Раадел V. Антропогенное влияние на водные экасистемы

Глава 24. Качество воды

24.1. Экологические и водахозяйственные подходы к определению качества воды

Качество водыэто характеристика состава и свойств воды, оп­ ределяющая ее как компонент водной экосистемы, а также при­ годность воды для конкретных целей использования в народном хозяйстве. Состав и свойства воды обусловлены совокупностью физика-химических, биологических и других показателей. С эко­ логической точки зрения вода является средой обитания гидро­

бионтов. Наряду с этим качество воды можно рассматривать и с позиций удовлетворения потребностей различных областей хозяй­

ственной деятельности человека, в частности питьевого и техни­ ческого водоснабжения, орошаемого земледелия, рекреации, ры­ боразведения и т. д. Требования к качеству воды разного назначе­

ния несколько отличные, хотя перечень основных ингредиентов,

по которым определяется ее качество, сходны. Разница состоит не

в качественном составе, а в их количественном содержании в воде.

Если речь идет о хозяйственном или питьевом водоснабжении, то

качество воды оценивают, исходя из требований водахозяйствен­

ных и санитарно-гигиенических нормативов.

Для характеристики качества воды с экологических позиций учитывается широкий набор гидрофизических, гидрохимичес­ ких, гидробиологических, бактериологических и других показа­

телей, отражающих особенности абиотических и биотических компонентов водных экосистем. Этот набор включает биогенные

и органические вещества, компоненты солевого состава, прозрач­

ность, активную реакцию, растворенный кислород, специфичес­ кие вещества токсического и радиоактивного действия и прочие

ингредиенты.

24.2. Факторы, влияющие на солевой состав вод как среды обитания гидробиантов

Среди абиотических компонентов, определяющих воду как среду обитания гидробионтов, большое значение имеют гидроло­ гический режим, минерализация и ионный состав. Они зависят

от многих факторов, из которых можно выделить интенсивность

водообмена, поступление солей во время волнового взмучивания донных отложений, фильтрацию минерализованных вод и моле­ кулярную диффузию солей, находящихся в подземных водах.

Влияют на минерализацию вод атмосферные осадки, испарение,

453

Основыгидроэколоzии

а в устьевых участках рек и лиманов - и водообмен с морем. Эти процессы особенно ощутимо изменяют качество воды в малопро­ точных инеглубоких водоемах.

Для жизнедеятельности, в частности метаболических реакций гидробионтов, наиболее важен качественный и количественный

состав главных ионов. На ионный состав воды влияют в первую

очередь природные факторы. Именно они формируют базовую минерализацию и ионный состав природных вод. Антропогенные же факторы вносят определенные изменения в общую минерали­

зацию и концентрационные соотношения отдельных ионов, но их

влияние может существенным образом изменять качество воды. В условиях антропогенного влияния на водные объекты может

не просто изменяться концентрация отдельных ионов, а даже

класс и тип воды. Особенно часто это обнаруживается при гидро­ техническом строительстве на больших реках и территориальном

перераспределении водных ресурсов, что приводит к вовлечению

большого количества солей в миграционные потоки, а соответ­

ственно - и к изменению солености воды разных водоемов и водо­

токов. Так, после зарегулирования Днепра и образования каскада водохранилищ в его устьевой участок и в Днепровско-Бугский ли­

ман стало поступать в среднем 11,5 млн т минеральных веществ в год - на 5 % больше среднего ионного стока до зарегулирования.

В этих условиях соответственно возросла на 5 % и минерализация

воды. Доминирующими ионами в воде водохранилищ стали нсо;

и Са2+. Изменилось и соотношение отдельных ионов в общем их

стоке. Так, содержание в стоке so~-, Cl-, Na+ и к+ увеличилось, а

НСО; и Са2+, наоборот, уменьшилось.

