Дніпропетровський національний університет

Гриб Йосип Васильович

УДК 574.5 (477)

Екологічна оцінка стану екосистем річкових басейнів рівнинної частини території України (охорона, відновлення, управління)

Спеціальність 03.00.16 – екологія

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня

доктора біологічних наук

Дніпропетровськ – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті гідробіології Національної Академії Наук України

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, доцент

ГРИЦАН ЮРІЙ ІВАНОВИЧ,

Дніпропетровський національний університет, професор

доктор біологічних наук, старший науковий співробітник

Мороз Павло Антонович,

Національний ботанічний сад ім. М. М. Гришка НАН

України, заступник директора з наукової роботи

доктор біологічних наук, професор

СИНЕЛЬЩИКОВ РОСТИСЛАВ ГЕОРГІЙОВИЧ,

Донецька державна академія управління, завідувач

кафедри екологічного менеджменту

Провідна установа: Київський національний університет ім. Тараса Шевченка

Захист відбудеться “ 10 “ квітня 2002 о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.051.04 на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук у Дніпропетровському національному університеті за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, вулиця Наукова, 13, університет, біолого-екологічний факультет, корп.17, ауд.611.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Дніпропетровського національного університету за адресою: 49050, м. Дніпрпетровськ, вул. Наукова, 13.

Автореферат розісланий “ 26 ” лютого 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат біологічних наук А.О. Дубина

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. На сьогодні розвиток народногосподарського комплексу розглядається на базі адміністративного поділу чи фізико-географічного районування. В той же час річкова мережа, несучи на собі весь тягар знешкодження відходів виробництва та буферизації наслідків антропогенної трансформації поверхні водозбору, розглядалась лише із споживчих вимог, без належної оцінки допустимих меж антропогенного впливу на біоту. З метою запобігання деградації екосистем річкової мережі та попередження виникнення кризових явищ здобувач з 1990 р. почав розробляти концепцію кількісної оцінки факторів, що діють у басейнах річок на водне середовище – природних, антропотехногенних та факторів управління. На базі вказаних фундаментальних розробок вперше була випущена карта екологічного стану поверхневих вод України (1996).

Для цього необхідна була формалізація чисельних характеристик та виділення основних блоків функціонування генералізованих річкових макроекосистем: біоценозів поверхні водозбору та водного середовища, морфометричних характеристик русла і межових екотонів, а також опрацювання інтегральних індексів екологічної якості води.

Виконана робота вкрай необхідна для держави, оскільки дає можливість: а) вести комплексну екологічну оцінку території України за станом річкових басейнів та приймати оперативні рішення з виправлення ситуації; б) визначати лімітуючі чинники впливу на формування якості річкових вод за фізико-географічними районами та басейнами річок; в) визначати еталонні характеристики непорушених річкових басейнів як базових при відновленні порушених річкових макроекосистем; г) вийти на новий рівень заповідання території України за басейновим принципом.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота тісно пов’язана з програмною тематикою науково-дослідних робіт, що виконувались у Інституті гідробіології НАН України протягом 1987-2000 рр., зокрема: тема № 50 “Вивчити шляхи міграції та накопичення радіонуклідів в річковій мережі Дніпровського басейну після аварії на ЧАЕС “(особисто – розробка карт гідроекологічної ситуації та розрахунок винесення маси радіонуклідів притоками у басейн р. Дніпро у весняний період 1988 р.); тема № 4 “Вивчити санітарно-біологічний режим річок басейну Дніпра, розробити рекомендації по їх захисту, раціональному використанню і відновленню водності” (розроблені основні положення комплексної екологічної оцінки стану антропотехногенної трансформації басейнів річок та екологічної оцінки якості поверхневих вод); тема № 60 “Розробка наукових основ і принципів раціонального природокористування в басейні р. Десна і шляхи її охорони” (особисто – вивчений гідроекологічний режим, розроблена концепція та основні положення заповідання Деснянського еколого-гідрологічного басейну); тема № 73 “Опрацювання гідроекологічних основ управління станом екосистем та якістю води великих річок України на ділянках впливу гідротехнічних об’єктів” (розроблені основні положення функціонування річково-озерного комплексу в умовах зарегулювання); тема № 75 “Розробити концептуальні положення теорії функціонування і управління гідробіологічним станом річкових екосистем” (особисто – розроблена класифікація річок за формою русла і швидкістю потоку, вивчений гідроекологічний режим малих річок урбанізованих територій, визначені лімітуючі чинники впливу на якість поверхневих вод та управління їх станом, розроблена карта екологічної ситуації у басейнах річок м. Києва). Державні реєстраційні номери тем: 0194V023255, 01860047175, 01880025068, 0198V003583, 0198V003587.

