способ дифференциации мезотрофного и эвтрофного состояния пресных непроточных водоемов

Формула изобретения

Способ дифференциации мезотрофного и эвтрофного состояния пресных непроточных водоемов, предусматривающий регистрацию трех биотических и трех абиотических показателей, расчет показателя трофности и определение экологического состояния водоема по величине показателя трофности, в качестве биотических показателей регистрируют количество водорослей вида Crucigenia tetrapedia (Kirchn.) W. Et G.S. West, Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. var. Quadricauda, Trachelomonas volvocinopsis Swir., в качестве абиотических показателей регистрируют среднедекадную температуру воздуха, количество осадков за декаду и прозрачность воды в водоеме, показатель трофности рассчитывают по формуле

ПТ=4,0905+0,14876×Х ₁+0,20044×Х₂-0,15546×Х₃ +0,01369×Х₄+0,03178×Х₅-1,18615×Х ₆,

где ПТ - показатель трофности;

X ₁ - ln количества клеток водоросли Crucigenia tetrapedia (Kirchn.) W. Et G.S. West в 1 мл пробы воды, (кл/мл);

Х₂ - ln количества клеток водоросли Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. var. Quadricauda в 1 мл пробы воды, (кл./мл);

Х₃ - ln количества клеток водоросли Trachelomonas volvocinopsis Swir., в 1 мл пробы воды, (кл./мл);

Х ₄ - среднедекадная температура воздуха, °С;

Х₅ - количество осадков за декаду, мм;

Х ₆ - прозрачность воды, баллы,

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

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к экологии и может быть использовано в природоохранной деятельности для контроля качества вод пресных непроточных водоемов.

Знание экологического состояния водоема позволяет управлять продукционными и деструкционными процессами, регулировать и предотвращать нарушение его экологического равновесия, а также контролировать процесс эвтрофирования и самоочищения вод. Непроточные водоемы вовлечены в хозяйственную деятельность для рекреационных и рыбоводческих целей, а также как приемники сточных вод, в связи с чем они являются объектом повышенной антропогенной нагрузки. Поэтому необходим постоянный контроль за экологическим состоянием этих водоемов для принятия управленческих решений.

Известны способы определения экологического состояния водоемов:

- по содержанию биогенных элементов (азота и фосфора), являющихся стимуляторами развития водорослей;

- по индикаторным организмам, обитающим в толще воды и на дне;

- по количественным показателям развития микроскопических водорослей (фитопланктона): численности, биомассе, концентрации хлорофилла, скорости фотосинтеза и др.;

- по качественным визуальным признакам: прозрачности, цвету, запаху и т.д. (Федоров В.Д. О методах изучения фитопланктона и его активности. М.: МГУ, 1979, с.49-61).

Для объективной оценки экологического состояния водоема показатели, полученные при использовании указанных способов, должны рассматриваться в совокупности, что требует значительных затрат труда и времени.

Наиболее близким к заявляемому способу по назначению и совокупности существенных признаков является способ определения экологического состояния пресноводных водоемов по степени его трофности (патент РФ № 2050128, МПК А01К 61/00, G01N 33/18, опубл. 20.12.1995).

Известный способ заключается в том, что непосредственно в водоеме измеряют активную реакцию воды рН и содержание кислорода O₂ и по этим гидрохимическим показателям определяют показатель трофности (ПТ) водоема по формуле

где n - число измерений;

pH_i - содержание ионов водорода при разовом замере;

[O₂]_i - содержание растворенного кислорода при разовом замере.

Экологическое состояние водоема определяется путем сравнения расчетного значения ПТ с его численным значением для различных экологических состояний: дистрофного (ПТ<5,7), ультраолиготрофного (5,7<ПТ<7,0), олиготрофного (ПТ 7,0), мезотрофного (7,0<ПТ<8,3) и эвтрофного (ПТ 8,3).

Недостатком данного способа является необходимость проведения многочисленных замеров указанных параметров в течение суток, что усложняет мониторинг и значительно задерживает получение результатов, поскольку количество кислорода в воде и значение рН в каждый конкретный момент времени зависят как от деятельности водорослей, так и от абиотических факторов (ветровое перемешивание, температурная стратификация, наличие в воде взвешенных веществ), которые могут меняться в течение суток и в течение года.

