Введение 3
Глава 1. Физико-географический очерк района исследования 5
1.1. Геология и рельеф района исследования 5
1.2. Климат исследуемой территории 6
1.3. Гидрологические особенности территории 8
Глава 2. Обзор литературы по теме исследования 10
2.1. Описание исследованных объектов 10
2.2. Оценка гидроэкологического состояния водных объектов 12
Глава 3. Материалы и методы исследования 23
3.1. Полевой отбор проб 23
3.1.1. Измерение показателей гидроэкологического состояния воды в водных
объектах и отбор проб для анализа содержания биогенных элементов 23
3.1.2. Отбор проб для анализа содержания окрашенного растворенного
органического вещества 24
3.2. Лабораторная обработка проб 25
3.2.1. Лабораторные исследования биогенных элементов 26
3.2.1. Лабораторные исследования окрашенного растворенного органического
вещества 27
3.3. Статистическая обработка проб 29
3.4. Запрос о предоставлении сведений из государственного водного реестра ....30
Глава 4. Результаты анализа окрашенного растворенного органического вещества для исследуемых водоемов и их сравнения с другими показателями 32
4.1. Материалы полевых наблюдений 32
4.1.1. Анализ гидрохимических и гидробиологических показателей 32
4.1.2. Анализ содержания окрашенного растворенного органического вещества 38
4.2. Взаимосвязи между окрашенным растворенным органическим веществом и
биогенными элементами 42
4.2.1. Анализ описаний взаимосвязей в литературе 42
4.2.2. Проверка взаимосвязи окрашенного растворенного органического
вещества и биогенных элементов с помощью методов статической обработки 43
4.2.3. Графическое представление данных с использованием ГИС 48
4.3. Построение сводных показателей гидроэкологического состояния 49
4.4. Апробация методики оценки гидроэкологического состояния озер на
примере некоторых прудов Санкт-Петербурга и Ленинградской области 54
4.5. Анализ возможных изменений состояния водоемов к изменению параметров
за счет изменения естественного и антропогенного режимов 55
Заключение 58
Благодарности 61
Список литературы 62
Приложения 69
Приложение 1 69
Приложение 2 102
Приложение 3 109
Приложение 4 111
Приложение 5 114
Приложение 6 115
Приложение 7 116
Приложение 9 118
Приложение 10 119
Приложение 11 120
Приложение 12 123
Приложение 13 140
В настоящее время широко распространены исследования различных параметров окружающей среды, которые играют важную роль не только в сохранении природных экосистем, но и важны для формирования благоприятной среды для жизни человека. Особенно остро стоит вопрос о контроле городской среды, так как она имеет сильное влияние на большое количество людей, проживающих в городах.
Многие работы по изучению городских территорий и состояния экосистем в городах посвящены исследованию параметров наземных экосистем. Исследованию водных экосистем, напротив, уделяется недостаточное внимание со стороны специалистов и различных служб, которые должны обеспечивать возможность комфортного существования людей в городах. Особенно привлекательными и актуальными для исследования являются малые водные объекты, такие как пруды и небольшие озера, так как они играют большую рекреационную роль и находятся в непосредственном контакте с человеком. Следовательно, состояние данных водоемов должно соответствовать не только санитарно-гигиеническим нормативам, но и обеспечивать эстетические функции.
Для изучения состояния водных экосистем применяются разнообразные показатели: гидрологические, гидробиологические, гидрохимические и другие. Наиболее применяемыми в работах являются содержание кислорода, биогенных элементов, цветность. Данные показатели являются репрезентативными и позволяют оценить ситуацию с разных сторон. Однако в современном мире наблюдается стремление к комплексной оценке объектов в связи с необходимостью учета различных процессов, происходящих в водных экосистемах, их совокупности и комплексности. Одним из способов достижения данной цели является внедрение новых показателей и способов их изучения. Примером комплексного параметра является окрашенное растворенное органическое вещество (ОРОВ), которое может служить как вспомогательным элементом к традиционным исследованиям, так стать и полноценным интегральным показателем при более детальном рассмотрении, так как оказывает непосредственное влияние на экологическое состояние водных экосистем. ОРОВ является репрезентативной характеристикой, так как связано с другими параметрами, такими, как концентрация биогенных элементов, цветность, содержание растворенного органического углерода, доказательства чему имеются в литературных источниках. Кроме того, данный параметр можно изучать с помощью методов дистанционного зондирования, что в настоящее время может облегчить не только обработку информации, но и заменить необходимость широкомасштабных полевых наблюдений. Это особенно важно при недоступности проведения полевого этапа работы в удаленных районах.