Виконана робота базувалась на матеріалах екологічної паспортизації малих річок України, що велась протягом 1990-1998 рр. Згідно з розпорядженням Ради Міністрів України № 658-р від 18.12.1987 року (керівник теми).

Мета роботи: опрацювання та апробація методології комплексної інтегральної оцінки екологічного стану екосистем порушених басейнів річок та озер, визначення лімітуючих чинників впливу на формування екологічної ситуації, розробка концепції відновлення екологічної рівноваги та оптимізація природокористування.

Завдання досліджень включали: розробку методології визначення інтегральної екологічної оцінки стану біогеоценозів (рівня їх антропогенної трансформації); методики визначення впливу просторово-часових змін русла і заплави на формування якості поверхневих вод (річок та озер); методики визначення якості води (за продукцією первинної органічної речовини мікроводоростями); типізації сукцесій біоценозів за профілем річок в антропогенно трансформованих басейнах та викликаних при цьому локально-кризових ситуацій (ЛКС); апробацію розроблених методик на досліджуваних басейнах; розробку основ гідроекологічного картографування; алгоритм для узагальнення даних комплексного моніторингу екологічного стану річкових басейнів та отримання інтегральних індексних оцінок; визначення лімітуючих чинників впливу на формування екологічної ситуації у басейнах річок та озер та визначення їх еталонних характеристик.

Наукова новизна і теоретичне значення роботи. Вперше запропонована методологія комплексного дослідження екологічного стану макроекосистем річкових басейнів, яка базується на вивченні трьох блоків: просторово-часових змін русла та заплави, стану антропотехногенно трансформованих ценозів поверхні водозбору та формування якості поверхневих вод.

Вперше розроблена концепція екологічно обгрунтованих витрат води у створах спостережень як лімітуючого фактору збереження і відтворення біоценозів водного середовища і заплави, впроваджений коефіцієнт розвитку екотонів. Розроблена формула для визначення просторово-часових змін русла і заплави, а також класифікація екологічної якості води за продукцією первинної органічної речовини мікроводоростями (у залежності від маси енергетичних домішок, що надходять з поверхні водозбору). Також вперше проведено комплекс досліджень з визначення стану суходільних біогеоценозів у басейнах річок і озер рівнинної частини території України, визначення лімітуючих факторів антропотехногенного впливу на них та напрямків оздоровлення річкової мережі.

Запропоновано вперше такі блокові елементи управління генералізованими річковими екосистемами, як локальна рибовідтворююча ділянка (ЛРД) та розроблено концепцію заповідання еталонних басейнів річок та озер (на базі збережених у природному стані ділянок русел рр. Горинь, Стир, Десна та приток першого порядку, озер межиріччя Західного Бугу та Прип’яті).

Розроблена і апробована класифікація сукцесій гідробіоценозів річкової мережі, що формуються під впливом абіотичних (антропотехногенних) чинників за профілем річки.

Розроблена концепція управління станом річкових макроекосистем та визначено умови формування біоценозів на штучному субстраті в системах біологічного доочищення стічних вод цукрових заводів та тваринницьких комплексів як біотехнічної складової системи управління.

