Последние конференции
- Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности, образовании и экологии
- Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии
- Современные проблемы экологии
- Экологические проблемы окружающей среды, пути и методы их решения
- Экология, образование и здоровый образ жизни
Оценка факторов экологической опасности в озерной системе большое яровое на основе ГИС-технологий
Д.А. Чупина, В.Д. Страховенко
Институт Геологии и Минералогии им. В.С. Соболева,
г. Новосибирск
В условиях прогрессирующего загрязнения окружающей среды увеличивается роль антропогенной составляющей геохимического фона. В связи с этим приоритеты в природоохранной политике, основанные на учете ПДК и других нормативных воздействий на природу, пересматриваются. В основу государственной экологической политики постепенно закладывается концепция экологического риска. Нормальный экологический риск подразумевает минимизацию воздействия, сохранение экологического равновесия, недопущение снижения жизненного уровня и здоровья населения[1].
Для определения границ зон экологического благополучия, разной степени риска и бедствия, перспективно использование геоинформационных технологий. ГИС позволяют проанализировать результаты мониторинга окружающей среды, используя различные методы пространственного и геостатитстического анализа. Эти методы позволяют выявить новые неочевидные закономерности и зависимости, которые просто невозможно определить, анализируя обычные табличные данные.
Цель проведенной работы – комплексная экологическая оценка современного состояния экосистемы озера Большое Яровое на основе использования ГИС–технологий.
Озеро Большое Яровое расположено в западной части Кулундинской равнины Алтайского края. Это горько–соленое озеро с площадью 53 км2, длиной 11,5 км, максимальной шириной 8 км, глубиной 7–8 м. По гидрохимическим характеристикам относится к самосадочным горько-соленым озерам хлоридно-сульфатно–натриево–магниевого состава солей. Из – за высокой минерализации единственным видом, обитающим в озере, является жаброногий рачок Artemia salina. Почвы представлены солонцами, солончаками. В природно-климатическом отношении площадь водосбора представляет собой сухую дерновинно–злаковую степь с малым (250-300 мм) количеством осадков в год.
Антропогенная нагрузка на экосистему озера складывается из нескольких факторов: сбора диапазирующих яиц рачка Artemia salina в промышленных масштабах, развитие рекреации и туристического бизнеса на озере, но основным фактором антропогенной нагрузки является химический комбинат «Алтайхимпром». С 1944 г. и до 2005 года завод производил стратегические военные и фотоматериалы, моющие и отбеливающие средства, а также оксид ртути.
В озере Большое Яровое, вследствие его бессточности и естественно–географических условий, происходила первичная и вторичная аккумуляция химических элементов, в том числе тяжелых металлов. Экосистемы характеризует та или иная устойчивость (стационарность), зависящая во многом от внешних и внутренних факторов. Устойчивость к воздействию внешних факторов определяется интенсивностью функционирования геосистемы в целом, одним из показателей которой является высокая интенсивность внутреннего метаболизма, в том числе влагооборота и геохимического круговорота веществ. Химические загрязнители нарушают сложившееся экологическое равновесие в природе. Согласно работам Б.Л.Щербова, В.Д. Страховенко, И.Н. Маликовой, на основании многолетних исследований озеро признано антропогенно–изменненым [2].
Экологический мониторинг опирается на классические и современные методы аналитической химии. Современные инструментальные методы аналитической химии позволяют достигать низких пределов обнаружения, обеспечивают высокую чувствительность и избирательность определений. Основой данной работы послужили аналитические геохимические данные, полученные в лаборатории геохимии редких и радиоактивных элементов в Институте геологии и минералогии СО РАН в период с 1993 по 2010 года.