Помимо расширения показательных параметров, актуальным способом изучения состояния водных экосистем является моделирование и прогноз изменений под воздействием различных нагрузок. Обобщающим методом, способствующим комплексному анализу водных объектов, является метод построения сводных показателей. Моделирование помогает не только оценить состояния водоема на данный момент времени и спрогнозировать разные сценарии изменения, но и дать своевременные рекомендации для лиц, принимающих решения. Кроме того, метод построения сводных показателей позволяет качественно интерпретировать результаты даже при нехватке данных наблюдений.
В качестве объектов исследования были выбраны малые водные объекты в Санкт- Петербурге и Ленинградской области. Всего было рассмотрено 36 водоемов. Отбор проб в водных объектах проходил в течение вегетационного периода трижды: 15-18.06.2020, 02-08.08.2020, 26-30.09.2020.
Целью работы является изучение водных экосистем малых водоёмов Санкт- Петербурга и Ленинградской области на основе построения сводных показателей качества воды.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1) Обзор ранее опубликованных материалов по теме исследования;
2) Рассмотрение методов полевого гидрохимического анализа и проведение отбора проб воды в прудах и озёрах Санкт-Петербурга и Ленинградской области в несколько этапов в течение вегетационного периода;
3) Лабораторный анализ проб воды на содержание ОРОВ, концентрацию биогенных элементов;
4) Анализ использования геоинформационных технологий для целей экологической оценки качества вод и зарастания водоемов; применение ГИС технологий для составления карт-схем для водных объектов и визуализация полученных результатов;
5) Построение квалиметрических шкал гидроэкологического состояния рассматриваемых объектов, получение сводных показателей для классов состояния водных объектов;
6) Апробация методики построения сводных показателей для конкретных репрезентативных водоемов и проведение имитационного моделирования возможных климатических и антропогенных нагрузок на экосистемы.
В ходе проделанного исследования было выполнено изучение водных экосистем малых водоёмов Санкт-Петербурга и Ленинградской области на основе построения сводных показателей качества и гидроэкологического состояния воды. В результате была подтверждена возможность использования и общепринятых, и современных методов оценки состояния водных объектов (ОРОВ, моделирование, статистическая обработка результатов).
Окрашенное растворенное органическое вещество является комплексным показателем состояния экосистем малых водных объектов Санкт-Петербурга и Ленинградской области. При данном количестве информации о свойствах ОРОВ, его зависимостях от других компонентов, а также в связи с отсутствием четких градаций по показателям, рассматриваемый параметр является качественным показателем.
В процессе работы был произведен полевой отбор проб воды, последующая их обработка на спектрофотометре и анализ данных. В июне 2020 года значения ОРОВ находились в интервале от 0,53 до 39,91 м-1. В августе содержание ОРОВ изменялись от 0,50 до 32,96м1. В сентябре максимум содержания ОРОВ составил 0,99 м-1, минимум - 29,85 м-1. Среднее значение аОРОВ(Х) в июне составило 3,90 м-1, в августе - 4,45 м-1, в сентябре - 3,87 м-1. Из всего этого следует, что в целом, наибольшее содержание ОРОВ прослеживается в августе, а наименьшее - в сентябре. Можно предположить, что это связано с активностью водных экосистем в данные месяцы. В августе количество веществ может быть связано с тем, что происходит продуцирование органического вещества совместно с его разложением. Ближе к окончанию вегетационного периода (сентябрь) количество ОРОВ уменьшается, предположительно, из -за понижения активности живых организмов и производства автохтонного вещества. Кроме того, в дни отбора проб стояла пасмурная погода с дождями, которые могли повлиять на увеличение стока и, как следствие, содержания ОРОВ в водных объектах.
Абсолютно во всех объектах в каждый месяц отбора проб выявлено преобладание аллохтонного вещества. Это может быть связано с тем, что подавляющее большинство объектов (пруды) имеет искусственное происхождение и поддерживается частично благодаря вмешательству извне.
В результате статистической обработки было выделено 4 кластера водных объектов по содержанию ОРОВ, которые были отражены графически с помощью карт-схем. Основная масса водных объектов принадлежит к 3 и 4 кластерам, которые включают в себя наиболее характерные значения для данной территории и для пресных водоемов в целом.