Практичне значення одержаних результатів. Дисертація має науково-прикладне значення, виконана у світлі сучасних вимог Європейської економічної комісії щодо охорони водних ресурсів і екосистем, характеризується комплексністю підходів щодо оцінки стану річкових басейнів і використана: при розробці “Методики картографування екологічного стану поверхневих вод України за якістю води“ (1998); “Методики екологічної оцінки якості поверхневих вод за відповідними категоріями“ (1998); карти “Екологічна оцінка якості поверхневих вод України” (1996); навчального курсу та посібника для студентів вузів екологічного профілю “Відновна гідроекологія порушених річкових та озерних систем”, т.1 (теоретична частина), т.2 (лабораторний практикум) (1993-1999); “Методики визначення екологічних витрат води у річковій мережі України” (1996); “Методики екологічного обгрунтування добування сапропелів з озер України” (1993); при виготовленні технічної документації з реконструкції систем доочищення стічних вод Калитянського свинокомплексу та розробці систем доочищення стічних вод міст Умані, Кіровограду (1991-1992); при підготовці методичних вказівок для виконання лабораторних робіт студентами вузів екологічного профілю з курсів “Основи екології” та “Нормування антропотехногенного навантаження на водні екосистеми” (1999); при розробці “Експрес-методу комплексної екологічної оцінки стану генералізованих річкових екосистем та визначення напрямів оздоровлення річкових басейнів” (2001).

Робота може бути використана: а) для уніфікації методики екологічної оцінки стану річкових басейнів та озер у складі GIF програми (на Європейському рівні); б) для створення системи екологічного моніторингу та комп’ютерної обробки даних спостережень за поверхневими водами; в) для створення нової категорії заповідності (еталонних річкових басейнів та локальних рибовідтворюючих ділянок (ЛРД), формування заповідної мережі за басейновим принципом; г) для ефективного управління формуванням якості поверхневих вод і відновлення порушених річкових макроекосистем.

Багатофакторний комплексний аналіз стану макроекосистем річкових басейнів (36 показників якості поверхневих вод, 12 показників стану ценозів поверхні водозбору, 10 показників просторово-часової трансформації русла і заплави) дозволяє знайти оптимальні варіанти оздоровлення довкілля та вийти на принципи сталого розвитку народного господарства.

Наукова цінність роботи. Виконана робота є фундаментальним дослідженням закономірностей функціювання макроекосистем річкових басейнів в умовах сучасного антропотехногенного навантаження.

Одержані в дисертаційній роботі результати дають змогу: провести кількісну комплексну оцінку факторів формування якісного стану екосистем басейнів річок та озер території України, визначити лімітуючі джерела і фактори впливу на якість поверхневих вод, необхідних для картографування стану річкової мережі; оптимізувати природокористування у басейнах річок та озер; визначити межі допустимого антропотехногенного навантаження на них та підвищити ефективність доочищення стічних вод.

В процесі виконання дисертаційної роботи розроблено концепцію генералізованої річкової макроекосистеми як одиниці просторових екологічних досліджень. Впроваджені комплексні індекси стану трансформованих ценозів поверхні водозбору, русла і заплави, якості поверхневих вод. Розроблено концепцію гідроекологічної валентності басейну як показника буферної ємності суходольних та водних ценозів за масою синтезованої органічної речовини щодо домішок. Весь комплекс наукових досліджень є складовою частиною нової науки – созології поверхневих вод або екологічного басейнознавства.

