Антропогенное эвтрофирование водоемов

Гидротехническое строительство

В мире создано около 10Х103 водохранилищ. Строительство водохранилищ наряду с положительным влиянием на формирование качества воды , повышение рыбопродуктивности, усиления разбавления, уменьшения запаха, цветности и повышения прозрачности воды, явилось одной из причин их значительного эвтрофирования и проявления ряда отрицательных последствий, связанных со снижением по сравнению с рекой их самоочистительной способности.

Важный результат строительства - повышение уровня грунтовых вод, переформирование берегов и изменение климатических условий. Увеличение запасов биогенных и органических веществ в водохранилище, по сравнению с рекой, вызвано значительными поступлениями их из залитых грунтов, разложением растительности, попавшей в зону затопления, замедлением водообмена и течения, снижением степени кислородного насыщения и нарастания степени восстановленности, что ослабляет минерализацию и усиливает поступление веществ из донных отложений. Так в первые годы после строительства Волжской ГЭС увеличилось количество аммонийного азота в 10 раз, нитратного и фосфатного фосфора в 1.5-2 раза. 

Сток биогенных и органических веществ из с/х угодий.

Вносимые под с/х культуры удобрения вымываются с поверхностным и внутрипочвенным стоком, а также за счет сброса коллекторных и дренажных вод в зонах орошаемого земледелия. В озерах, окруженных пашнею, интенсивно протекают процессы заиления и зарастания. Доля вынесенных в водоем из с/х угодий питательных веществ зависит от геологических условий региона, возделываемой культуры, типа почвы, системы агротехнических приемов и в первую очередь количества и вида внесенных удобрений. В максимальном количестве выносится азот, в минимальном - калий и фосфор.

Поступление биогенных и органических веществ из животноводческих комплексов.

Обогащение водоемов за счет поверхностного стока атмосферных осадков и обогащения внутрипочвенного стока.

Поверхностный сток городских территорий.

Уже в конце 19 в. моечные воды признаны существенным фактором загрязнения водоемов в разных странах. Это объясняется тем, что они несут с собой пыль, листья, мусор, нефтепродукты, химикаты.

Например - дождевая вода в атмосфере содержит до 53 мг/л взвешенных веществ. При скатывании с крыш содержание взвешенных веществ повышается до 440 мг/л, а при стекании с улиц и площадей - до 40Х103 мг/л. 

Сточные воды (канализация, промышленные предприятия).

Одной из основных причин эвтрофирования и загрязнения является сбрасывание сточных вод. Даже в водах, прошедших биологическую очистку, содержится такое количество нитратов и фосфатов, которое вполне достаточно для роста и развития многих водорослей. Многолетний анализ сточных вод по годам свидетельствует, что содержание азота с 1959-1970 -6.6-14.7 г/сутки на одного жителя. Содержание фосфора (г/сутки) на одного жителя 2.2-11.2 с тенденцией повышения. Это объясняется увеличением потребления в быту детергентов, содержащих фосфор.

Соотношение доли в эвтрофировании водоемов каждого из перечисленных факторов изменяется по-разному в зависимости от географической зоны, степени интенсификации промышленности и с/х. Однако независимо от региона общим является односторонняя направленность потока биогенных и органических веществ в водоем, в результате чего происходит аккумуляция вещества и энергии и нарушение экологического равновесия со всеми вытекающими последствиями.

3. Мониторинг  и контроль антропогенного эвтрофирования

  Одним из серьезных затруднений при    оценке последствий антропогенного эвтрофирования водоемов и водотоков является то, что благодаря механизмам гомеостаза изменения в функционировании экосистем оказываются на первом этапе незаметными. Чаще такие нарушения сложно отличить от природных вариаций в развитии экосистем. К последним могут быть отнесены сезонные, межгодовые колебания гидродинамических процессов, климатические изменения и другие.     
     Оценки  последствий антропогенного эвтрофирования и выявление его масштабов на фоне естественной изменчивости могут быть определены только на базе результатов режимных наблюдений за особенностями функционирования отдельных сообществ водных организмов в условиях антропогенного эвтрофирования. Причем для получения достаточно достоверного результата необходимы наблюдения за ряд лет и даже десятилетий.  
     Серьезные структурные преобразования происходят за счет усиления и ускорения процесса антропогенного эвтрофирования и периодического токсического воздействия на биоту многих загрязняющих веществ, поступление которых в водоемы и водотоки остается по-прежнему высоким. Причем эффект токсического воздействия может проявляться как при прямом поступлении в водоемы токсичных веществ, так и на определенных стадиях процесса антропогенного эвтрофирования.  
     Несмотря  на то, что обогащение поверхностных  вод биогенными веществами вызывает усиление развития всех фотосинтезирующих  организмов, прямым следствием процесса антропогенного эвтрофирования может быть либо "цветение" воды, либо усиление развития высшей водной растительности, и последнее будет определяться в первую очередь типом водного объекта. Практически во всех водохранилищах процесс их эвтрофирования начинался по типу фитопланктонного. Характерными  чертами водоемов с фитопланктонным   типом эвтрофирования являются:  

всегда положительный биотический баланс хотя бы верхней части слоя летом;  
заметные изменения в течение лета интенсивности фотосинтеза, содержания кислорода, свободной углекислоты, карбонатов, активной реакции воды.      