При анализе биогенных веществ было выявлено, что содержание нитритов и нитратов варьировало от 0,001 мг/л до 9,229 мг/л, среднее значение составляет 0,64 мг/л в августе и 0,93 мг/л в сентябре. В августе содержание нитритов превышало ПДКр/х (0,08 мг/л по нитрит-иону) в 10 водоемах из 35, а в сентябре это количество увеличилось до 18 водоемов. Это связано с процессом разложения растительных остатков, поступления с дренажными и коллекторными и ливневыми водами с водосборных территорий. В 3 водоемах (№9 -Парк Красное Село, №31, 34 - Сертолово) содержание нитритов не удовлетворяло требованиям, предъявляемым к водам культурно-бытового использования (ПДК = 3,3 мг/л) в августе и сентябре.
Содержание аммонийного азота в исследуемых водоемах в среднем составляло 0,38 мг/л в августе и 0,74 мг/л в сентябре, минимальное значение 0,01 мг/л, максимальное - 3,56 мг/л. Увеличение концентрации наблюдается в связи с наступлением периода отмирания водной растительности, а также возможны поступления с поверхностным стоком и осадками. В августе было выявлено 3 водоема, в которых содержание ионов аммония превышало ПДК культурно-бытового назначения (1,5 мг/л): №5, 8 в парке Сосновка и № 35 в Пионерском саду. В сентябре количество водоемов, не удовлетворяющих ПДК, возросло: 6 водоемов с содержанием аммонийного азота, превышающим ПДКр/х в 1,17-2,82 раз и 6 водоемов с превышением ПДК культурно-бытового назначения в 1,09-2,79 раз . Наиболее загрязненными являются водоемы № 5, 21 и 35 в которых содержание иона аммония составляет 3,55-4,20 мг/л.
При рассмотрении содержания фосфатов было установлено, что оно слабо изменилось с августа по сентябрь.
В результате анализа данных были построены карты-схемы с использованием ГИС- технологий, которые наглядно отражают ситуацию на рассматриваемой территории.
Обработка результатов отбора проб на биогенные элементы методом главных компонент позволила проследить изменения значений веществ с севера на юг, что упростило задачу проверки наличия связей между содержанием биогенных веществ и ОРОВ. Таким образом, ОРОВ можно использовать в качестве одной из составляющих сводного показателя состояния водных объектов, так как было подтверждено наличие взаимосвязи с биогенными элементами на качественном уровне.
В процессе проведения моделирования была получена квалиметрическая шкала сводного показателя состояния водных объектов, разделяющая исследованные водоемы на 4 класса. В зависимости от того, в какой класс попадает рассматриваемый объект, необходимо принимать соответствующие меры. Кроме того, благодаря моделированию существует возможность прогнозировать изменение состояния водных объектов при различных сценариях нагрузок.
Для дальнейшего поддержания и улучшения состояния водоемов необходимо прибегнуть к соблюдению некоторых рекомендаций. В первую очередь, необходимо занести сведения о прудах Санкт-Петербурга и Ленинградской области в водный реестр и кадастровые карты (п. 3.4) и предоставить доступ к этой информации в случае обращения граждан и специалистов. Эти меры адресованы комитету по природопользованию, Невско-Ладожскому управлению (Невско-Ладожскому БВУ) и отделу водных ресурсов по Санкт-Петербургу и Ленинградской области. Они призваны облегчить процесс поиска и систематизации информации о рассматриваемых объектах. Во-вторых, наиболее предпочтительным способом исследования является мониторинг данных объектов с периодичностью, отвечающей сезонам и сменам активности водных экосистем, для прослеживания пространственно-временной динамики. Дополнительно рекомендуется ввести отбор в зимний период для оптимизации статистической обработки. В-третьих, для более точной работы с градациями объектов предпочтительно расширить список исследуемых параметров: включить в изучение хлорофилл «а» в каждой точке наблюдения (в настоящее время данные единичны, поэтому непоказательны), сульфатов и т.п. Эти действия связаны с влиянием на ОРОВ многих факторов, среди которых можно будет выбрать наиболее значимые для Санкт-Петербурга и Ленинградской области. В- четвертых, более эффективным вариантом избегания ошибок измерений является отбор проб в несколько этапов с малой периодичностью. Следовательно, рекомендуется использовать метод бригадной работы для отбора проб в краткие сроки на данной территории. Наилучшим способом обобщения и хранения информации является ведение электронной базы с открытым доступом и возможностью пополнения другими специалистами.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
