Ивичева К. Н., Филоненко И. В. Анализ зависимости качества вод по гидрохимическим показателям от освоенности водосборов // Принципы экологии. 2013. № 3. С. 53–61. DOI: 10.15393/j1.art.2013.2421

Выпуск № 3

Оригинальные исследования

pdf-версия статьи

528.854.4

Анализ зависимости качества вод по гидрохимическим показателям от освоенности водосборов

Введение

Реки Вологодской области находятся в неудовлетворительном состоянии. Практически все водотоки нашей области характеризуются как загрязненные, грязные, очень грязные (3 и 4 классы качества вод по данным Вологодского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды). Любая территория, на которой ведется хозяйственная деятельность находится в пределах какого-либо водосбора. Характер хозяйственной деятельности на водосборе, наряду с прямыми сбросами, влияет на качество вод в реках. В свою очередь, качество вод в водотоке является индикатором экологического состояния территории его водосбора. Водоток вместе с его водосборным бассейном составляет единую геоэкологическую систему. При оценке экологического состояния системы водосбор — река проводится количественный анализ различной хозяйственной деятельности на водосборе (Сидоренко, 2003; Иванов, Мазуркин, 2004; Ясинский, 2009). В том числе учитываются площади лесов, болот, сельхозугодий, населенных пунктов. Территории, занятые лесами, подвергаются наименьшему антропогенному воздействию, в силу чего они не оказывают негативного влияния на качество вод в водотоке. С сельхозугодий происходит смыв биогенов в водотоки. При оценке экологического состояния водосборов за основу берутся картографические материалы, данные статистики, натурные исследования. Разрабатываются методологические подходы к оценке влияния водосборов на качество вод в реках. Мы предложили метод оценки этих территорий на водосборе путем анализа космических снимков. Целью нашей работы явился анализ зависимости качества вод от степени освоенности водосборов рек Вологодской области.

Материалы

Были использованы данные по качеству поверхностных вод из докладов о состоянии окружающей среды Вологодской области за период с 2003 по 2010 годы: индекс загрязнения воды (ИЗВ), удельный комбинаторный индекс загрязнения воды (УКИЗВ, рассчитывается с 2006 г.), данные о превышении предельно допустимых концентраций (ПДК) (Государственный доклад…, 2004; Доклад о…, 2005—2011). Индексы (ИЗВ, УКИЗВ) рассчитываются Вологодским ЦГМС на основании концентраций 15 основных загрязняющих веществ, наиболее характерных для всей территории России. До 2005 г. оценка качества поверхностных вод выполнялась без учета загрязняющих веществ, повышенные концентрации которых носят природный характер, рассчитывался индекс ИЗВ (Доклад о…, 2006). Для анализа брались данные по 16 створам на 13 водотоках: рр. Андома, Андога, Большая Ельма, Вага, Вологда (2створа), Кошта, Леденьга, Содема, Старя Тотьма, Тошня (2 створа), Шограш, Юг, Ягорба (2 створа) (рис. 1). По ряду водотоков имеются данные не за весь период.

Рис. 1.  Расположение анализируемых водосборов на карте Вологодской области

Fig. 1. Location of analised water catchments in the map of Vologda region

В качестве векторной основы была взята гидрологическая сеть из базы данных Вологодской лаборатории ФГБНУ ГосНИОРХ. В качестве растровой основы были использованы космические снимки земной поверхности мультиспектральной (6 диапазонов) съемки 30-метрового разрешения, сделанные камерой ЕТМ + спутника Landsat7 Геологической службы США (USGS) за период 2000—2007 гг.

Методы

Для работы с пространственными данными использован программный пакет ArcGIS 10. Для каждого водотока с помощью модуля ArcGIS Spatial Analyst инструментом Hydrology были построены полигоны водосборов до точки отбора проб (точка отбора проб задавалась в качестве устья, далее мы обозначаем построенные полигоны как участки водосборов). Для рек, где анализировались 2 створа наблюдения, было построено по 2 водосборных полигона. Тематическая обработка снимков Landsat проводилась с помощью Windows-приложения ScanEx Image Processor. В рамках векторной основы площади водосборов каждой реки была проведена классификация снимков Landsat в приложении ScanEx Image Processor методом ISODATA на 16 классов. Снимок земной поверхности классифицировался по категориям: участки, занимаемые лесами, болотами, вырубками, территории, занятые сельскохозяйственными угодьями, и населенные пункты (рис. 2). Далее выделенные участки объединялись по степени поступления с них аллохтонных веществ антропогенного происхождения. При анализе участки, занимаемые лесами, болотами и зарастающими вырубками, были включены в одну категорию как малоосвоенные, так как они подвергаются минимальному антропогенному воздействию. Территории, занятые населенными пунктами, испытывают максимальное антропогенное воздействие. Для расчета значений коэффициента корреляции Пирсона использован пакет анализа Microsoft Excel.