Уже на ранней стадии процесса антропогенного эвтрофирования проявляются следующие общие для всех водоемов природные модификации в развитии фитопланктона:  

изменение видового состава доминирующего комплекса;  
изменение значимости отдельных видов в составе доминирующего комплекса и целых систематических групп в общей численности и биомассе фитопланктона;  
нарастание абсолютных значений численности всех основных групп;  
снижение относительной численности фитопланктона;   
сдвиг баланса крупно- и мелкоклеточных видов, особенно на ранней стадии эвтрофирования, в сторону мелкоклеточных.      

Наиболее  острые конкурентные отношения складываются в летний период. Подавляющее большинство  водорослей из числа летних вытесняется  в весенний и осенний планктон, летом же массовыми оказываются  синезеленые, зеленые, желтозеленые водоросли. К числу наиболее наглядных проявлений последствий фитопланктонного эвтрофирования водных объектов может быть отнесено "цветение" воды, возникающее как результат нарушения процессов саморегуляции в экосистеме и выхода на доминирующее положение в биоценозе одного или нескольких наиболее приспособленных видов водорослей.  
     Наиболее  широкую известность приобрело "цветение" воды в результате массового размножения  отдельных видов синезеленых водорослей.  
     Особого внимания заслуживает тот факт, что "цветение" воды возникает в  результате антропогенного воздействия  на экосистему и является ответной приспособительной реакцией последней  и может рассматриваться как  новый этап ее существования в  изменившихся условиях среды.

Как показывают многолетние исследования, обильному "цветению" синезеленых водорослей благоприятствует ослабленное течение, высокая прозрачность, большое содержание подвижных форм растворенного органического вещества, усиленное поступление биогенных элементов. Не менее важную роль в стимуляции развития водорослей играет увеличение степени восстановленности среды и снижение уровня кислородного насыщения. 
     "Цветение"является косвенным показателемухудшения общего санитарного состояния водоема. С другой стороны, оно само является источником биологического загрязнения водоемов со всеми вытекающими отсюда отрицательными  гигиеническими, а порой и эпидемиологическими  последствиями.   
     Интенсивно  нарастающий процесс антропогенного эвтрофирования водоемов и водотоков, а также своеобразие этого процесса предъявляют особые требования к выбору путей и методов контроля и защиты водных экосистем.  
     Специфика процесса антропогенного эвтрофирования, принципиальные различия между процессами эвтрофирования и загрязнения требуют особых подходов к расположению и срокам отбора проб и перечню определяемых показателей, и особенно к разработке систем оценки уровня эвтрофирования экосистем.  
     Подсистема  мониторинга антропогенного эвтрофирования пресноводных экосистем (ПМАЭПЭ) входит в качестве специального вида в состав системы мониторинга поверхностных вод суши.   
     Для оценки уровня антропогенного эвтрофирования необходимо иметь большие ряды комплексных наблюдений (статистически достоверные многолетние данные) за изменением специфических показателей, характеризующих направление и скорость природных модификаций биоценозов с учетом региональных особенностей экосистем. 
     Задачей ПМАЭПЭ является обеспечение наблюдений и оценка:  
совокупного эффекта эвтрофирования при антропогенном воздействии на экосистемы; 
природного экологического состояния водоемов и водотоков и возможных его изменений при антропогенном эвтрофировании;   
направлений изменений структурной организации сообщества водных организмов в условиях внешнего кратковременного или хронического воздействия.      

Эвтрофирующиеся экосистемы делятся не только по категориям в зависимости от их ценности и путей использования, но и по своим особенностям приспособления к усиливающимся процессам эвтрофирования.  
     Особенности экосистемы, обеспечивающие устойчивость каждого конкретного водного  объекта, складываются в результате индивидуальной истории данной экосистемы и отражают ее индивидуальные свойства. Поэтому неизбежна их типизация, требующая умения отличить типовые  свойства экосистем от индивидуальных.   
     ПМАЭПЭ  в России создается впервые. Первая очередь этой подсистемы организована исходя из возможностей действующей  в настоящее время гидрохимической  и гидробиологической сети глобальной системы наблюдений (ГСН). В ее состав вошли пункты действующей сети, на которых обеспечен длительный ряд наблюдений по комплексу гидрологических, гидрохимических и гидробиологических показателей, и по результатам наблюдений на которых уже в настоящее время можно оценить последствия антропогенного воздействия путем:  

сопоставления по пунктам и срокам приоритетных гидрохимических и гидробиологических показателей;   
оценки их пространственно-временной изменчивости;   
выявления специфических особенностей в развитии сообществ водных организмов при усилении антропогенного воздействия;   
ранжирование участков реки по уровню загрязненности с эвтрофирующим и регрессирующим эффектами антропогенного воздействия.       