Впровадження результатів досліджень. 1. Українська академія водного господарства (Рівненський державний технічний університет). Розробка курсу та видання навчального посібника для студентів вузів екологічного профілю “Відновна гідроекологія порушених річкових та озерних систем”, складання посібника та лабораторного практикуму. Розробка рекомендацій з екологічно безпечних технологій добування сапропелю з старіючих озер. 2. Український науково-дослідний інститут водно-екологічних проблем. Розробка концепції екологічних витрат води у створах спостережень та методики гідроекологічного картографування. 3. Інститут географії НАН України. Розробка методики екологічного картографування та карти сучасного стану поверхневих вод України. 4. Інститут Укрводпроект. Проект реконструкції системи очисних споруд Калитянського свинокомплексу та доочищення стічних вод мм. Умані, Кіровограду, Першотравненська. 5. Інститут рибництва. Екологічна оптимізація природокористування і товарного рибництва в басейні р. Золота Липа. 6. Інститут землеробства Української аграрної академії наук. Оптимізація землекористування у басейнах річок Бобриці і Сквири. 7. Міністерство екології та природних ресурсів України. Розробка основ гідроекологічного картографування, вивчення питань іхтіологічної меліорації евтрофованих озер басейну р. Прип’ять та розробка методологічних основ підготовки студентів вищих навчальних закладів екологічного профілю. Впровадження підтверджені відповідними актами та довідками. Крім того, методологічні розробки пошукувача та отримані результати використані Австрійським інститутом Східної та Північно-Східної Європи при випуску атласу “Сучасні карти екологічної, демографічної та господарської ситуації. 2000"

Особистий внесок здобувача. Концепція та методологія комплексної оцінки екологічного стану басейнів річок та озер розроблена здобувачем особисто. Матеріали, викладені в дисертації, отримані при виконанні науково-дослідних робіт на річковій мережі України протягом 1968-2001 рр. Пріоритетність наукових розробок здобувача підтверджена анотованою монографією (1991), 74 публікаціями та участю у Республіканській виставці народного господарства (карта екологічної ситуації на території України, відзначена золотою медаллю, 1991).

Апробація роботи. Основні положення дисертації доповідались на 28 симпозіумах та наукових конференціях. Серед них необхідно відзначити: II всесоюзну конференцію з екологічних проблем Чорного і Азовського морів (м. Ростов-на-Дону, 1978); республіканську конференцію “Самоочищення, біопродуктивність і охорона водойм і водотоків України” (м. Київ, 1975); республіканську конференцію з екологічних проблем меліорації (м. Житомир, 1983); 26-та та 29-та гідрохімічні наради (м. Ростов-на-Дону, 1985 та 1987); V всесоюзну конференцію з водної токсикології (м. Одеса, 1988); республіканський семінар ВХТ ім. Менделеєва “Регіональні екологічні проблеми і шляхи їх вирішення” (м. Черкаси, 1990; м. Тула, 1990); всесоюзна конференція “Методологія екологічного нормування ” (м. Харків, 1990); VI всесоюзний з’їзд Гідробіологічного товариства (м. Мурманськ, 1991); другу Всесоюзну конференцію з питань водної токсикології (м. Санкт–Петербург, 1991); II міжнародну конференцію з питань екології фермерського господарства (м. Львів, 1992); міжрегіональну наукову конференцію “Проблеми екологічної оптимізації землекористування і водогосподарського будівництва в басейні ріки Дніпро”(м. Київ, 1992); науково-технічну конференцію “Грунтово-екологічні проблеми адаптивної інтенсифікації зрошувального землеробства” (м. Рівне, 1992); III науково-практичну конференцію Української державної академії водного господарства (м. Рівне,1997); I і II з’їзди Гідроекологічного товариства України (м. Київ, 1993, 1998); Міжнародний лімнологічний симпозіум (Румунія-Байа, 1996); міжнародні читання “Українське Полісся: вчора, сьогодні, завтра”, семінар прсвячений 140-річчю з дня народження А.П.Тутковського (м. Луцьк, 1998); науково-практичний семінар з апробації методики екологічної оцінки стану поверхневих вод (за програмою Україно-Канадської співпраці у басейні р. Дніпро, м. Київ, 1998); міжнародну конференцію з проблем заповідання“ Фальцфейнівські читання, 1999” (м. Херсон); міжнародний семінар “Екологічні та соціально-екологічні аспекти катастрофічних стихійних явищ” (м. Ужгород, 1999); Y Міжнародну науково-практичну конференцію “Вода, проблеми і рішення” (Дніпропетровск,1999); 61-у науково-практичну конференцію, присвячену 70-річчю УДАБА (Київ, 2000); IY Міжнародний конгрес “Вода: екологія та технології” (Москва: Екватек, 2000); III з’їзд Гідроекологічного товариства України (м. Тернопіль, 2001); міжнародна конференція “Екологія кризових регіонів” (Дніпропетровськ, 2001).