Рис. 2. Пример классификации участка водосбора р. Андомы в ScanEx Image Processor методом ISODATA

Fig. 2. Example of classification of the part of catchment of river Andoma in ScanEx Image Processor by the method ISODATA

Результаты

В результате проведенного анализа было рассчитано соотношение малоосвоенных территорий, сельхозугодий и населенных пунктов на участках водосборов рек (табл. 1). Доля малоосвоенных территорий составляет от 6.3 до 100 % и зависит от близости к крупным населенным пунктам. Для ряда рек характерна высокая доля болот. Населенные пункты на участках водосборов в целом не превышает 8 % от площади, за исключением рек небольшой протяженности, протекающих на значительном своем протяжении по территории крупных городов (Содема, Кошта, Шограш). Доля сельхозугодий на участках водосборов существенно больше для водотоков, которые протекают в окрестностях или по территории крупных промышленных центров. Для большинства рек сельхозугодия составляют от 20 до 30 % от площади, для некоторых из них — более 40 %, а для двух — более 50 %. Таким образом, сравниваемые нами реки имеют большой диапазон освоенности участков водосборов, зависящий, в первую очередь, от приближенности к крупным промышленным центрам.

 

Таблица 1. Результат классификации участков водосборных площадей рек Вологодской области по снимкам земной поверхности ЕТМ+ спутника Landsat7

	Площадь участка водосбора, км2	Доля на водосборе, %
		водоемов	болот	лесов	вырубок	малоосвоенных территорий	сельхозугодий	населенных пунктов
Андога-д.Никольское	2251.5	4.2	56.7	39.1		100
Андома-д. Рубцово	1238.6	6.8	9.9	76.4	6.9	100
Вага-д. Глуборецкая	1327.5		10.2	74.5	7	91.7	8.3
Вологда-до города	1369	0.6		65.7		66.4	28.53	5.2
Вологда-после города	2720	0.35		61.2		61.5	31.24	7.3
Большая Ельма-д.Филютино	337.6			73.5		73.5	26.5
Кошта-Череповец	131.8			20.7		20.7	60.3	19
Леденьга-д.Юрманьга	445		1.3	86.1	3.4	90.8	7.1	2.1
Содема	38.6			6.3		6.3	42.2	51.5
Старая Тотьма-д.Демьяновский погост	1833.6		8.3	83.2		91.5	8.5
Тошня-выше города	1091.2	0.3		61.7		62	35.8	2.2
Тошня-водозабор	1200.1	0.4		58.7		59.1	38.7	2.2
Шограш	60.3			12.4		12.4	58.1	29.5
Юг-д.Пермас	1454.6					97.5	2.5
Ягорба-д.Мостовая	354.3			58.5		58.5	41.5
Ягорба-Череповец	634.7	2.3	5.5	51.9		59.7	38.1	2.2

 

Значения индексов загрязнения воды Вологодского ЦГМС, рассчитанные на основе гидрохимических показателей приведены в таблицах (табл. 2, табл. 3). В целом значения индексов для каждой реки колеблются в пределах одного класса качества, переходя из разряда в разряд, либо между двумя классами. Тенденции ухудшения или улучшения качества вод в водотоках за рассматриваемый промежуток времени не наблюдается. Для некоторых водотоков отмечены сильные колебания значений индексов в разные годы, что, вероятно, было вызвано случаями экстремального превышения концентраций ряда загрязняющих веществ вследствие аварийных сбросов предприятий.

Таблица 2. Значения индексов ИЗВ за 2003—2010 гг. по данным Вологодского ЦГМС*

* (Государственный доклад…, 2004; Доклад о…, 2005—2011)

Таблица 3. Значения индексов УКИЗВ за 2006—2010 гг. по данным Вологодского ЦГМС *

