СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВОДОЕМОВ Российский патент 2013 года по МПК A01K61/00 G01N27/06 G01N33/18 

Изобретение относится к области рационального использования водных ресурсов и может быть использовано при мониторинге как естественных водоемов, так и водоемов, расположенных на урбанизированной территории.

Известен способ определения состояния водоема, основанный на определении гидрохимического индекса загрязнения воды (ИЗВ). ИЗВ рассчитывается по шести-семи измеренным гидрохимическим показателям, среди которых концентрация растворенного кислорода, водородный показатель (pН), биологическое потребление кислорода являются обязательными (Гусева Т.В., Молчанова Я.П., Заика Е.А., Виниченко В.Н. Справочные материалы по гидрохимии. Часть 1. Нормирование качества вод. Организация экологического мониторинга водных объектов. Общие и суммарные показатели качества вод. Москва: СоЭС, 1999. 45 с. (стр.8)).

Известен способ определения состояния водоема, основанный на определении удельного комбинаторного индекса загрязненности воды (УКИЗВ). УКИЗВ позволяет оценить загрязненность воды одновременно по широкому перечню гидрохимических показателей качества воды, классифицировать воду по степени загрязненности (РД 52.24.643-2002. Метод комплексной оценки степени загрязненности поверхностных вод по гидрохимическим показателям. М.: Росгидромет, 2002. 21 с.).

Известен способ определения экологического состояния пресноводных водоемов (патент РФ №2050128, кл. A01K 61/00, G01N 33/18, 1995), основанный на определении показателя трофности водоема путем измерения гидрохимических параметров: pН и содержания растворенного кислорода.

Недостатком таких способов является ограничение функциональных возможностей, обусловленное определением состояния водоема только по гидрохимическим показателям.

Известен также способ определения экологического состояния водоема по гидробиологическому показателю - индексу сапробности, который определяется исходя из индивидуальных характеристик сапробности, представленных в различных водных сообществах (фитоплактоне, перифитоне) (Гусева Т.В., Молчанова Я.П., Заика Е.А., Виниченко В.Н. Справочные материалы по гидрохимии. Часть 1. Нормирование качества вод. Организация экологического мониторинга водных объектов. Общие и суммарные показатели качества вод. Москва: СоЭС, 1999. 45 с. (стр.9)).

Недостатком такого способа является ограничение функциональных возможностей, обусловленное определением состояния водоема только по гидробиологическим показателям.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ определения экологического состояния пресных непроточных водоемов (патент РФ №2008100322, кл. A01H 13/00, C12R 1/89, 2008), основанный на определении состоянии водоема путем измерения гидробиологических показателей: количества водорослей вида Crucigenia tetrapedia (Kirchn.) W. Et G.S. West, Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. var. quadricauda, Trachelomonas volvocinopsis Swir.; физических показателей: прозрачности воды в водоеме и метеорологических показателей: температуры воздуха и количества осадков. Показатель трофности (ПТ) рассчитывают по формуле:

$$\text{ПТ}=\text{4}\text{,0905}+\text{0}\text{,14876}\cdot {\text{Х}}_{\text{1}}+\text{0}\text{,20044}\cdot {\text{Х}}_{\text{2}}-\text{0}\text{,15546}\cdot {\text{Х}}_{\text{3}}+\text{0}\text{,01369}\cdot {\text{Х}}_{\text{4}}+\text{0}\text{,03178}\cdot {\text{Х}}_{\text{5}}-\text{1}\text{,18615}\cdot {\text{Х}}_{\text{6}}\text{, (1)}$$

где X₁ - ln (Crucigenia tetrapedia (Kirchn.) W. Et G.S. West, тыс. кл./л);

X₂ - ln (Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. var. quadricauda, тыс. кл./л);

X₃ - ln (Trachelomonas volvocinopsis Swir., тыс. кл./л);

X₄ - среднедекадная температура воздуха, °C;

X₅ - количество осадков за декаду, мм;

X₆ - прозрачность воды, баллы.

При значении показателя трофности меньше либо равном 3,6 водоем считают мезотрофным, а при значении показателя трофности более 3,6 - эвтрофным.

Недостатком этого способа является исключение гидрохимических показателей при оценке экологического состояния водоема.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей за счет измерения гидрохимических и гидробиологических показателей.