Кроме того, указанный способ не учитывает биотический компонент водоема, который является важным при определении экологического состояния водоема.

Также к недостаткам прототипа следует отнести громоздкость вычислений по представленной формуле.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении достоверности результата оценки экологического состояния пресного непроточного водоема за счет учета как биотических, так и абиотических факторов и ускорения способа оценки за счет уменьшения количества замеров показателей в течение суток.

Для достижения указанного технического результата в заявляемом способе оценки экологического состояния пресных водоемов проводят регистрацию трех биотических и трех абиотических показателей, расчет показателя трофности и определение экологического состояния водоема по величине показателя трофности, в качестве биотических показателей регистрируют количество водорослей вида Crucigenia tetrapedia (Kirchn.) W. Et G.S. West, Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. var. quadricauda, Trachelomonas volvocinopsis Swir., в качестве абиотических показателей регистрируют среднедекадную температуру воздуха, количество осадков за декаду и прозрачность воды в водоеме, показатель трофности рассчитывают по формуле

ПТ=4,0905+0,14876×X₁ +0,20044×X₂-0,15546×Х₃+0,01369×Х ₄+0,03178×Х₅-1,18615×Х₆ ,

где ПТ - показатель трофности;

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

Х₂ - ln (Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. var. quadricauda, тыс.кл./л);

Х₃ - ln (Trachelomonas volvocinopsis Swir., тыс.кл./л);

X₄ - среднедекадная температура воздуха, °С;

Х₅ - количество осадков за декаду, мм;

Х₆ - прозрачность воды, баллы;

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

Достигаемый при осуществлении изобретения технический результат состоит в том, что заявляемый способ позволяет быстро в полевых условиях непосредственно у водоема по трем биотическим и трем абиотическим показателям рассчитать показатель трофности (ПТ) и определить экологическое состояние водоема по величине показателя трофности. Применение заявляемого способа расширяет ассортимент способов определения экологического состояния водоемов, в частности пресных непроточных озер.

Авторами в течение 20 лет наблюдений (с 1982 по 2002 гг.) были изучены видовой состав, сезонная динамика численности и биомассы планктонных водорослей двух пресных непроточных озер.

Было установлено, что многие из водорослей встречаются в озерах всех степеней трофности лишь с разной численностью, поэтому в качестве биотических показателей, обладающих высокой степенью информативности для определения степени трофности, были отобраны те виды водорослей, которые максимально часто встречались в пробах и во всех водоемах.

Из всех видов водорослей исследуемых пресных непроточных озер этому требованию соответствовали только три вида: Crucigenia tetrapedia (Kirchn.) W. Et G.S. West, Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. var. quadricauda, Trachelomonas volvocinopsis Swir, (таблица 1).

Таблица 1
Частота встречаемости водорослей в пробах воды
Водоросли	Озеро Рудничное	Озеро Беленовское
Crucigenia tetrapedia (Kirchn.) W. Et G.S. West	90,4%	92,3%
Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. var. quadricauda	92,3%	94,2%
Trachelomonas volvocinopsis Swir.	91,2%	95,1%

Известно, что колебания численности водорослей зависят от воздействия окружающей среды, в том числе от абиотических факторов (Михеева Т.М. Сукцессия видов в фитопланктоне: определяющие факторы. Минск: Изд-во БГУ им. В.И.Ленина, 1983, 72 с.). На основании результатов натурных исследований нами из абиотических показателей были отобраны наиболее значимые для развития водорослей, но не требующие специальных методик определения и высокой квалификации лабораторного персонала показатели: среднедекадная температура воздуха, среднедекадная облачность, среднедекадный ветер, количество осадков за декаду, прозрачность и глубина водоема.

С целью определения качественных парных связей или качественных обусловленностей между выбранными биотическими и абиотическими показателями был проведен корреляционный анализ. Считается, что величина коэффициента парной корреляции r<0,3 указывает на слабую связь между параметрами, при 0,3 r 0,5 связь признается умеренной. Если же 0,5 r 0,7, то корреляция считается значительной (Лакин Г.Ф. Биометрия. М.: «Высшая. школа», 1990, 352 с.).

Как показал корреляционный анализ, в обоих водоемах умеренная связь прослеживается у выбранных водорослей со следующими абиотическими показателями: среднедекадная температура воздуха, количество осадков за декаду и прозрачность (таблица 2).