Еще в большей мере изменяется общая минерализация воды в

водоемах-охладителях тепловых и атомных электростанций. При

образовании водоемов-охладителей на некоторых тепловых элект­ ростанциях степной зоны, где формирование качества воды проис­

ходило под влиянием засоленных сульфатами и хлоридами грун­

тов, минерализация воды возрастала с 350-370 до 1000 мгjдм3 и

более. Сформировались очень жесткие воды сульфатно-натриевого

и хлоридно-натриевого состава.

Большое влияние на солевой состав оказывает сброс сточных

вод промышленных, коммунально-бытовых и сельскохозяй­ ственных производств, который определяет глобальный характер воздействия антропогенного пресса на динамику водно-солевого режима водных экасистем в современный период.

454

Раадел V. Антропогеююе влияние на водные экасистемы

24.3. Влияние внутриводоемных процессов па качество воды

Качество воды в водных объектах является результатом функ­ ционирования их экосистем. В основе функционирования водных

экосистем и формирования качества воды лежит круговорот орга­

нических и неорганических веществ, включающий абиотические

и биотические звенья.

Формирование качества воды в водных объектах в значитель­

ной мере зависит от соотношения процессов продукции и деструк­

ции органического вещества, постоянно происходящих в водных

экосистемах. Именно эти внутриводоемные процессы являются

теми ключевыми факторами, которые определяют качество при­

родных вод, в частности по трофо-сапробиологическим (эколого­ санитарным) показателям: содержанию органических веществ,

азота, фосфора, растворенного кислорода, nрозрачности, количе­

ству взвешенных веществ, биомассе фитопланктона, численности бактерлопланктона и др.

В процессе образования биологической nродукции утилизиру­ ется азот, фосфор, другие биогенные и специфические элементы из воды. В то же время при избыточном образовании органичес­ ких веществ и дальнейшем их разложении в воду поступает боль­

шое количество растворенных компонентов, загрязняющих вод­

ные объекты.

24.4. Методы оценки качества природных вод

Качество природных вод оценивается тремя способами: хими­ ческим, бактериологическим и биологическим. Каждый из них

дает возможность получать важную информацию, а при их сов­

местном применении - оценивать водную среду с экологических

позиций.

При физико-химическом способе определяется прозрачность воды, концентрация взвешенных частиц (мутность), ионный сос­

тав, общая минерализация, наличие органических и биогенных

веществ, концентрация растворенных газов, активная реакция во­

ды (рН) и т. д. Эти абиотические характеристики очень важны, но

недостаточны для формирования полного представления о состоя­

нии водной экосистемы. Более полную информацию о реакции эко­

системы на загрязнение можно получить, анализируя качествен­

ный и количественный состав гидробионтов, наличие или отсут­

ствие в их организме опасных для жизнедеятельности веществ.

Биологические методы оцеики качества воды базируются на изучении реакции nланктона, бентоса, макрофитов и рыб на noc-

455

Основыzидроэколоzии

тупление в водную среду химических веществ минерального и

органического происхождения. Степень загрязнения водных

объектов определяется по наличию (или отсутствию) организ­ мов-индикаторов, исходя из сравнения видового многообразия,

численности и биомассы загрязненных и чистых зон. При таком

сравнении используются абсолютные величины и индексы видо­ вого многообразия.

Метод оценки качества воды (как среды обитания гидробион­ тов) по видовому составу и показателям количественного развития видов-индикаторов и по структуре образуемых ими сообществ на­ зывается биоиндикацией. Биоиндикаторы качества воды - это

организмы, присутствие которых в водоеме, их количество, а так­

же особенности развития указывают на протекание природных

процессов или наличие антропогенных воздействий, изменяющих

состав и свойства воды как среды их обитания. По составу флоры и фауны водных объектов, количественному соотношению их от­ дельных представителей можно судить о характере загрязнения и состоянии водных экосистем. Метод биоиндикации позволяет оце­ нивать эффективность работы очистных сооружений и определять (отслеживать) распространение загрязнений при трансграничном

переносе токсических веществ.

