1 Применение интегральных показателей и индексов для оценки экологического состояния водных объектов

Важнейшим показателем при определении нагрузок на окружающую среду является понятие качества среды. Качество окружающей среды — состояние окружающей среды, которое характеризуется физическими, химическими, биологическими и иными показателями и (или) их совокупностью. Качество среды - мера соответствия природных условий потребностям живых организмов. Показатель качества среды может включать:

- природные факторы: температура, освещенность и др.;

- антропогенные факторы: загрязнение, фактор беспокойства и др.

В качестве критериев качества среды могут быть использованы биологическая продуктивность экосистемы, соотношение видов, состояния трофических систем и т.п. Качество воды зависит от химического состава воды, физических свойств - цвета, вкуса и запаха - и биологических особенностей воды. Термин «качество воды» употребляется в контексте определенного аспекта ее использования. Существует множество целей использования воды: для питья, купания, удаления отходов, рекреации, полива, в различных производственных процессах. Очевидно, что не имеется универсального или общепринятого набора требований к качеству воды. Для каждой формы использования применяются свои стандарты качества. Как правило, эти стандарты формулируются в виде критических уровней определенного свойства воды, которые не должны быть превышены. Поэтому, к примеру, вода, которая считается непригодной для питьевых целей, вполне может использоваться для орошения или даже купания. При этом отметим, что вода это возобновляемый ресурс, она способна к восстановлению, самоочищению.

Водным кодексом Республики Казахстан определяются так называемые нормативы предельно допустимых вредных воздействий (ПДВВ). Однако остается открытым вопрос о предельно допустимых значениях этих параметров. Механизм системной увязки экологического нормирования, экологической экспертизы, программно-целевого подхода и экологического мониторинга к решению экологических проблем делает процесс управления более целостным и эффективным.

Нормативы качества водных объектов устанавливаются в форме предельно допустимых концентраций вредных веществ (ПДК). ПДК - концентрация вещества в воде, при превышении которой воды становятся непригодными для одного или нескольких видов водопользования. Величина ПДК - это экспериментально установленное и официально утвержденное максимально допустимое постоянное содержание конкретного вредного вещества в водах водного объекта.

Водоем считается загрязненным, если показатели качества воды изменились в результате антропогенного воздействия и вода стала непригодной хотя бы для одного из видов водопользования или водопотребления. Степень предельно допустимого загрязнения воды определяется предельно допустимой нагрузкой, которая зависит от вида использования водного объекта. В России нормирование качества воды водоемов и водотоков осуществляется в зависимости от видов водопользования:

• хозяйственно-питьевое водопользование - использование водных объектов в качестве источников хозяйственно-питьевого водоснабжения;

• коммунально-бытовое водопользование - использование водных объектов для купания, занятия спортом и отдыха населения;

• рыбохозяйственное водопользование - использование водных объектов для обитания, размножения и миграции рыб и других водных организмов.

ПДК для разных категорий существенно различаются. Например, ПДК для аммиака в водоемах 1-й категории составляет 2 мг/л, а для водоемов 2-й категории он равен 0,05 мг/л. ПДК для нефтепродуктов в водоемах 1-й категории равен 0,3 мг/л, а в водоемах 2-й категории - 0,05 мг/л. Для водоемов 1-й категории установлены ПДК более чем для 1700 веществ, для водоемов 2-й категории - почти для 1000. Оценка качества вод по ПДК не учитывает разный трофический статус экосистем, сезонные особенности природных факторов, на фоне которых проявляется токсичность загрязняющих веществ. Оценка степени загрязнения водного объекта по отдельным веществам проводится с использованием критерия ПДК и ОБУВ (ориентировочно-безопасный уровень воздействия) для рыбохозяйственных, а также фоновых региональных концентраций веществ - ксенобиотиков. Наиболее часто используемый в отечественной практике критерий ПДК и расчеты на его основе суммарного индекса загрязненности не учитывают региональных особенностей и предопределяют в какой-то степени необходимость определения большого числа нормируемых компонентов.

Если водный объект имеет многофункциональное использование, применяется показатель вредности, отражающий приоритетность требований к качеству воды, он является лимитирующим показателем. Загрязнение воды может быть обусловлено не только токсичными веществами, но и изменением органолептических показателей (запах воды изменяется от поступления нетоксичных, но дурно пахнущих веществ) и других физико-химических характеристик, к ним относятся: содержание взвешенных веществ, минеральный состав, растворимый кислород, температура, цвет, показатель рН и др.

При нормировании загрязняющих веществ необходимо иметь в виду, что многие вещества обладают сходным токсичным действием, в этих случаях суммарная концентрация таких веществ может превышать предельно допустимую концентрацию для отдельных веществ. Некоторые загрязняющие вещества обладают синергетическим эффектом, то есть токсичность одного в присутствии другого может многократно возрастать. Эффект суммирования действия загрязняющих веществ необходимо учитывать при сложном спектре загрязняющих веществ.