Технический результат - определение экологического состояния водоема по гидрохимическим и гидробиологическим показателям.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что в способе определения экологического состояния водоемов, по которому измеряют гидробиологические показатели, согласно изобретению для оценки экологического состояния водоема одновременно с гидробиологическими показателями - индекс сапробности по Пантле и Букку в модификации Сладечек - измеряют гидрохимические показатели - водородный показатель, химическое потребление кислорода, концентрация растворенного кислорода и электропроводность, рассчитывают сводный показатель по формулам:

$$\text{Q}=\text{0}\text{,14}\cdot {\text{q}}_{\text{1}}+\text{0}\text{,29}\cdot {\text{q}}_{\text{2}}+\text{0}\text{,29}\cdot {\text{q}}_{\text{3}}+\text{0}\text{,07}\cdot {\text{q}}_{\text{4}}+\text{0}\text{,21}\cdot {\text{q}}_{\text{5}}\text{, (2)}$$

где q₁ - преобразованное значение водородного показателя:

если w<7, то $${\text{q}}_{\text{1}}=\{\begin{array}{l}\text{0}{\text{, при w}}_{\text{1}}\le \text{4;}\\ \text{(6}\text{,9}-{\text{w}}_{\text{1}}\text{)/2}\text{,9}\text{, при 4 }<{\text{w}}_{\text{1}}\le \text{6}\text{,9;}\\ \text{1}{\text{, при w}}_{\text{1}}>\text{6}\text{,9;}\end{array}(3)$$

если w₁>7, то $${\text{q}}_{\text{1}}=\{\begin{array}{l}\text{0}{\text{, при w}}_{\text{1}}\le \text{4;}\\ {\text{(w}}_{\text{1}}\text{-7}\text{,1)/1}\text{,9}\text{, }\text{при}\text{ 7}\text{,1}<{\text{w}}_{\text{1}}\le \text{9;}\\ \text{1}{\text{, при w}}_{\text{1}}>\text{9;}\end{array}(4)$$

где w₁ - измеренное значение водородного показателя;

q₂ - преобразованное значение химического потребления кислорода:

$${\text{q}}_{\text{2}}=\{\begin{array}{l}\text{0}{\text{, при w}}_{\text{2}}\le \text{1;}\\ {\text{(w}}_{\text{2}}-\text{1)/14}\text{, }\text{при }\text{1}<{\text{w}}_{\text{2}}\le \text{15;}\\ \text{1}\text{,}{\text{ при w}}_{\text{2}}>\text{15;}\end{array}\text{ (5)}$$

где w₂ - измеренное значение химического потребления кислорода;

q₃ - преобразованное значение концентрации растворенного кислорода:

если «лето», то $${\text{q}}_{\text{3}}=\{\begin{array}{l}\text{1}{\text{, при w}}_{\text{3}}\le \text{4;}\\ \text{(9}-{\text{w}}_{\text{3}}\text{)/8}\text{, при 1}<{\text{w}}_{\text{3}}\le \text{9;}\\ \text{0}{\text{, при w}}_{\text{3}}>\text{9;}\end{array}\text{ (6)}$$

если «зима», то $${\text{q}}_{\text{3}}=\{\begin{array}{l}\text{1}{\text{, при w}}_{\text{3}}\le \text{1;}\\ \text{(14}-{\text{w}}_{\text{3}}\text{)/13}\text{,при 1}<{\text{w}}_{\text{3}}\le \text{14;}\\ \text{0}{\text{, при w}}_{\text{3}}>\text{14;}\end{array}\text{ (7)}$$

где w₃ - измеренное значение растворенного кислорода.

Условие «лето» выбирается в том случае, если измерение концентрации растворенного кислорода проводилось в период открытой воды, если в период ледостава, то выбирается условие «зима».

q₄ - преобразованное значение электропроводности:

если «проточный водоем», то $${\text{q}}_{\text{4}}=\{\begin{array}{l}\text{0}\text{, }{\text{при w}}_{\text{4}}\le \text{400;}\\ {\text{(w}}_{\text{4}}-\text{400)/1200}\text{,}\text{при}\text{ 400}<{\text{w}}_{\text{4}}\le \text{1600;}\\ \text{1}\text{,}{\text{при w}}_{\text{4}}>\text{1600;}\end{array}\text{ (8)}$$

если «непроточный водоем», то $${\text{q}}_{\text{4}}=\{\begin{array}{l}\mathrm{0,}{\text{при w}}_{\text{4}}\le 150\text{;}\\ {\text{(w}}_{\text{4}}\text{-150)/850}\text{,}\text{пр}\text{и }\text{150}<{\text{w}}_{\text{4}}\le 1000;\\ \mathrm{1,}\text{ п}\text{ри}{\text{ w}}_{\text{4}}>1000;\end{array}(9)$$