Метод биоиндикации применяется на трех уровнях: организ­ менном, популяционном и биоценотическом.

Организменный метод базируется на морфологических крите­ риях и физиолого-биохимических реакциях гидробиантов на за­

грязнение.

Среди естественных реакций гидробионтов, отражающих сте­

пень загрязнения водоемов, могут быть изменения в их поведе­ нии. Например, с возрастанием концентрации метана или серово­ дорода в придонных слоях воды бентосные организмы всплывают

на поверхность, где более высокая насыщенность воды кислоро­

дом и меньше токсическое действие газов.

Биоиндикация на уровне популяций учитывает изменения, происходящие в структуре и функционировании сообществ гид­ робиантов одного вида. В зависимости от качества воды может из­

меняться возрастная и половая структура популяций, происхо­

дить переход метагенетических видов от партеногенеза к двупо­

лому размножению, что сопровождается резким снижением

численности и биомассы популяций.

Биоценотическая индикация сводится к сравнению видового разнообразия, численности и биомассы исследуемых и контроль­ ных участков (зон) водоемов. С этой целью для каждой зоны сап­ робиости предложен перечень наиболее характерных организмов­ индикаторов. Так, список для полисапробной зоны насчитывает

около 30 видов, среди которых представлены бактерии, грибы,

456

Раадел V. Антропогенное влияние на водные эк:осистемы

простейшие, коловратки, олигохеты, личинки двукрылых насе­

комых. Для мезо- и олиготрофных зон перечень видов значитель­

но больший. Перечии видовиндикаторов сапробиости насчиты­

вают сейчас около 2500 видов растений и животных. Основным

недостатком этой системы индикации является необходимость анализа очень большого объема гидробиологических проб. На это расходуется много времени, а для их обработки необходима высо­ кая профессиональная подготовка специалистов-гидробиологов.

Оценку качества вод можно давать и на основании объедине­ ния индикаторных показателей небольтого количества отдель­ ных таксономических групп гидробиантов зообентоса и данных об изменении разнообразия бентофауны в условиях загрязнения. В группу могут входить как отдельные виды, так и более крупные

таксоны (например, род, семейство). По количественному соотно­

шению таких групп рассчитывается значение биотического ип­ декса, характеризующего определенный класс воды по чистоте

или степени загрязнения.

Принимая во внимание тот факт, что одни и те же индика­

торные организмы часто встречаются в двух и даже трех зонах

сапробиости (полисапробной, а- и ~-мезосапробных), Р. Паитле

и Г. Букк [128] предложили определять качество воды с учетом количественных показателей видов-индикаторов. С этой целью был введен индекс сапробности. В модификации В. Сладечека ин­ дикаторная значимость олигосапробов, а- и ~-мезосапробов и поли­

сапробон принимается соответственно за 1, 2, 3, 4; а количествен­

ные показатели: 1 -случайные находки, 3 -частая встречаемость,

5 - массовое развитие. Индекс сапробиости (S) определяется по

формуле:

N

_ Еsл

s = ..;.i=-:~':---

Ehi

i=!

где S;- индикаторная значимость i-го вида; h;- его относительная численность или биомасса; N- количество видов-индикаторов.

Для полисапробной зоны индекс сапробиости равен 4-3,5, для а- и ~-мезосапробных - соответственно 3,5-2,5 и 2,5-1,5. Для

олигосапробной зоны эта величина составляет 1, 5-1.

Оценка состояния водных экосистем в условиях антропогенно­ го воздействия должна предусматривать комплексный подход с

использованием разных методов. Комплексная экологическая оценка качества воды осуществляется на основании анализа боль­

шого набора гидрофизических, гидрохимических, гидробиологи­ ческих, бактериологических и прочих показателей, которые от­

ражают особенности абиотической и биотической составляющих

водных экосистем.