Публікації. За темою дисертації опубліковано в наукових журналах і збірниках 74 роботи, в тому числі 2 монографічні (у співавторстві), 4 монографії задепоновано (з них 3 – у співавторстві), 20 наукових статей, видано 9 методичних рекомендацій (у співавторстві), отримано два авторських свідоцтва. Навчальний посібник “Відновна гідроекологія порушених річкових та озерних систем” (у двох томах) містить основні положення дисертації здобувача (том 1 – теоретична частина; том 2 – лабораторний практикум).

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 13 розділів, висновків, списку літератури та 11 додатків. Робота викладена на 270 сторінках машинописного тексту, проілюстрована 87 таблицями та 57 рисунками. Список літератури налічує 430 найменувань. Загальний обсяг рукопису складає 410 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ

ЕКОЛОГІЧНІ УМОВИ ФОРМУВАННЯ РІЧКОВОГО СТОКУ

Сьогодні річкова мережа значно ослаблена, а наслідки екологічно необгрунтованої господарської діяльності у її басейнах досить відчутні. Серед них можна назвати: а) перекриття вільного сполучення більшості озер з руслами річок, вилучення озер з репродукційної системи річкових басейнів (всеЗахідно-Бузько-Прип’ятське поозер’я); б) осушення перезволожених територій та боліт, подекуди цілих басейнів річок та озер, що сприяло зниженню рівня грунтових вод та дзеркала води, а місцями привело до зникнення озер; в) забруднення водного середовища не досить очищеними стічними водами, поверхнево-схиловим стоком з урбанізованих територій та сільськогосподарських угідь, зниження самоочисної здатності річок; г) заповідання басейнів річок та озер без врахування функціонування екосистеми “річка-озеро”; д) екологічно необгрунтована антропотехногенна трансформація ценозів поверхні водозбору річок та озер, їх переосвоєння (зниження біопродуктивності та видової різноманітності); е) каналізування русел.

Вивченість біогеоценотичних умов формування поверхневого стоку. Природно-аквальні комплекси (ПАК) річок та озер.

Питома вага розораності територій, механічний склад грунтів, вміст в них їх органо-мінерального комплексу, характер і культура обробки, інтенсивність внесення добрив, фільтраційні характеристики разом з нахилом місцевості є основою біопродуктивності агроценозів та формування домішок у поверхневому стоці (А.Л. Бельгард, А.П. Травлеєв, 1977, 2001; В.В. Заїка, Т.Ф. Моргун, Н.П. Шикула,1984). Найбільші маси природних домішок формуються у поверхневому та грунтовому стоці Полісся від деструкції осушених торф'яників (Й.В. Гриб, 1983,1987). Ценози русла та заплава активно впливають на життя річки, її біопродукційну і самоочисну здатність (В.В. Докучаєв,1886; В.Р. Вільямс, 1948; В.В. Поліщук, 1984; Л.М. Зімбалевська,1988).