	2006	2007	2008	2009	2010
Андога-д. Никольское	4.34	3.54	3.19	3.67	3.33
Андома-д. Рубцово	2.72	2.84	2.61	3.67	3.27
Вага-д. Глуборецкая	3.34	3.23	3.71	3.53	4.36
Вологда-до города	5.24	2.82	3.88	4.54	4.32
Вологда-после города	5.16	5.32	5.03	5.54	6.02
Большая Ельма-д. Филютино	3.44	2.71	3.23	2.72	3.6
Кошта-Череповец	6.55	6.92	6.45	6.29	6.11
Леденьга-д. Юрманьга	5.44	4.57	3.61	4.01	5.06
Содема	7.96	9.79	6.47	7.43	7.64
Старая Тотьма-д.Демьяновский погост	4.55	3.7	3.96	3.71	3.05
Тошня-выше города	2.49	4.24	3.36	3.36	-
Тошня-водозабор	3.21	3.49	4.63	4.39	4.48
Шограш	9.55	10.16	8.16	8.4	7.45
Юг-д. Пермас	2.75	1.93	2.77	3.03	1.98
Ягорба-д.Мостовая	5.03	4.73	3.55	4.93	5
Ягорба-Череповец	4.22	4.31	3.91	3.75	4.41

* (Государственный доклад…, 2004; Доклад о…, 2005—2011)

Корреляционная зависимость (между долей на водосборе малоосвоенных территорий, сельхозугодий населенных пунктов и гидрохимических индексов) представлена в таблицах 4, 5. Значения индексов ИЗВ и УКИЗВ прямо пропорциональны увеличению загрязнения — поэтому оба индекса показывают обратную корреляцию с долей на участке водосбора малоосвоенных территорий и прямую с долей территорий разной степени освоенности. Для ИЗВ колебания коэффициента корреляции составили от 0.58 до 95, для УКИЗВ — от 0.68 до 0.9. Для ИЗВ можно говорить о сильной статистической взаимосвязи с представленностью на водосборе территорий разной степени освоенности в период с 2003 по 2008 годы. В 2009 и 2010 годы наблюдается уже средняя статистическая зависимость. Для УКИЗВ во всех случаях (за исключением 2006 г.) можно говорить о достоверной корреляционной зависимости качества вод от доли на участке водосборов территорий разной степени освоенности. В целом значения коэффициентов корреляции для УКИЗВ выше, чем для ИЗВ. Как для ИЗВ, так и для УКИЗВ значения коэффициентов корреляции с долей на участке водосборов сельхозугодий несколько ниже, чем с долей малоосвоенных территорий и населенных пунктов. Помимо этого, ИЗВ проявляет большую зависимость от доли на участках водосборов населенных пунктов, чем малоосвоенных территорий.

Таблица 4. Значения коэффициентов корреляции ИЗВ и участков водосборного бассейна с разным покрытием

 

Таблица 5. Значения коэффициентов корреляции УКИЗВ и участков водосборного бассейна с разным покрытием

 

Данные о кратности превышения ПДК по некоторым загрязняющим веществам представлены в таблице 6. Медь и железо являются одними из основных ингредиентов, влияющих на уровень загрязнения рек. Превышение в поверхностных водах концентрации этих веществ зачастую обусловлено генезисом и природными особенностями территории. Превышение содержания БПК₅ обусловлено антропогенным влиянием и прослеживается на реках, где наблюдается сброс бытовых вод.

Таблица 6. Данные о кратности превышения ПДК по меди и железу и биологическому потреблению кислорода в реках в 2009 и 2010 гг. по данным Вологодского ЦГМС*

	2009			2010
	Fe	Cu	БПК5	Fe	Cu	БПК5
Андога-д.Никольское	7	3.4	-	4.2	3.7	-
Андома-д.Рубцово	8.7	2.5	1.1	7.5	2.9	-
Вага-д.Глуборецкая	4.6	3.7	1	3.3	3.5	1.1
Вологда-до города	2.2	5.1	1.6	1.9	8	1.4
Вологда-после города	1.9	4.3	3.5	2.3	4.4	3.3
Большая Ельма-д.Филютино	2.3	4.8	-	1.4	5.1	1.5
Кошта-Череповец	1.9	5.5	1.9	2	6.6	2
Леденьга-д.Юрманьга	4.2	1.8	1.4	2.2	3.5	1.4
Содема	-	-	2.3	-	-	2.8
Старая Тотьма-д.Демьяновский погост	2.8	3,5	1.2	1.5	2.1	1.2
Тошня-выше города	-	-	1.6	-	-	-
Тошня-водозабор	-	-	1.4	-	-	1.7
Шограш	-	-	3.1	-	-	2.5
Юг-д.Пермас	4.4	2.1	-	3.6	2.9	-
Ягорба-д.Мостовая	2.1	2.3	2.2	1.1	2.3	2
Ягорба-Череповец	2.8	4.2	1.1	2.2	3.6	1.4

*(Доклад о…, 2010—2011)