Таким образом, для определения трофности водоема были отобраны три биотических (количество водорослей вида Crucigenia tetrapedia (Kirchn.) W. Et G.S. West, Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. var. quadricauda, Trachelomonas volvocinopsis Swir) и три абиотических показателя (среднедекадная температура воздуха, количество осадков за декаду и прозрачность воды в водоеме).

Таблица 2
Коэффициент корреляции биотических и абиотических показателей (абсолютные значения)
Озера	Биотические показатели Абиотические показатели	Crucigenia tetrapedia	Scenedesmus quadricauda	Trachelomonas volvocinopsis
Рудничное	Среднедекадная температура воздуха, °С	0,31	0,46	0,31
Количество осадков за декаду, мм	0,35	0,44	0,33
Прозрачность воды, баллы	0,33	0,49	0,39
Беленовское	Среднедекадная температура воздуха, °С	0,37	0,46	0,32
Количество осадков за декаду, мм	0,43	0,51	0,31
Прозрачность воды, баллы	0,33	0,41	0,31

На основе регрессионного анализа многолетних данных динамики количественных значений указанных показателей двух пресных непроточных озер (мезотрофного и эвтрофного) составлена формула для расчета показателя трофности водоема:

ПТ=4,0905+0,14876×X ₁+0,20044×X₂-0,15546×Х₃ +0,01369×Х₄+0,03178×Х₅-1,18615×Х ₆,

где ПТ - показатель трофности;

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

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

Х₃ - ln (Trachelomonas volvocinopsis Swir., тыс.кл./л);

X₄ - Среднедекадная температура воздуха, °С;

X₅ - количество осадков за декаду, мм;

Х₆ - прозрачность воды, баллы.

Для каждого биотического и абиотического показателя путем линейного множественного регрессионного анализа были рассчитаны свободный член уравнения регрессии и коэффициенты регрессии (Кулаичев А.П. Методы и средства комплексного анализа данных. М.: Форум: ИНФРА-М, 2006, 512 с.). Таким образом, в формуле расчета показателя трофности свободный член уравнения регрессии и коэффициенты регрессии являются величинами постоянными, а значения показателей Х (Х₁-Х₆) - переменными величинами, которые определяются в каждый конкретный момент отбора проб при определении экологического состояния озера.

Рассчитанные постоянные значения коэффициентов регрессии представлены в таблице 3.

Таблица 3
Рассчитанные коэффициенты регрессии
Показатель	Коэффициенты регрессии
Свободный член уравнения регрессии	4,0905
X 1 - ln Crucigenia tetrapedia	0,14876
Х 2 - ln Scenedesmus quadricauda	0,20044
Х 3 - ln Trachelomonas volvocinopsis	0,15546
X 4 - Среднедекадная температура воздуха	0,01369
X 5 - Количество осадков за декаду	0,03178
Х 6 - Прозрачность	1,18615

Данные по количеству клеток водорослей и прозрачности получают непосредственно у водоема по общепринятым методикам (Водоросли. Справочник. / Вассер С.П., Кондратьева Н.В., Масюк Н.П. и др. Киев: Наук. думка, 1989, с.608). При этом измеренная по диску Секки прозрачность воды пересчитывается в баллы - 50 см прозрачности воды, определенной по диску Секки, приравниваются к 1 баллу (Х₆).

Данные о среднедекадной температуре воздуха (X ₄) и количестве осадков за декаду (Х₅) могут быть получены предварительно в гидрометеоцентре либо путем ведения лабораторного журнала метеорологических данных.

Пограничное значение показателя трофности (ПТ) 3,6 для различных экологических состояний водоемов (мезотрофное и эвтрофное) определили расчетным методом, путем использования полученной формулы:

ПТ=4,0905+0,14876×X₁+0,20044×X ₂-0,15546×Х₃+0,01369×Х₄ +0,03178×Х₅-1,18615×Х₆,

на девяти водоемах с установленным уровнем трофности (таблица 4).