где w₄ - измеренное значение электропроводности;

q₅ - преобразованное значение индекса сапробности по Пантле и Букку в модификации Сладечек:

$${\text{q}}_{\text{5}}=\{\begin{array}{l}\text{0}\text{, }{\text{при w}}_{\text{5}}\le \text{1;}\\ {\text{(w}}_{\text{5}}\text{-1)/3}\text{, }\text{при 1}<{\text{w}}_{\text{5}}\le \text{15;}\\ \text{1}\text{, }{\text{при w}}_{\text{5}}>\text{4;}\end{array}\text{ (10)}$$

где w₅ - рассчитанное значение индекса сапробности по Пантле и Букку в модификации Сладечек (Садчиков А.П. Гидроботаника: Прибрежно-водная растительность: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / А.П. Садчиков, М.А. Кудряшов. - М.: Издательский ценртр «Академия», 2005. - 240 с. С.138).

Классификация сводного показателя приведена в таблице 1.

Таблица 1 Классификация сводного показателя Экологическое состояние Проточный водоем/Лето Проточный водоем/Зима Непроточный водоем/Лето Непроточный водоем/Зима 1 2 3 4 5 Очень чистый 0…0,0147 0…0,0258 0…0.0147 0…0,0258 Чистый 0,0147…0,1472 0,0258…0,1348 0,0147…0,1379 0,0258…0,1463 Умеренно загрязненный 0,1472…0,3297 0,1348…0,2688 0,1379…0,3246 0,1463…0,3051 Загрязненный 0,3297…0,5203 0,2688…0,4623 0,3246…0,5083 0,3051…0,5125 Грязный 0,5203…0,7778 0,4623…0,6305 0,5083…0,7953 0,5125…0,8344 Очень грязный >0,7778 >0,6305 >0,7953 >0,8344

На основе данных о типе водоема (проточный или непроточный), о времени года (лето или зима) и по рассчитанному значению сводного показателя (Q) по формуле 2, путем сравнения Q со значениями таблицы 1 в соответствующем условиям столбце (столбцы 2-5) определяют экологическое состояние водоема (столбец 1).

Пример конкретной реализации способа

Показатели, характеризующие экологическое состояние водоемов включены в ГОСТ 17.1.3.07-82 и применимы для контроля качества природных вод по физическим, химическим и гидробиологическим показателям. Однако стандарт не применяется при контроле качества вод антропогенно-нагруженных водоемов (используемых для промышленных нужд, сброса сточных вод, нужд гидроэнергетики и т.д.). В целях контроля качества воды в стандарте предложены различные наборы показателей (программы), включающие гидрохимические и гидробиологические показатели. Например, для контроля качества воды в водоеме в основные фазы водного режима рекомендуется обязательная программа, включающая более 37 показателей. Осуществление контроля, включающего определение всех показателей обязательной программы, является не только крайне дорогостоящим и трудоемким, но и информативно насыщенным и тем самым может затруднить принятие своевременных решений, направленных на улучшение экологической ситуации.

Оперативность оценки экологического состояния водоемов достигается путем мониторинга небольшого числа контролируемых и определяемых в ходе полевых и лабораторных исследований показателей, дающих интегральное представление о развитии происходящих в водоеме негативных процессов эвтрофирования, загрязнения и закисления. В связи с этим и на основе проведенного анализа работ, посвященных оценке экологического состояния водоемов (Баренбойм Г.М., Веницианов Е.В., Данилов-Данильян В.И. Некоторые научно-технологические проблемы проектирования, создания и функционирования систем мониторинга водных объектов // Вода: химия и экология. - 2008. - №2. - С.3-10; Теория и практика восстановления внутренних водоемов. СПб.: Лема, 2007. 394 с.; Colin S. Reynolds, Stephen С.Maberly, Julie E. Parker, Mitzi M. De Ville. Forty years of monitoring water quality in Grasmere (English Lake District): separating the effects of enrichment by treated sewage and hydraulic flushing on phytoplankton ecology // Freshwater Biology. 2012. №57. P. 384-399; Wenzhi Liu, Quanta Zhang and Guihua Liu. Influences of watershed landscape composition and configuration on lake-water quality in the Yangtze River basin of China // Hydrological processes. 2012. №26. P.570-578; Riitta Aulikki Heikka. Multivariate monitoring of water quality: a case study of Lake Simpele, Finland // Chemometrics. 2008. №22. P.747-751; Song Hong, Tao Li, Xianyou Ren, Yan-hua Zhuang, Nan Feng, Tao Wang. Study of the change of water quality for a lake in Central China // Water and Environment Journal. 2010. №24. P. 165-173), для разработки сводного показателя экологического состояния водоемов выбраны показатели: pН, электропроводность, окисляемость (перманганатная или бихроматная), концентрация растворенного кислорода и индекс сапробности.

