до регіонів з середнім рівнем розвитку гідроекосистем - ті, в яких 0,4 < ІРГ < 0,8; до регіонів з низьким рівнем розвитку гідроекосистем - ті, в яких ІРГ < 0,4 (табл.2). Обчислення ІРГ і індексів окремих характеристик дозволяє оцінити відповідність ситуації, що склалася, якимось орієнтирам, вираженим оптимальними значеннями показників розвитку гідроекосистеми, а також сформулювати якими мають бути управлінські рішення у відповідних ситуаціях. Для цього можна скористатись табл. 2, зпропонованою Шапарем А. Г. для визначення рівня розвитку території та розробки регіональних стратегій сталого розвитку і доповненою нами.

Таблиця 2Вимірювальна шкала для оцінки показників якості гідроекосистем

Діапа-зон ІРГ (Іі, Іj, Il)	Рівень розвитку гідроеко-системи	Стан розвитку гідроеко-системи	Ознаки прийняття управлінських рішень
			Терміновість ухвалення рішення	Радикаль-ність змін	Види управлінських рішень
1,0-0,8	Високий	Еталонний	Обмежень у часі прийняття рішень немає	Незначні зміни	Інформаційний періодичний контроль ситуації
0,8-0,6	Середній	Сприят-ливий	Час прийняття рішень контролюється	Помірні	Нормуючі рішення
0,6-0,4		Задовільний	Обмеження у часі прийняття рішень незначні	Значні	Тактичні регулюючі рішення
0,4-0,2	Низький	Загрозливий	Критичні обмеження у часі прийняття рішень	Суттєві	Планові зміни тактики і стратегічні регулюючі рішення
0,2-0,0		Критичний	Невідкладні дії з мобілізацією усіх ресурсів	Принципові	Планові зміни стратегії

Окремо розглянуто кожен із запропонованих показників, проведені розрахунки для басейну р. Прут. З табл. 3 видно, що найнижчий рівень розвитку має гідроекосистема р.Черемош, і в основному за рахунок дуже низького значення третьої складової ІРГ, тобто в басейні даної річки недостатньо проводиться водоохоронних заходів. Стан розвитку даної водойми знаходиться на межі між задовільним і загрозливим, що вимагає значних змін у прийнятті водогосподарських рішень. В інших пунктах спостереження (Чернівці, Яремча, Коломия, Верховина) гідроекосистема басейну Прута має сприятливий стан розвитку.

Вперше запропоновано показник стійкості гідроекосистем відносно n забруднюючих речовин:

Таблиця 3 Індекси розвитку гідроекосистеми басейну р.Прут

Рік	р.Прут, в межах м.Яремча	р.Прут, 0,5 км нижче м.Коломия	р.Прут, 7 км нижче м.Чернівці	р.Черемош, 1км нижче пгт.Кути	р.Чорний Черемош, 0,5 км нижче пгт.Верховина	Басейн
1991	0,84	0,64	0,72	0,49	0,65	0,67
1994	0,80	0,63	0,62	0,48	0,63	0,63
1997	0,76	0,71	0,64	0,41	0,62	0,63
1999	0,72	0,74	0,62	0,51	-	0,65
2001	0,85	0,76	0,72	0,55	0,67	0,71
2004	0,77	0,68	0,67	0,34	0,60	0,61
2007	0,75	0,68	0,67	0,57	0,93	0,72

(7)

(8)

де І_ст.і - індекс стійкості гідроекосистеми до впливу і-тої забруднюючої речовини;

n - кількість забруднюючих речовин, за якими визначається індекс;

С_{п і} - концентрація і-тої речовини у воді водойми в період, для якого проводиться розрахунок, мг/дм³ (г/м³);

С_{ф і} - фонова концентрація і-тої речовини у воді водойми, мг/дм³ (г/м³);

вираз відображає міру порушеності (забрудненість) гідроекосистеми і-тою речовиною;

Q_{п і} - кількість і-тої речовини, яка потрапляє у водойму зі стічними водами в період, для якого проводиться розрахунок, кг (т);

Q_{ф і} - кількість і-тої речовини (фонова, мінімальна), яка потрапляє у водойму зі стічними водами в період, з мінімальним (граничним) навантаженням, кг (т);

вираз відображає міру потужності (інтенсивності) антропогенного впливу на гідроекосистему і-тою речовиною.