Хімічний склад та екологічна якість поверхневих вод є похідними від фізико-географічних умов та літології підстилаючих порід (екотопу), внутріводних біологічних продукційно-деструкційних процесів, а також структури стану та рівня використання (трансформації) біогеоценозів поверхні водозбору (Г.Д. Коненко, О.А. Альокін, 1970; О.І. Мережко, 1985, В.Д. Закревський, 1988; Ю.Р. Шеляг-Сосонко,1987; М.А. Голубець, 2000). Саме водне середовище є біокосним тілом, зв’язаним з неживою та живою речовиною (Р. Ріклефс, 1976; А.П. Травлеєв,1977; В.Д. Романенко, О.П. Оксіюк, 1982; Л.А. Сіренко, 1978; Ю. Одум, 1986; Т.А. Харченко , 1998 та інші). Однак у порівнянні з іншими біокосними системами воно характерне суттєвими відмінностями: а) як рідкий мінерал вода має інформаційну пам’ять; б) у воді відбувається синтез первинної органічної речовини мікроводоростями та формується при цьому її екологічна якість; в) у воді вперше на планеті зародилось життя, а її фізико-хімічні властивості забезпечують збереження його у біосфері, вона формує поверхневий (річковий), підземний та грунтовий стік енергетичних домішок, літологобіотичні умови (визначає якість, швидкість добігання та склад енергетичних домішок поверхневого стоку); г) вода є середовищем, що об’єднує суходільні та водні біоценози басейну річки чи озера у єдину макроекосистему, стан якої можна оцінити та керувати довкіллям через нормування антропотехногенних навантажень, оптимізацію структури суходільних геобіоценозів на поверхні водозбору та забезпечення їх максимальної біопродуктивності.

Підтвердженням доцільності басейнового підходу до вивчення стану річкових та озерних макроекосистем є розвиток вчення про долинно-річкові ландшафти, аквально-річкові та аквально-озерні комплекси (П.Г. Шишченко, Г.І. Швебс, Т.Д. Васютинська, М.Д. Гродзінський, 1982, 1986). ДРЛ визначається як богатофакторна флювіально-морфолітодинамічна, каскадна полісинтетична система, створена разом з генетично і функціонально тісно взаємо пов’язаних з нею різновікових та різнорівневих підсистем (руслових, заплавних, надзаплавно-терасних, схилових), об’єднаних в одне стійко- пластичне утворення. При загальності основних характеристик водного басейну річкова макроекосистема володіє більш широким їх спектром, заснованим на динамізмі і циклічності розвитку та поєднанні живої і неживої речовини.

Вивченість гідроекологічного режиму річкової мережі рівнинної частини території України.

Вивчення гідроекологічного режиму річкової мережі нами поділено на етапи: а) вивчення природних фонових значень якості води та визначення її придатності для народного господарства – до 1955 року; типізація водозборів річок України; б) вивчення змін в водних екосистемах під впливом екологічно неадаптованої господарської діяльності (інтенсивне використання пестицидів, освоєння нових територій, осушення та зрошення, індустріалізація) – до 1975 року; в) узагальнення та аналіз отриманих даних, намагання визначити можливість активного впливу на річкові екосистеми та оптимізація умов природокористування у басейнах річок - після 1975 року.

Останні два етапи пройдені із відставанням від темпів господарського розвитку. Крім того, не була своєчасно прийнята концепція єдності басейну та русла річки, запропонована ще в 30-ті роки (В.Д. Глушков, Л.С. Берг). У вивченні умовного природного фону (фонових концентрацій домішок) річкової води слід відмітити дослідження закономірностей формування йонного стоку (Г.Д. Коненко, 1952; А.М. Алмазов, 1962; В.Д. Закревський, В.І. Пелешенко, В.К. Хільчевський, 1970; Й.В. Гриб, 1983; 1988), гідрохімічного режиму в умовах антропогенного забруднення, динаміки проникнення в водне середовище біогенних компонентів і органічної речовини від ценозів поверхні водозбору, оцінки антропогенної складової річкового стоку (Ю.Г. Майстренко, 1965; Й.В. Гриб, 1981; О.М. Ніканоров, 1990 та інші), а також виникнення кризових ситуацій в водних екосистемах.

Антропогенна складова річкового стоку та гострі кризові ситуації в басейнах річок рівнинної частини території України за 1960-2000 рр.