Все выбранные показатели имеют классификацию по классам качества воды в водоеме, включающую шесть классов качества, таких как «очень чистый», «чистый», «умеренно загрязненный», «загрязненный», «грязный» и «очень грязный», которые приняты за классификацию сводного показателя экологического состояния водоемов. Данная классификация сводного показателя аналогична классификации ИЗВ.

Сводный показатель позволяет агрегировать значения показателей разной размерности в единое значение. В качестве агрегирующей функции предлагаемого сводного показателя выбрана аддитивная функция, в соответствии с которой высокий уровень качества воды по ряду отдельных показателей может быть компенсирован низкими значениями других показателей, т.е. будет получено среднее.

Весовые коэффициенты указывает на степень значимости отдельного показателя относительно других при оценке экологического состояния. Из-за отсутствия статистических данных о степени значимости отдельного выбранного показателя относительно других для определения весовых коэффициентов гидрохимических и гидробиологических показателей использовался метод экспертных оценок.

На одном из непроточных водоемов г. Уфы в июне 2011 г. были отобраны пробы воды и измерены гидрохимические показатели: pН, ХПК, концентрация растворенного кислорода и электропроводность воды. По результатам флористического описания высшей водной растительности в прибрежной зоне водоема рассчитан индекс сапробности по Пантле и Букку в модификации Сладечек. Полученные результаты отображены в таблице 2.

Таблица 2 Результаты измерений Значения показателей Гидрохимические показатели Гидробиологический показатель pН ХПК, мг/л Концентрация растворенного кислорода, мг/л Электропровод-
ность, мкСм/см Индекс сапробности по Пантле и Букку в модификации Сладечек 8,5 7,8 4,5 590 2

По формулам 3-10 получены следующие преобразованные значения показателей:

q₁=0,737; q₂=0,486; q₃=0,563; q₄=0,518; q₅=0,333.

Подставляя полученные значения показателей в формулу 2, рассчитано значение сводного показателя, которое равно 0,5136. Учитывая, что водоем является непроточным и время года лето, значение сводного показателя сравнено со значениями столбца 4 таблицы 1, находится в интервале (0,5083…0,7953) и в соответствии со столбцом 1 получено, что рассматриваемый водоем является грязным.

Итак, заявляемое изобретение позволяет оперативно определить экологическое состояние водоема по гидрохимическим и гидробиологическим показателям.

Измеряют гидробиологические показатели - индекс сапробности по Пантле и Букку в модификации Сладечек. Одновременно измеряют гидрохимические показатели - водородный показатель, химическое потребление кислорода, концентрация растворенного кислорода и электропроводность. Рассчитывают сводный показатель по формулам. Сравнивают полученное значение сводного показателя с данными таблицы 1 и по результатам судят об экологическом состоянии водоема. Изобретение позволяет ускорить определение экологического состояния водоема по гидрохимическим и гидробиологическим показателям. 2 табл., 1 пр.