457

Основы гидраэкологии

Основой экологической оценки является классификация каче­

ства поверхностных вод суши и эстуариев, построенная по эколо­

гическому принципу. Она включает общие и специфические по­

казатели, характеризующие качество воды. К общим показате­

лям относятся солевой состав и трофо-сапробность вод, которые могут изменяться nод влиянием природных процессов и хозяй­ ственной деятельности. Специфические показатели характеризу­

ют содержание в воде загрязняющих веществ - таксикантов и ра­

дионуклидов.

Комплексная экологическая классификация качества поверх­

ностных вод суши включает три группы специализированных

классификаций, а именно: по солевому составу, по трофо-сапро­ биологическим (эколога-санитарным) критериям и по содержа­ нию специфических веществ (токсического и радиоактивного действия), а также по уровню токсичности воды.

Характеристика вод по степени минерализации и ионному сос­

таву позволяет определять галинность экосистем. По этим харак­ теристикам можно предусмотреть, какие гидробианты будут пре­

обладать в водном объекте. Например, при высокой минерализа­

ции воды в экасистеме могут нормально развиваться галофильные

организмы.

Минерализация и ионный состав воды отражают естественные условия формирования качества воды. Речь идет о поступлении солей из грунтов близлежащих территорий и переходе их в вод­

ную среду. Но минерализация и ионный состав воды могут изме­

няться под влиянием антропогенных факторов (поступление со­ лей со сточными водами и с водосборной площади). С целью оцен­

ки степени такого воздействия вводится классификация качества

пресных гипогалинных, олигогалинных и ~-мезогалинных вод по критериям загрязнения компонентами солевого состава [69J.

Таким образом, эти специализированные классификации ха­

рактеризуют качество воды по критериям солевого состава, учи­

тывая пути поступления солей в водоемы и различное фоновое их

содержание в природных водах (поверхностные пресные, слабосо­ леные воды суши и эстуарии).

Вторая группа nоказателей качества воды объединяет трофо­ сапробиологические (эколога-санитарные) критерии. Она включа­

ет гидрофизические показатели, характеризующие прозрачность

воды и наличие взвешенных частиц, а также гидрохимические по­

казатели - рН, содержание азота (аммонийного, нитритного, нит­

ратного), фосфора (фосфатов), растворенного кислорода, перман­

ганатную и бихроматную окисляемость, БПК5• Эти показатели ха­ рактеризуют абиотическую составляющую экасистемы и условия

существования гидробионтов.

Трофо-сапробиологическое состояние экасистемы характеризу­

ется биомассой фитопланктона и индексом самоочищения-само-

458

Раздел V. Антропогенное влияние на водные экасистемы

загрязнения (А/R). Именно от первичной продукции зависит внут­ риводоемное загрязнение органическими веществами. Поэтому

такие показатели, как биомасса фитопланктона, валовая первич­

ная продукция, отношение валовой продукции к деструкции ха­

рактеризуют качество воды и реакцию водных экосистем на про­

цессы эвтрофикации.

:К экологическим бактериологическим показателям осносится численность бактериопланктона и сапрофитных бактерий. В тро­ фо-сапробиологическую классификацию включен индекс сапроб­

ности, что позволяет интегрально оценивать степень загрязнения

водного объекта в результате поступления сточных вод, а также внутриводоемного продуцирования органического вещества. Важ­ ную информацию для экологической классификации качества вод дает биоиндикация сапробиости с учетом индексов сапробности, полученных методами ПаитлеБукка (по фито-и зоопланктону или зообентосу) [128] и ГуднайтаУитли (по зообентосу) [126].

Возрастание антропогенного влияния на водные экасистемы

привело к тому, что таксиканты встречаются практически во всех

водных объектах. В последние десятилетия вследствие испыта­

ния ядерного оружия и аварий на атомных электростанциях наб­

людается повышение уровня радиоактивного загрязнения воды.