Проникнення у водне середовище річок та озер антропогенних домішок з антропотехногенно трансформованих басейнів перевищує їх проникнення із непорушених територій та значно вище умовного природного фону (Г.Д. Коненко, 1952; В.І. Пелешенко, 1975; Й.В. Гриб, 1983). Виходячи з концепції “якість води – дзеркало ландшафту”, за складом домішок у водному середовищі можна оцінювати вплив господарської діяльності у трансформованих басейнах річок і озер.

У порівнянні з даними 50-60-х років відмічається зростання мінералізації води річок в 1,5-2 рази у період межені, зміна складу головних йонів, що обумовило перехід частини поверхневих вод від гідрокарбонатно-кальцієвих до сульфато-магнієвих та хлоридно-натрієвих. Значно просунулась на північ межа мінералізації річкових вод у період межені (до 1000 мг/л). Змістились межі хлоридних і сульфатних йонів, а також зросли їх абсолютні концентрації, що може говорити про загальну ацидифікацію поверхневих вод. Особливо помітні ці зміни за вмістом у воді сульфатних йонів, що проникають у ріки із стічними водами, продувними водам систем зворотного водопостачання, шахтними водами, викидами в атмосферу від промислових підприємств та котелень (окислів сірки), а також з поверхнево-схиловим стоком із сільськогосподарських угідь. Питання оцінки рівня антропогенізації поверхневих вод можна вирішити, якщо розглядати макроекосистему річки як блокову модель відкритого типу, що складається із ценозів умовно непорушених територій (ліс, луг, болото, пасовище, водне середовище), порушених суходільних територій життєзабезпечення населення (орні та богарні землі, штучні агроекосистеми), центра блокової моделі – гетеротрофної системи промислово-міського типу (урбоценози), системи управління (штучні ценози) та пов’язаної з усіма складовими річкової мережі.

Вимоги Європейської економічної комісії щодо охорони водних ресурсів та екосистем.

У зв’язку з інтеграційними процесами держав Європи, створення єдиного економічного і господарського простору виникає гостра необхідність у проведенні узгодженої екологічної політики щодо збереження довкілля, єдиних підходів і методів оцінок стану та визначення наслідків природокористування (Європейська економічна комісія, 1992). Політика ЄЕК ООН у галузі збереження водних екосистем та якості води полягає у розробці комплексної класифікації якості води, встановлення цільових (еталонних) показників (довгострокових) на основі збалансування чинників антропотехнічного впливу на поверхню водозбору та з урахуванням гідрологічних характеристик.

Об’єкти, завдання та методи досліджень

В даній роботі поставлене завдання аналізу оцінки стану мегаекосистем річкових басейнів в регіонах меліоративного будівництва (бас. річок Льва, Тетерів); змішаного господарського використання (бас. рр. Горинь, Стир та Десна); лісостеповій (бас. річок Удай, Сквира, Бобриця, Ворскла) та степовій зонах (бас. річок Сарата, Когильник); Західно-Бузько-Прип’ятського озерного комплексу. При цьому було поставлене завдання вивчити рівень антропогенної трансформації ценозів поверхні водозбору, русла та оцінити вплив заплави на якість поверхневих вод. Починаючи з 1990 р. детально вивчені 12 басейнів річок, 11 басейнів озер, три агроландшафтних полігони.

Екологічні спостереження велись пошукувачем особисто. Методологія комплексної екологічної оцінки антропогенної трансформації басейнів річок та озер розроблена здобувачем.

Завдання та загальні принципи гідроекологічних досліджень. Просторова схема визначення стану прісноводних екосистем. Завдання моніторингу порушених басейнів річок сьогодні полягають: а) у комплексності підходів до об’єктів досліджень; б) наявності еталонів порівняння складу ценозів річкових басейнів річок та озер, не порушених господарською діяльністю; в) розробці методологічних підходів до моніторингу басейнів річок та озер, виробленні системи інтегральних оцінок стану ценозів поверхні водозбору, русла річки, озерної котловини та безпосередньо якості поверхневих вод; г) виявленні змін гідроекологічної ситуації, а також визначенні лімітуючих факторів впливу на їх виникнення (природних і антропотехногенних); д) виявленні дольового впливу кожного із факторів на формування кризових ситуацій у басейнах річок та з метою здешевлення відновлювальних робіт; е) обгрунтуванні рівнів оптимізації водоспоживання та природокористування у басейнах річок та озер, тобто формування основ політики сталого розвитку; ж) у можливості оперативного управління станом порушених господарською діяльністю басейнів річок та озер.