Поскольку в современных условиях одной  из основных причин усиления процесса эвтрофирования чаще всего является фактор накопления в водной среде биогенных веществ, то режим биогенных элементов рассматривался как исходный показатель потенциального эвтрофирования, а характер развития фитопланктонного сообщества - как следствие последнего.  
     В качестве основы для интегральной оценки последствий антропогенного эвтрофирования пресноводных экосистем рекомендуется использовать сравнительный метод, основанный на сопоставлении результатов обобщения многолетней гидробиологической информации, полученной на пунктах режимных наблюдений с разным уровнем антропогенного воздействия, в том числе и на условно "фоновом".   
     В качестве основы количественной оценки уровня антропогенного эвтрофирования предлагается использовать приоритетные показатели природных модификаций структурной организации фитопланктонных сообществ.  
     Использование в первую очередь показателей  развития фитопланктона можно объяснить  тем, что фитопланктон является одним  из важнейших элементов водных экосистем, участвующих в формировании качества вод, поскольку свободно парящие  в толще воды организмы фитопланктона  осуществляют такой мощный процесс, как фотосинтез.  
     Индикаторные  свойства фитопланктонного сообщества определяются не только фактом присутствия  или отсутствия определенных сапробных видов, но и степенью их количественного развития. Поэтому изучение таких показателей, как видовой и групповой состав, численность, биомасса, их пространственно-временная изменчивость, имеет большое практическое значение.  
     Многочисленными исследованиями последних лет установлено, что фитопланктону принадлежит  ведущая роль в индикации изменения  качества воды водных объектов.   
     Достоверность и объективность оценки уровня антропогенного эвтрофирования достигается соблюдением следующих условий:  
в качестве исходной базы необходимо использовать многолетнюю гидробиологическую информацию, представляющую результаты анализа проб, отобранных в назначенных пунктах при строгом соблюдении сроков отбора;  
оценку необходимо проводить по результатам режимных наблюдений, выполняемых в лабораториях контроля за загрязнением поверхностных вод;  
непременным условием использования результатов гидробиологического анализа является единая методическая основа его проведения;  
при проведении сравнительной оценки эвтрофирования различных участков водных объектов или различных водных объектов необходимо использовать материалы равной представительности, т.е. должны быть идентичными показатели оценки, число результатов анализа и сроки отбора проб.

3.1 Формирование сети наблюдений     

Формирование  сети наблюдений за процессом антропогенного эвтрофирования необходимо производить на основе анализа размещения действующих пунктов контроля.   При этом необходимо исходить из следующих  общепринятых положений:  

наиболее благоприятные условия для усиления процессов антропогенного эвтрофирования создаются на мелководных участках озер и водохранилищ, в прудах и на зарегулированных водотоках, где принципиально меняются гидрологические условия функционирования экосистем;   
неравномерность антропогенного воздействия, а следовательно, и физико-химических условий водной среды приводят к образованию в пределах одной экосистемы специфических микроэкосистем.      

Так, например, в поверхностном слое эвтрофирующихся водоемов отмечается гетерогенность, особенно заметная в период массового "цветения" фитопланктона и обусловленная так называемыми пятнами "цветения", которые могут иметь самую разнообразную форму и размер.  
     Поэтому в первую очередь необходимо изучать  наиболее характерные участки водоемов, поскольку обстоятельная характеристика экосистем крупных водоемов и  водотоков невозможна без характеристики их основных частей. 

Выбор сети пунктов наблюдений проводится на основе характеристики гидролого-экологического состояния водного объекта.   
     При обследовании водоемы изучаются  на всем их протяжении с целью выявления  пространственных неоднородностей  распределения величин, характеризующих  как функционирование экосистемы водоема  в целом, так и отдельных его  биотопов.   
     Учитывая  высокую пространственно-временную  неоднородность и изменчивость показателей  экологического состояния водных экосистем, вопрос отбора представительных проб приобретает особое значение. При проведении обследования водного объекта особенно важно провести отбор проб по всей акватории за время, много меньшее временной и пространственной изменчивости ее состояния, с пространственным интервалом, исключающим пропуск характерных аномальных участков водного объекта.  
     При выборе пунктов режимных наблюдений предпочтение отдается таким участкам водных объектов:  

где наиболее ярко проявляются различия в структурно-функциональной организации сообществ водных организмов, что наглядно отражает последствия антропогенного воздействия;   
которые находятся под влиянием как существующих, так и проектируемых источников поступления веществ, за счет которых потенциально возможно усиление процессов эвтрофирования пресноводных экосистем.