Геохимические данные обработаны с помощью программы STATISTICA 8.0 и ГИС ArcMap 9.3 в сочетании с модулем Geostatistical Analyst. Распределение концентраций химических элементов в геологических объектах рассматривается как распределение случайных величин, и для их обработки используются различные приемы математической статистики. В ходе выполнения геохимических исследований в силу дороговизны метода анализа приходится мириться с нарушением требования массовости (объем выборки n>30). Для экологической оценки состояния озера Большое Яровое использовалась малая выборка, почвы были опробованы в 14 разрезах (каждый разрез усреднен по 6 пробам), донные отложения – 15 (1 разрез усреднен по 10- 25 пробам). По мнению А.А. Михальчук, Е.Г. Язикова, особенностью применения статистических методов для малых выборок является всесторонний анализ характера решаемой задачи, выбор наиболее эффективных статистических методов обработки измерений, а также методов статистических оценок и статистических критериев, менее чувствительных к объему выборки или учитывающих особенность малого объема выборки [3].
Для повышения информативности и наглядности выбран изолинейный способ картографического изображения. Для создания изолиний применялся метод интерполяции IDW (обратно взвешенных расстояний). Метод IDW предполагает, что каждая опорная точка оказывает локальное влияние, которое уменьшается с расстоянием, таким образом, точкам, находящимся в окрестностях искомой присваиваются весовые значения большие, чем удаленным от нее.
При построении карт концентрации разбиваются на классы:
1. Хmin – Xср;
2. Xср – (Xср+ σ);
3. (Xср+ ?) – (Xср+ 2?);
4. (Xср+ 2?) – (Xср+ 3?);
5. (Xср+ 3?) и выше;
Где:
xmin– минимальное значение концентрации элемента;
xср– среднее арифметическое содержание;
? – стандартное отклонение.
В таблице представлены количественные данные содержания химических элементов в донных отложениях озера Большое Яровое и фоновые значения концентраций тяжелых металлов для почв степной зоны Алтайского края. Фоновые концентрации элементов приведены на основании многолетних геохимических исследований, представленных в монографии «Экогеохимия Западной Сибири (тяжелые металлы и радионуклиды)» [4]. Сравнение валового содержания тяжелых металлов в донных отложениях с их фоновыми значениями, показало, что они находятся в пределах флуктуаций фона и не превышают установленных ПДК.
Содержания химических элементов в донных отложениях озера Большое Яровое
|
|
Cr |
Сo |
Ni |
Cu |
Zn |
Sr |
Cd |
Hg |
Pb |
|
Фоновое содержание |
66,6 |
2,5 |
33,3 |
23,3 |
60,7 |
100 |
0,14 |
0,06 |
23,1 |
|
Флуктуации фона |
21,4 – 112 |
0 – 7,8 |
5,6 – 61 |
16,1 – 30,5 |
43,2 – 78,2 |
80,2 – 120 |
0,08 – 0,2 |
0 – 0,13 |
10,4 – 35,8 |
|
Х сред |
49 |
8 |
29 |
13 |
44 |
230 |
0,09 |
0,128 |
13 |
|
Х мин |
20 |
3 |
15 |
9 |
19 |
88 |
0,04 |
0,01 |
9 |
|
Х макс |
249 |
14 |
51 |
28 |
71 |
777 |
0,24 |
1,5 |
29 |
Очевидное преимущество такого способа оценки степени загрязнения заключается в простоте. Однако в настоящее время уровень фоновых концентраций многих элементов в почвах все чаще определяется не столько естественными факторами почвообразования, сколько глобальными процессами их рассеяния в результате хозяйственной деятельности человека. А экстраполяция единых величин ПДК на все территории без учета региональных особенностей представляется несостоятельной. Сравнение с ПДК хоть и позволяет оценить санитарно-гигиеническое благополучие территории, но не дает возможности выявить влияние на нее хозяйственной деятельности.
Донные отложения содержат «исторические записи» прошлых химических условий и позволяют установить фоновые уровни, с которыми могут сравниваться и сопоставляться существующие условия. Нами принят критерий аномальности (Xср+ 2?).