Способ определения экологического состояния водоемов, по которому измеряют гидробиологические показатели, отличающийся тем, что для оценки экологического состояния водоема одновременно с гидробиологическими показателями - индекс сапробности по Пантле и Букку в модификации Сладечек измеряют гидрохимические показатели - водородный показатель, химическое потребление кислорода, концентрация растворенного кислорода и электропроводность, рассчитывают сводный показатель по формулам:
$$\text{Q}=\text{0}\text{,14}\cdot {\text{q}}_{\text{1}}+\text{0}\text{,29}\cdot {\text{q}}_{\text{2}}+\text{0}\text{,29}\cdot {\text{q}}_{\text{3}}+\text{0}\text{,07}\cdot {\text{q}}_{\text{4}}+\text{0}\text{,21}\cdot {\text{q}}_{\text{5}},$$
где q₁ - преобразованное значение водородного показателя:
$${\text{если w}}_{\text{1}}\text{<7}{\text{, то q}}_{\text{1}}=\{\begin{array}{l}\text{0}\text{, }{\text{при w}}_{\text{1}}\le \text{4;}\\ \text{(6}\text{,9}-{\text{w}}_{\text{1}}\text{)/2}\text{,9}\text{, }\text{при}\text{ 4 }<{\text{w}}_{\text{1}}\le \text{6}\text{,9;}\\ \text{1}\text{, }{\text{при w}}_{\text{1}}>\text{6}\text{,9;}\end{array}$$
$${\text{если w}}_{\text{1}}\text{>7}{\text{, то q}}_{\text{1}}=\{\begin{array}{l}\text{0}\text{, }{\text{при w}}_{\text{1}}\le \text{4;}\\ {\text{(w}}_{\text{1}}\text{-7}\text{,1)/1}\text{,9}\text{, }\text{при 7}\text{,1}<{\text{w}}_{\text{1}}\le \text{9;}\\ \text{1}\text{, }{\text{при w}}_{\text{1}}>\text{9;}\end{array}$$
где w₁ - измеренное значение водородного показателя;
q₂ - преобразованное значение химического потребления кислорода:
$${\text{q}}_{\text{2}}=\{\begin{array}{l}\text{0}\text{, п}\text{р}{\text{и w}}_{\text{2}}\le \text{1;}\\ {\text{(w}}_{\text{2}}-\text{1)/14}\text{,}\text{ п}\text{ри }\text{1}<{\text{w}}_{\text{2}}\le \text{15;}\\ \text{1}\text{, }{\text{при w}}_{\text{2}}>\text{15;}\end{array}$$
где w₂ - измеренное значение химического потребления кислорода;
q₃ - преобразованное значение концентрации растворенного кислорода:
$$\text{если "лето"}{\text{, то q}}_{\text{3}}=\{\begin{array}{l}\text{1}\text{, }{\text{при w}}_{\text{3}}\le \text{4;}\\ \text{(9}-{\text{w}}_{\text{3}}\text{)/8}\text{, }\text{при 1}<{\text{w}}_{\text{3}}\le \text{9;}\\ \text{0}\text{, }{\text{при w}}_{\text{3}}>\text{9;}\end{array}$$
$$\text{если "зима"}{\text{, то q}}_{\text{3}}=\{\begin{array}{l}\text{1}\text{, }{\text{при w}}_{\text{3}}\le \text{1;}\\ \text{(14}-{\text{w}}_{\text{3}}\text{)/13}\text{,}\text{при 1}<{\text{w}}_{\text{3}}\le \text{14;}\\ \text{0}\text{, }{\text{при w}}_{\text{3}}>\text{14;}\end{array}$$
где w₃ - измеренное значение растворенного кислорода;
q₄ - преобразованное значение электропроводности:
$$\text{если "проточный водоем"}{\text{, то q}}_{\text{4}}=\{\begin{array}{l}\text{0}\text{, }{\text{при w}}_{\text{4}}\le \text{400;}\\ {\text{(w}}_{\text{4}}-\text{400)/1200}\text{,при 400}<{\text{w}}_{\text{4}}\le \text{1600;}\\ \text{1}\text{, }{\text{при w}}_{\text{4}}>\text{1600;}\end{array}$$
$$\text{если "непроточный водоем"}\text{, то }{q}_4=\{\begin{array}{l}\mathrm{0,}приw_4>1600;\\ (w_4-150)/\mathrm{850,}при150<w_4\le 1000;\\ \mathrm{1,}приw_4>1000;\end{array}$$
где w₄ - измеренное значение электропроводности;
q₅ - преобразованное значение индекса сапробности по Пантле и Букку в модификации Сладечек:
$${\text{q}}_{\text{5}}=\{\begin{array}{l}\text{0}\text{, }{\text{при w}}_{\text{5}}\le \text{1;}\\ {\text{(w}}_{\text{5}}\text{-1)/3}\text{, }\text{при 1}<{\text{w}}_{\text{5}}\le \text{15;}\\ \text{1}\text{, }{\text{при w}}_{\text{5}}>\text{4;}\end{array}$$
где w₅ - рассчитанное значение индекса сапробности по Пантле и Букку в модификации Сладечек;
далее сравнивают полученное значение сводного показателя с данными таблицы 1 и по результатам судят об экологическом состоянии водоема.