В связи с этим введены классификации по критериям содержа­

ния специфических веществ радиоактивного и токсического

действия (ртуть, кадмий, медь, цинк, свинец, хром, никель, же­

лезо, марганец, фториды, цианиды, нефтепродукты, легкие фено­

лы, поверхностно-активные вещества). Помимо установления со­

держания токсических веществ, методом биотестирования оцени­

вается степень токсичности воды. :Как показатель токсического

действия учитывается смертность тест-объектов за определенный

промежуток времени (24, 48, 96 ч). Наиболее распространенными

тест-объектами являются планктонные ракообразные-фильтра­

торы Daphnia magna и Ceriodaphnia affinis. Этот метод отражает

совокупное действие химических веществ независимо от конце­

нтрации отдельных токсикантов. :Классификация по эколого-ток­

сикологическим показателям основывается на градации содержа­

ния таксикантов по отношению к фоновым значениям, которые

обычно встречаются в природе. При этом учитывается суммарное содержание их растворенных форм. :Концентрация токсических

веществ свидетельствует лишь о потенциальной токсичности во­ ды, а их действие на организм может зависеть от многих факторов,

вчастности от того, в какой форме они находятся (растворенной, в составе комплексных соединений, взвешенной). Так, образование комплексных соединений тяжелых металлов с природными орга­ ническими лигаядами или их абсорбция на взвешенных частицах

вмутной воде снижает ее токсичность. Наибольшую токсичность

459

Основы zидроэколоzии

проявляют свободные (гидратированные) ионы. В этом отноше­ нии применение метода биотестирования существенным образом

дополняет токсикологическую оценку качества воды с экологи­

ческих позиций.

Классификация качества воды по уровню радиоактивного за­

грязнения базируется на выявлении наиболее опасных радионук­

лидов, распространившихся в водных объектах после испытаний

ядерного оружия, при эксплуатации атомных электростанций и

после ядерных аварий. Это, в первую очередь, стронций-90 и це­

зий-137. После аварии на Чернобыльекой АЭС в "Украине норма­

тивными документами утверждены допустимые и рекомендован­

ные предельные концентрации этих радионуклидов.

"Уровни радиоактивного загрязнения воды в классификации качества воды по критериям специфических показателей радиа­ ционного действия установлены на основании рабочих и рекомен­ дованных предельных и допустимых значений суммарной f3-ак­ тивности и концентраций опаснейших в экологическом отноше­

нии радионуклидов (90Sr, 137Cs).

Классификация качества поверхностных вод и эстуариев по

критериям ионного состава делит их на три класса (гидрокарбо­

натные, сульфатные и хлоридные), каждый из которых в свою очередь дифференцируется на три группы (кальция, магния и нат­ рия). Кроме того, определенные категории вод по ионному составу

делятся также на четыре типа по количественному соотношению

ионов.

Все остальные классификации комплексной системы экологи­ ческой оценки качества поверхностных вод суши и эстуариев "Ук­

раины построены по одинаковому принципу - разделяют воды на

пять классов и семь подчиненных им категорий. На основании

элементарных и обобщающих признаков качества воды определя­

ются классы и категории состояния вод, их чистоты (загрязне­

ния), зоны сапробности, степени трофности (табл. 20). Определен­

ные по этим признакам классы и категории качества вод отража­

ют естественное состояние, а также степень антропогенного

загрязнения поверхностных вод суши и эстуариев.

Кроме экологической оценки, качество воды характеризуется с

точки зрения ее пригодности для разных видов водопользования и

водопотребления. Эта водохозяйственная оценка выполняется на

основе нормативных документов, регламентирующих качество во­

ды в соответствии с требованиями здравоохранения по отношению к здоровью человека или определенной области народного хозяй­

ства. Так, существуют государственные и ведомственные норма­

тивные документы, по которым оценивается пригодность воды вод­

ных объектов для централизованного коммунально-питьевого во­ доснабжения, для рекреации, рыбного хозяйства, орошения и т. д.