Корреляционные зависимости между кратностью превышения ПДК по меди, железу, БПК₅ представлены в таблице 7. Кратность превышения ПДК по железу имеет прямую зависимость с долей на участках водосборов малоосвоенных территорий и обратную зависимость с долей сельхозугодий и населенных пунктов. Содержание железа показывает сильную (более 0.7) статистическую зависимость с долей на водосборе малоосвоенных территорий и населенных пунктов в 2009 г. и среднюю — в 2010 г. С долей на участке водосбора населенных пунктов наблюдается низкая статистическая зависимость. Можно говорить о незначительном влиянии наличия населенного пункта на содержание железа в поверхностных водах. Кратность превышения ПДК по меди имеет обратную зависимость с долей на участках водосборов малоосвоенных территорий и прямую зависимость с долей сельхозугодий и населенных пунктов. По значению коэффициентов корреляции как в 2009, так и в 2010 г. можно говорить о средней статистической зависимости содержания меди от представленности на участках водосборов территорий с разной степенью освоенности. Кратность превышения ПДК по БПК₅ также имеет обратную корреляционную зависимость от доли на участках водосборов малоосвоенных территорий и прямую зависимость от доли сельхозугодий и населённых пунктов. По значениям коэффициентов корреляции во всех случаях можно говорить о средней статистической зависимости.

Таблица 7. Значения коэффициентов корреляции кратности превышения ПДК по железу, меди, БПК₅ и участков водосборного бассейна с разным покрытием

Обсуждение

Качество вод водотока зависит от способа хозяйственного использования его водосбора. Для тех рек, где хозяйственная деятельность человека минимальна или практически отсутствует, качество вод выше, чем для рек, водосборы которых освоены в значительной степени. О значительной роли степени освоенности водосбора в формировании качества вод в реках свидетельствуют высокие значения коэффициентов корреляции. Индекс ИЗВ рассчитывается без учета веществ, повышенное содержание которых обусловлено их фоновым содержанием для данной территории. Поэтому ИЗВ показывает зависимость преимущественно от доли населенных пунктов на участках водосборов. Индекс УКИЗВ в равной степени зависит от территорий разной освоенности. Эксплуатируемые сельхозугодия на исследуемой территории в меньшей степени влияют на качество вод, чем малоосвоенные территории и населённые пункты. Такая ситуация может быть вызвана объединением при классификации в сельхозугодия как пашен, оказывающих непосредственное влияние на качество вод в реке путем вымывания удобрений, так и выпасов, менее загрязняющих воды.

Аналогичная зависимость от долей на водосборе малоосвоенных территорий, сельхозугодий и населенных пунктов показана нами и для гидробиологических индексов на других водотоках (Ивичева, Филоненко, 2012). Поскольку для сравнения гидрохимических индексов выбраны реки из разных частей области, то полученные нами данные можно экстраполировать на водосборы других водотоков. Высокие коэффициенты корреляции позволяют говорить о возможности оценки качества вод в водотоках путем анализа освоенности их водосборов методами дистанционного зондирования земной поверхности.

Кратность превышения ПДК по железу зависит от доли на участках водосборов малоосвоенных территорий, что подтверждает природное происхождение данного загрязнения. Не прослеживается влияния населенных пунктов на данный вид загрязнения. Кратность превышения ПДК по меди, в свою очередь, показывает противоположную зависимость от степени освоенности территорий. Данный вид загрязнения показывает прямую корреляцию с долей на участках водосборов населенных пунктов и сельскохозяйственных угодий, что противоречит факту природного происхождения этого загрязнения. Превышение концентрации по БПК₅ имеет обратную зависимость от доли на участках водосборов малоосвоенных территорий и прямую зависимость от доли сельхозугодий и населенных пунктов. Это свидетельствует об антропогенном происхождении загрязнения легко окисляемыми веществами по величине БПК₅.

Заключение

Результаты, полученные при анализе снимков земной поверхности, хорошо согласуются с данными исследований инструментальными методами оценки состояния поверхностных вод. Так качество поверхностных вод зависит от доли на водосборе малоосвоенных территорий, сельхозугодий населенных пунктов, классифицированных по снимкам Landsat. Оба индекса (ИЗВ и УКИЗВ) показали прямую зависимость от доли на водосборе освоенных территорий и обратную от доли малоосвоенных, определённых таким же способом. Индекс УКИЗВ демонстрирует большую корреляцию, чем ИЗВ. Концентрация железа показывает прямую зависимость от доли малоосвоенных территорий, что вероятно обусловлено фоном содержанием этого вещества на данной территории. Загрязнение поверхностных вод легко окисляемыми веществами по величине БПК₅ прямо зависит от величины освоенности территории в связи с поступлением аллохтонного вещества антропогенного происхождения.

Библиография