Запропоновано класифікацію стійкості водної екосистеми відповідно до значень І_ст:

0 ? Іст ? 0,5	Гідроекосистема дуже стійка до антропогенного впливу. Високий потенціал самовідновної здатності системи.
0,5 < Іст ? 1,0	Гідроекосистема досить стійка до антропогенного впливу. Достатній потенціал самовідновної здатності системи.
1,0 < Іст ? 5,0	Гідроекосистема чутлива до антропогенного впливу. Низький потенціал самовідновної здатності системи, втрата здатності системи до самовідновлення, початок її деградації
5,0 < Іст ? 10,0	Гідроекосистема дуже чутлива до антропогенного впливу. Деградація екосистеми, кризовий стан самовідновного механізму.
Теоретично при розрахунках за формулою (8) можливі значення , однак для зручності користування класифікацією обмежимо значення Іст ? 10,0. Тобто, якщо в результаті розрахунку Іст > 10,0 , приймаємо Іст = 10,0.

Середні значення І_ст для басейну р.Прут (1,22 - 3,62) свідчать про те, що відносно прийнятих фонових значень порушеність гідроекосистеми була більшою, ніж її навантаженість за досліджуваний період. Це свідчить про високу чутливість гідроекосистеми до антропогенного впливу.

Окремо зосереджено увагу на самовідновній здатності гідроекосистем. В якості індикаторів здатності водойми до самоочищення нами обрано БСК_повн. та ХСК. Запропоновано для оцінки інтенсивності процесу самоочищення між двома створами використовувати визначення інтенсивності зниження важкоокислюваної частини ХСК:

,(9)

де R - кількість субстрату, використана для пластичних цілей (в одиницях ХСК):

,(10)

де ХCК_поч - хімічне споживання кисню води річки у початковому створі, мгО/дм³;

ХCК_кін - хімічне споживання кисню води річки у кінцевому створі, мгО/дм³;

БCК_поч - повне біохімічне споживання кисню води річки у початковому створі, мгО₂/дм³;

БCК_кін - повне біохімічне споживання кисню води річки у кінцевому створі, мгО₂/дм³;

(ХСК_поч - БСК_поч.) - кількість субстрату, яка може бути використана для пластичних цілей, мгО/дм³;

(ХСК_кін - БСК_кін) - кількість субстрату, яку мікроорганізми не змогли використати для пластичних цілей, тобто що залишилося в кінцевому створі (в очищеній воді), мгО/дм³.

Класифікація інтенсивності самоочищення річки відповідно до значень Е_с:

Ес = 0 … 0,3	-	процеси самовідновлення на даній ділянці річки (в басейні річки) мають низький рівень інтенсивності;
Ес = 0,3 … 0,7	-	середній рівень інтенсивності самоочищення;
Ес = 0,7 … 1,0	-	високий рівень інтенсивності самоочищення.

Ефективність самоочисних процесів в басейні р.Прут змінюється в дуже широких межах (табл. 4). При Е_с<0 (коли зниження БСК відбувається на більшу кількість мгО₂/дм³, ніж ХСК) ймовірне додаткове забруднення між створами. При Е_с=0 (при однаковому зниженні БСК і ХСК) зниження ХСК відбувається за рахунок зниження БСК ( адже БСК - частина ХСК).

Відношення БСК_повн/ХСК (частина біохімічно окислюваної органічної речовини від загальної її кількості) використали як індикатор здатності водойми до самоочищення:

БСКповн/ХСК=0…0,3	-	низька здатність водойми до самоочищення;
БСКповн/ХСК=0,3…0,7	-	середня здатність водойми до самоочищення;
БСКповн/ХСК=0,7…1,0	-	висока здатність водойми до самоочищення.

Таблиця 4 Ефективність процесів самоочищення на ділянці р.Прут №6 (нижче м.Чернівці)

Дата відбору проб	4.04.86	3.06.88	2.01.90	26.04.91	30.01.92	8.04.93	15.06.94	29.04.96	1.11.00	14.10.01	26.07.02	8.10.04	1.02.05
ХСКпоч.	17	41,4	25,6	29,4	20,8	17,7	11,5	13,1	9,64	10,0	20,8	4,3	4,8
БСКповн.поч.	10,04	4,30	11,6	5,00	7,14	4,00	2,94	3,14	1,71	4,86	11,3	1,14	3,43
ХСКкін.	16,30	20,0	19,0	23,0	15,3	17,1	7,80	13,0	7,71	8,00	18,4	3,20	3,00
БСКповн.кін.	8,86	3,84	11,0	3,86	7,00	4,00	2,90	3,0	1,29	4,29	10,9	0,86	2,86
Ес	-0,07	0,56	0,43	0,22	0,39	0,04	0,43	0,00	0,19	0,28	0,21	0,26	0,90

Серед усіх вимірювань по басейну р.Прут переважає низька здатність до самоочищення - 60,76%; випадків з середньою здатністю до самоочищення - 35,6 %, і лише 3,64 % вимірів - висока здатність до самоочищення.