В результате анализа карт распределения тяжелых металлов по поверхности озера и вертикального распределения в донных отложениях, выявлены локальные зоны аномального содержания Sr, Ni, Cr, Zn, Pb, Cd, Hg.
Для Ni, Zn, Sr можно сделать вывод, о том, что донные отложения наследуют уровень их содержания в почвах. Выявлена высокая корреляция Cr, Ni, Co (r>0,9) с такими элементами как Fe, V, Al, Th. Следовательно, появление этих элементов в донных отложениях связано с составом терригенной примеси. Аномалия вызвана природными процессами – химической и механической эрозией почв, абразией карбонатного берега. Это наглядно прослеживается при сопоставлении карт распределения концентрации этих элементов.
Наличие локальных зон аномальных содержаний таких элементов как Cr, Pb, Cd, Hg, скорее всего, обусловлено антропогенным влиянием. Аномалии находятся в зоне сброса сточных вод химкомбината. Для Cr и Cd наблюдается тенденция к увеличению их концентраций в верхних слоях донных отложений (138 г/т и 0,24 г/т соответственно).
Наиболее приоритетным токсикантом для экосистемы озера Большое Яровое считается ртуть. Корреляционный анализ показал, что в почве ртуть связывается с Al, V, K и отрицательно коррелирует со Sr, Ca, Mg. При попадании ртути в озеро, эти связи теряются, т.к. в донных отложениях не наблюдается достоверной корреляции Hg ни с одним элементом, в том числе и с тяжелыми металлами. Согласно литературным данным, процессы биоаккумуляции ртути экосистемой озера в условиях высокой минерализации воды отсутствуют [5]. По результатам анализа карт, сделан вывод о нормализации ртутной обстановки. Локальное пятно ртутного загрязнения находится на глубине 20-30 см.
Вертикальное распределение ртути в донных отложениях озера Большое Яровое
(от о до 30 см)
Применение ГИС позволило рассмотреть экологическую ситуацию на озере Большое Яровое в пространственном и временном аспектах.
Природные аномалии выделяются со стороны южного берега, где на поверхность выходят карбонаты, такая ситуация остается практически стабильной на протяжении долгого времени.
Наличие локальных зон аномальных содержаний в области сброса сточных вод химкомбината, резонно предположить, обусловлено антропогенным влиянием. При этом их содержание не остается постоянным, а варьирует по годам.
На данный момент эти элементы закреплены в донных отложениях однако они могут быть ремобилизованы при изменении физико-химических условий в озерной системе (например, pH, Eh, растворенный О2, бактериальная активность). Необходимо продолжать мониторинг состояния экосистемы озера Большое Яровое, а геоинформационные системы являются прекрасным инструментом для каталогизации, обобщения получаемых данных и составления прогнозов.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 09-05-00137.
Список литературы
1. Абалаков А.Д. Научно-методические основы экологического риска //Экологический риск. Материалы Второй Всероссийской конференции. Иркутск: Институт географии СО РАН, 2001.С. 3-6.
2. Щербов Б.Л., Страховенко В.Д., Маликова И.Н. Природный и антропогенный источники элементного состава донных отложений в водоемах Алтайского края// Геология и геофизика, 2003, Т 44, № 10. С. 1024-1035.
3. А.А. Михальчук, Е.Г. Язиков. Особенности применения статистического анализа при обработке материалов геоэкологических исследований в случае малых выборок//Вестник ТГУ. Проблемы геологии и географии Сибири. 2003. С. 182–184.
4. Росляков Н.А., Ковалев В.П., Сухоруков Ф.В. и др. Экогеохимия Западной Сибири (тяжелые металлы и радионуклиды). Новосибирск., Изд–во СО РАН, НИЦ ОИГГМ СО РАН, 1996, 248 с.
5. Леонова Г.А. Оценка современного экологического состояния озер Алтайского края по биогеохимическим критериям. Электронный журнал «Исследовано в России» http://zhurnal.ape.relarn.ruarticles/2005/091.pdf