Таблица 4
Среднее значение показателя трофности водоемов
Водоемы (уровень трофности)	Количество измерений показателя трофности	Среднее значение показателя трофности
Рудничное (мезотрофное)	41	2,35
Линевое (мезотрофное)	19	2,68
Песчанное Дальнее (мезотрофное)	20	2,65
Музыкантское (мезотрофное)	20	3,2
Кресты (мезотрофное)	21	3,27
Беленовское (эвтрофное)	40	4,73
Бородок (эвтрофное)	24	4,83
Большое Песчаное (эвтрофное)	40	4,46
Лебяжье (эвтрофное)	20	4,2
Итого	245	3,6

Как видно из таблицы, если значение показателя трофности (ПТ) меньше либо равно 3,6, водоем является мезотрофным, а при значении показателя трофности более 3,6 - эвтрофным.

К несомненным достоинствам заявляемого способа относятся: а) высокая скорость определения показателя трофности (ПТ), что позволяет получать результаты достаточно быстро в полевых условиях непосредственно у водоема; б) легкость обучения способу; в) максимальная простота в определении вышеуказанных видов водорослей, а значит, доступность реализации способа для широкого круга исследователей (возможность использования не только специалистами-альгологами); г) относительно высокая степень надежности: на основании 163 проверок получено 137 совпадений, что позволило определить степень надежности предложенного метода 85±7,78%.

Способ осуществляется следующим образом.

На исследуемых водоемах проводят отбор проб планктонных водорослей по общепринятым методикам (Водоросли. Справочник. / Вассер С.П., Кондратьева Н.В., Масюк Н.П. и др. Киев: Наук. думка, 1989, с.608) и подсчитывают количество трех видов водорослей: Crucigenia tetrapedia (Kirchn.) W. Et G.S. West, Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. var. quadricauda, Trachelomonas volvocinopsis Swir.

Полученные числовые значения логарифмируют (X₁ - ln (Crucigenia tetrapedia (Kirchn.) W. Et G.S. West, тыс. кл./л), X₂ - ln (Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. var. quadricauda, тыс. кл./л), Х ₃ - ln (Trachelomonas volvocinopsis Swir., тыс. кл./л).

Данные о среднедекадной температуре воздуха (Х ₄) и количестве осадков за декаду (Х₅) получают предварительно в гидрометеоцентре либо путем ведения лабораторного журнала метеорологических данных.

По диску Секки (Водоросли. Справочник. / Вассер С.П., Кондратьева Н.В., Масюк Н.П. и др. Киев: Наук. думка, 1989, с.608) измеряют прозрачность воды и пересчитывают в баллы - 50 см прозрачности воды, определенной по диску Секки, приравниваются к 1 баллу (Х₆).

Далее рассчитывают показатель трофности по формуле:

ПТ=4,0905+0,14876×X₁+0,20044×X ₂-0,15546×Х₃+0,01369×Х₄ +0,03178×Х₅-1,18615×Х₆,

где ПТ - показатель трофности;

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

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

Х₃ - ln (Trachelomonas volvocinopsis Swir., тыс. кл./л);

Х₄ - среднедекадная температура воздуха, °С;

Х₅ - количество осадков за декаду, мм;

Х₆ - прозрачность воды, баллы.

Экологическое состояние пресного водоема определяется как мезотрофное при показателе трофности меньше либо равном 3,6, а при значении показателя трофности более 3,6 водоем считают эвтрофным.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1

Определяли экологическое состояние пресного озера Рудничное (Оренбургская область) в июне 2004 г.

Из исследуемого водоема производили отбор проб планктонных водорослей по общепринятым методикам (Водоросли. Справочник. / Вассер С.П., Кондратьева Н.В., Масюк Н.П. и др. Киев: Наук. думка, 1989, с.608). Количественному учету подвергали только три вида водорослей: Crucigenia tetrapedia (Kirchn.) W. Et G.S. West, Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. var. quadricauda, Trachelomonas volvocinopsis Swir. В результате проведенного подсчета численность Crucigenia tetrapedia (Kirchn.) W. Et G.S. West в пробе составила 8 тыс.кл/л, Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. var. quadricauda - 28 тыс.кл/л, Trachelomonas volvocinopsis Swir. - 70 тыс.кл./л. Полученные числовые значения логарифмировали.

В гидрометеоцентре получали значения среднедекадной температуры воздуха, которая на период исследования составила 21,1°С; количества осадков за декаду 1,6 мм.

По диску Секки определили прозрачность воды 150 см и перевели это значение в баллы путем приравнивания каждых 50 см к 1 баллу. Прозрачность воды составила 3 балла.