Для глибшого вивчення процесів самоочищення були використані методи математичного моделювання. Для прогнозу поведінки забруднення за течією річки була виведена розрахункова формула шляхом розв'язання рівняння Моно:

(11)

при початковій умові t = 0; S = S⁰, де S⁰ є концентрацією субстрата на початку ділянки спостережень (в створі 3,5 км вище м.Чернівці). Залежність між S і t виглядає таким чином:

,(12)

де S - концентрація субстрата, мг/дм³; V_m - максимальна швидкість процесу, яка досягається при необмеженій кількості субстрата, мг/(дм³•год).; К - константа Міхаеліса - Ментен, мг/дм³ (г/м³). За умови S₁ - концентрація субстрата S в момент часу t₁ (в створі 3 км нижче м.Чернівці), S₂ - концентрація субстрата S в момент часу t₂ (в створі 7 км нижче м.Чернівці) (рис.5), отримано:

(13)

(14)

За наведеними формулами проведені розрахунки для шести видів субстрата (БСК₅, феноли, нафтопродукти, азоти амонійний, нітритний та нітратний) і чотирьох сезонів (весна, літо, осінь, зима). Отримані переважаючі негативні значення коефіцієнта К свідчать про абсолютно інший, нетрадиційний для мікробіологічної трансформації забруднюючих сполук, характер залежності швидкості процесу dS/dt від концентрації S. Внаслідок К0 в інтервалі значень S від К до як завжди dS/dt>V_m при S>0. Однак при будь-яких кінцевих значеннях S в даних випадках dS/dt>V_m, а при S>К взагалі dS/dt>. Таким чином V_m тепер набуває значення мінімально можливої швидкості. З фізичної точки зору цей факт можна пояснити неконтрольованим скидом значної кількості забруднень на першій ділянці (між першим і другим створами).

Встановлено залежності V_m(Т), за якими деградація субстрату по БСК₅ та азоту нітратному виявилася набагато чутливішою до змін температури, ніж деградація нафтопродуктів та азоту амонійного, а деградація азоту нітритного та фенолів дуже мало залежить від змін температури.

П'ятий розділ присвячений геоінформаційним технологіям, які є найбільш наочним засобом подання результатів екологічних досліджень.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В середовищі програмного продукту ArcView 9.2 була створена ГІС “Техногенне навантаження на басейн річки Прут” (рис.6), за допомогою якої можливе формування тематичних карт. Розроблена геоінформаційна система може забезпечити картографічну підтримку прийняття рішень з питань управління екологічною безпекою, охороною й раціональним використанням водних ресурсів басейну р.Прут.

ВИСНОВКИ

1. Вперше проведено комплексну екологічну оцінку гідроекосистем басейну річки Прут, а саме:

- в результаті аналізу статистичних даних екологічного моніторингу басейну р.Прут за 1955 - 2008 рр. по 47 показникам та 14 створам встановлені закономірності змін якості поверхневих вод досліджуваного басейну у просторі і часі; встановлено лімітуючі фактори розвитку водних екосистем;

- проаналізовано рівень техногенного навантаження на гідроекосистеми басейну річки Прут з боку стаціонарних скидів стічних вод;

- за значенням розраховного ЕІ якість поверхневих вод басейну р. Прут коливається в межах 2-ї і 3-ї категорій (ІІ клас) - добрі, досить чисті або дуже добрі, чисті; за ІЗВ - ІІ та ІІІ класи якості - чисті та помірно забруднені; за КІЗ (методика Гідрохімічного інституту) - брудні (клас 4, категорія а), значно рідше - дуже (3б) або досить забруднені (3а);

- проведений прогноз якості поверхневих вод басейну р.Прут: в ближчі 10 років спостерігається тенденція до покращення якості за такими показниками, як СПАР, азот амонійний, фосфати, а також БСК₅ та ХСК, а за вмістом мінералізація, мідь, цинк прогнозується погіршення.

2. Обґрунтовано розрахунок індексу стійкості (І_ст) гідроекосистеми до антропогенного навантаження. Запропоновано класифікацію стійкості водної екосистеми. Встановлені індекси стійкості гідроекосистеми басейну р.Прут (1,22 - 3,62) свідчать про те, що відносно прийнятих фонових значень порушеність гідроекосистеми була більшою, ніж її навантаженість за досліджуваний період, що засвід...