460

Осповыгидроэкологии

24.5. Картографирование экологического состояния

поверхностных вод

На основании результатов экологической оценки качества вод

по соответствующим категориям осуществляется ее картографи­

рование. Цель картографированиясоздание карт, наиболее на­

глядно представляющих информацию об экологическом состоя­

нии гидросферы в том или ином регионе [70].

В качестве примера приведем фрагмент и легенду карты эко­

логического состояния поверхностных вод реки Рось. Она явля­ ется правобережным лесостепным притоком Днепра, который

протекает в границах Винницкой, Киевской и Черкасской облас­ тей Украины (рис. 7 цв. илл.). В соответствии с «Водным кодексом

Украины~ Рось является типичной средней рекой длиной 346 км

с площадью водосбора 12,6 тыс. км2 • РуслоРоси извилистое, ши­

рина его в среднем течении достигает 50 м, есть небольшие поро­ ги. Питание преимущественно снеговое. Наибольшими притока­ ми р. Рось являются Росава, Раставица, Каменка, Сквирка, Про­ ток и Роська.

За последние 50 лет р. Рось и большинство ее притоков были

зарегулированы плотинами малых водохранилищ и русловых

прудов. Всего в ее бассейне создано 48 водохранилищ с общей пло­

щадью водного зеркала 6,25 тыс. га и 1869 прудов с общей пло­ щадью водного зеркала 15,55 тыс. га.

Бассейн р. Росьэто территория с развитым сельским хозяй­

ством и высокой плотностью сельского населения. На берегах ре­

ки расположены такие промышленные центры средней мощнос­

ти, как Белая Церковь и Корсунь-Шевченковский. Промышлен­

ные и аграрные комплексы, расположенные непосредственно по

берегам Роси и в ее бассейне, являются основными факторами влияния на экоеистему этого водного объекта.

По ионному составу вода р. Рось осносится к классу гидракар­ бонатных вод группы кальция типа I или II. По показателям сум­ мы ионов она отвечает группе гипогалинных вод экологической

классификации качества поверхностных вод и характеризуется

как <<отличная~ и «очень чистая>>.

По трофо-сапробиологическим показателям экасистема Роси

относится к мезоэвтрофным (~·-мезосапробным) водам с тенден­ цией смещения к эвтрофным (~"-мезосапробным) водам. В соответ­

ствии с методикой экологической оценки качества воды такие во­

ды относят соответственно к категориям 3 и 4. Следует отметить,

что по некоторым трофо-сапробиологическим показателям вода Росиболее загрязненная и отвечает эвполитрофным водам катего­ рии 5. Подобным образом оценивается качество воды и по солево­

му составу и содержанию специфических веществ токсического и

462

Раадел V. Антропогенное влияние на водные экосистемы

радиационного действия. Так, содержание цинка, нефтепродук­

тов, фенола и некоторых других веществ на отдельных участках

характеризует воду как грязную (6) и очень грязную (7).

Для создания карты экологического состояния поверхностных

вод Роси учтено 32 показателя, из которых: 3 - солевого состава, 15 - трофо-сапробиологических, 14 - специфических показате­

лей токсического и радиационного действия.

На основании этих данных получена комплексная экологичес­

кая характеристика качества воды р. Рось (рис. 8 цв. илл.).

Можно оценивать качество воды и по отдельным показате­

лям, например по показателям токсического и радиационного

действия. На рисунке 130 приведена карта-схема экологической

оценки качества воды водных объектов бассейна р. Рось по пока­

зателям токсического и радиационного действия.

Для автоматизации расчетов качества поверхностных вод с по­

мощью ЭВМ с соответствующим программным обеспечением про­ изводится перевод массива данных на математический язык, то

есть осуществляется формализация методики оценок. При обра­

ботке массива данных с целью их картографирования применяют

Рис. 130. Схема экологической оценки качества воды водных объектов бассейна р. Рось по показателям токсического и радиационного действия (тяжелые металлы, нефтепродукты, фенолы, ПАВ, суммарная fЗ-актив­

ность, 90Sr, 137Cs). По состоянию на 1988-1993 гг.

463