Далее рассчитали показатель трофности по формуле:

ПТ=4,0905+0,14876×X ₁+0,20044×X₂-0,15546×Х₃ +0,01369×Х₄+0,03178×Х₅-1,18615×Х ₆,

где ПТ - показатель трофности;

X₁ - ln(8), тыс. кл./л;

Х₂ - ln(28), тыс. кл./л;

Х₃ - ln(70), тыс. кл./л;

Х₄ - 21,1°С;

Х₅ - 1,6 мм;

Х₆ - 3 балла.

При подставлении всех значений в формулу получили:

ПТ=4,0905+0,14876×ln(8)+0,20044×ln(28)-0,15546×ln(70)+0,01369×21,1+0,03178×1,6-1,18615×3=1,2.

Экологическое состояние исследуемого водоема определили как мезотрофное, так как показатель трофности (ПТ) равен 1,2, то есть менее 3,6.

Пример 2

Определяли экологическое состояние пресного озера Беленовское (Оренбургская область) в августе 2006 г.

Из исследуемого водоема проводили отбор проб планктонных водорослей по общепринятым методикам (Водоросли. Справочник. / Вассер С.П., Кондратьева Н.В., Масюк Н.П. и др. Киев: Наук. думка, 1989, с.608). Количественному учету подвергали только три вида водорослей: Crucigenia tetrapedia (Kirchn.) W. Et G.S. West, Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. var. quadricauda, Trachelomonas volvocinopsis Swir. В результате проведенного подсчета численность Crucigenia tetrapedia (Kirchn.) W. Et G.S. West в пробе составила 18 тыс.кл./л, Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. var. quadricauda - 432 тыс. кл./л, Trachelomonas volvocinopsis Swir. - 25,2 тыс. кл./л. Полученные числовые значения логарифмировали.

В гидрометеоцентре получали значения среднедекадной температуры воздуха, которая на период исследования составила 19,6°С; количества осадков за декаду 2,8 мм.

По диску Секки определили прозрачность воды 50 см и перевели это значение в баллы путем приравнивания каждых 50 см к 1 баллу. Позрачность воды составила 1 балл.

Далее рассчитали показатель трофности по формуле:

ПТ=4,0905+0,14876×ln(18)+0,20044×ln(432)-0,15546×ln(25,2)+0,01369×19,6+0,03178×2,8-1,18615×1=4,4.

Поскольку в результате проведенных расчетов ПТ равен 4,4, то есть значение ПТ более 3,6, экологическое состояние озера Беленовское было определено как эвтрофное.

Пример 3

Определяли экологическое состояние пресного озера Линево (Оренбургская область) в мае 2005 г.

Из исследуемого водоема проводили отбор проб планктонных водорослей по общепринятым методикам (Водоросли. Справочник. / Вассер С.П., Кондратьева Н.В., Масюк Н.П. и др. Киев: Наук. думка, 1989, с.608). Количественному учету подвергали только три вида водорослей: численность Crucigenia tetrapedia (Kirchn.) W. Et G.S. West в пробе на период исследования составила 280 тыс. кл./л, Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. var. quadricauda - 40 тыс. кл./л, Trachelomonas volvocinopsis Swir. - 55 тыс. кл./л. Полученные числовые значения логарифмировали.

В гидрометеоцентре получали значения среднедекадной температуры воздуха, которая на период исследования составила 14°С; количества осадков за декаду 9,0 мм.

По диску Секки определили прозрачность воды 125 см и перевели это значение в баллы путем приравнивания каждых 50 см к 1 баллу. Позрачность воды составила 2,5 балла.

Далее рассчитали показатель трофности по формуле:

ПТ=4,0905+0,14876×ln(280)+0,20044×ln(40)-0,15546×ln(55)+0,01369×14+0,03178×9-1,18615×2,5=3,1.

Поскольку в результате проведенных расчетов ПТ равен 3,1, то есть значение ПТ менее 3,6, экологическое состояние озера Линево было определено как мезотрофное.

Предлагаемый способ определения экологического состояния пресных непроточных водоемов, основанный на измерении трех биотических и трех абиотических показателей, удобен на практике и позволяет быстро получать объективную и достоверную информацию об экологическом состоянии непроточного пресного водоема на основе ограниченного числа анализов, что значительно уменьшает затраты труда, времени и средств при проведении исследований.