Приведенное описание показывает, что нормирование загрязнений в воде является очень сложной проблемой. Современная система нормирования не учитывает особенностей водного объекта как экосистемы. Наряду с изложенным выше подходом, в мировой практике достаточно широко распространено нормирование загрязняющих веществ, базирующееся на понятии ассимиляционного потенциала. В этом случае поступление загрязняющих веществ от предприятий должно быть таким, чтобы эти поступления не нарушили экосистему в целом. Ассимиляционный потенциал как раз и показывает, какое количество загрязняющих веществ может поглотить та или иная экосистема без ущерба для своего состояния. Определив ассимиляционный потенциал, далее можно установить предельные нормы на сбросы загрязняющих веществ отдельными предприятиями. Экологическое нормирование необходимо проводить с учетом множественности путей загрязнения и самоочищения элементов биосферы. Нормирование антропогенных воздействий проводится на основе оценок их влияния на природные системы. Важным моментом при обосновании экологического нормирования является поиск наиболее слабых или «критических» звеньев биосферы. При анализе адаптационных возможностей биосферы к антропогенным воздействиям важен учет экологического резерва, определяющего долю возобновляемых природных ресурсов, которую можно изъять из биосферы без нарушения ее основных свойств. Экологический резерв неразрывно связан с понятием устойчивости системы. Для нормального функционирования экосистемы антропогенные нагрузки не должны превышать предельно допустимые экологические нагрузки.

Для комплексной оценки качества природной среды используется биомониторинг, который основан на высокой чувствительности ряда животных и растений к загрязнениям. Например, разрабатывается мониторинг качества вод водоемов по биохимическим особенностям организмов, обитающим в нем. То есть состояние организма зависит от среды обитания.

Критерий загрязненности воды - ухудшение качества вследствие изменения органолептических свойств (запах, цвет) и появления веществ, вредных для человека, животных, птиц, рыб, кормовых и промысловых организмов, а также изменяющей условия для нормальной жизнедеятельности водных организмов.

Можно представить экосистему водоема состоящей из двух компонентов. Один - органический, представляющий комплекс видов, в которой осуществляется круговорот веществ (биоценоз), другой - неорганический, дающий пристанище биоценозу и называемый биотопом. Тогда определение состояния экосистемы будет следующим. «Состояние водной экосистемы это ее характеристика по совокупности количественных и качественных биогенных, абиогенных и антропогенных показателей применительно к видам водопользования». При этом отметим, что экосистема обладает тенденцией развиваться в направлении к зрелой экосистеме, имеющей более устойчивое состояние. Как показала практика, при загрязнении водного объекта, происходят изменения в физическом и химическом состоянии воды, которое приводит к нарушению экологического баланса системы, при котором наблюдается сокращение видового состава сообщества и увеличение численности устойчивых видов.

К настоящему времени сформировалось два основных способа оценки состояния водных объектов, характеризуемого качеством их вод по гидробиологическим и гидрохимическим показателям.

Изменения в экосистеме можно охарактеризовать с помощью функций распределения видов по обилию и расчетом т.н. индексов, не связанных с определенным статистическим распределением. Эти индексы являются функцией видовой структуры и их называют индексами разнообразия. С их помощью характеризуют многокомпонентную видовую структуру сообщества одним числом. Этих индексов разработано достаточно много, среди них отметим наиболее часто употребляемые индексы Шеннона, Гуднайта-Уотлей, Вудивисса и другие.

Качество вод можно оценивать и с помощью классификаций, интегральных оценок качества воды (индексов качества воды). Индексы - это формализованные показатели загрязненности воды, обобщающие более широкие группы показателей, с высокой степенью объективности учитывающие различные стороны оцениваемого объекта. Индекс это величина, являющаяся мерой состояния и изменений главных физических, химических и биологических компонент окружающей среды. Как показано Г.Т. Фруминым [23] для представления качества вод в виде единой оценки показатели необходимо выбирать независимо от лимитирующего признака вредности; а при «равенстве концентраций предпочтение отдается веществам, имеющим токсикологический признак вредности». Качество вод можно определять по стандартным гидрометеорологическим измерениям с помощью т.н. индекса загрязненности вод, который рассчитывается по нескольким загрязняющим веществам, концентрация которых наибольшая.

Биоиндикация вод проводится по различным трофическим звеньям (бактерио-, фито- и зоопланктон, макрозообентос) и включает определение видового разнообразия, биомассы и численности гидробионтов, на основании которых устанавливаются уровень трофности водоема, структурно-функциональные изменения биоты во времени. Для оценки качества воды применяется известный метод сапробных индикаторов с учетом региональных особенностей функционирования гидробиоценозов. Эколого-токсикологический контроль за сточными водами осуществляется методами биотестирования с использованием обычно 2-х видов тест-объектов - Daphnia magna Straus и Simocephalus serrulatus Koch.

В последние годы при развитии вычислительной техники, позволяющей оперировать с огромными объемами экспериментальных данных, базами данных, открываются новые возможности для исследования роли различных факторов в изменении экологического состояния водоемов с помощью разных классификаций. Классификация это система распределения объектов, явлений, процессов по классам в соответствии с определенными признаками. Возможно выполнить оценку качества воды по совокупности физико-химических и биологических параметров. Например, для классификации водных объектов Карелии по совокупности параметров использовались следующие характеристики:

• минерализация, электропроводность и ионный состав воды (Са2+, Mg2+, Na+, К+, HCO3-, SO42-, Сl -); органическое вещество (цветность, ПО, Сорг., БПК5);

• биогенные элементы (Рмин., Робщ., NH4+, NO2-, Nopr.);

• микроэлементы (Fe, Mn, Si, F);

• хлорофилл-a;

• растворенные газы (СО2, О2) и pH воды;

• загрязняющие, токсические вещества.