Розроблені нами загальні принципи просторових гідроекологічних досліджень полягали у наступному: а) річковий басейн виступає як найменша одиниця вивчення просторових антропотехногенних та природних змін; б) якість поверхневих вод виступає як визначник екологічного стану річкового басейну та рівня прийнятих компенсаційних рішень; в) еталонні екологічні характеристики якості поверхневих вод (екологічний норматив) визначають оцінку природних умов розвитку басейну, а рівень перевищення – загрозу виникнення кризових ситуацій; г) факторний аналіз складових впливу на водні екосистеми дає можливість вести оцінку джерел забруднення природного та антропотехногенного походження та розробити заходи техногенно-екологічної безпеки у басейнах водних об’єктів.

При вивченні стану суходільних і водних біоценозів враховувались структурно-функціональні особливості їх розвитку у часі і просторі: а) на рівні консорцій – вищі водні рослини як індикатори екологічного стану та як такі, що впливають на формування газового режиму та є субстратом для перифітону; на рівні парцелл – при вивченні екосистем верхів’я водосховищ і формування біоплато; б) на рівні гідробіоценозів та сукцесій, що формуються за профілем річок під впливом абіотичних факторів.

З екологічних позицій річковий басейн вивчався за трьома блоками характеристик: стану антропотехногенної трансформації ценозів поверхні водозбору (за індексом Ке ) , русла та заплави (за індексом S1) та екологічною якістю води (за індексом Ie).

Просторові гідроекологічні дослідження. Розглядаючи генералізовану річкову макроекосистему як найменшу одиницю гідроекологічних досліджень ми вивчали структурно-функціональні особливості будови та антропотехногенної трансформації ценозів поверхні водозбору, їх біопродукційні характеристики і вплив на формування якості води.

Дослідження складу поверхневих і грунтових вод. Дослідження складу поверхневих вод велись за апробованими методиками, прийнятими у гідрохімії (Руководство по анализу поверхностных вод суши (под ред. А.Д. Семенова,1977); Унифицированные методы анализа вод (под ред. Ю.Ю. Лурьє,1973); Унифицированные методы исследования качества вод, 1977). Оцінку якості аналізу вели за рекомендаціями Міжнародного союзу чистої та прикладної хімії (ІЮПАК).

Методи гідробіологічних досліджень ценозів річкового континууму. Гідробіологічні дослідження велись згідно з вимогами “Руководства по методам гидробиологического анализа поверхностних вод и донных отложений” (під ред. В.А. Абакумова, 1983), а також методичними вказівками з дослідження біоценозів внутрішніх водойм. Видовий склад та накопичення фітомаси вищих водних рослин вивчали з врахуванням методики фітоценотичних досліджень, рекомендованих Б.Д. Міркіним (1978; 1985).

Методи токсикологічні досліджень. Визначення вмісту біоцидів вели згідно з апробованими методиками. Серед ксенобіотиків досліджувався: а) вміст хлорорганічних пестицидів (ДДТ, ГХЦГ, ПХП), хоча за останні роки інтенсивність їх застосування у сільському господарстві зменшилась, однак актуальність забруднення метаболітами залишається (транспортно-мийні води цукрозаводів, місця захоронень); б) сапонін, глікозид рослинного походження; в) важкі метали – Zn, Cu, Cr, Ni, Co, Mn, Fe, Pb, Sn як складова частина викидів в атмосферу від локалізованих джерел забруднення, а також стічних вод промислових виробництв.

Статистичну обробку проводили шляхом визначення двійних та множинних кореляційних зв’язків. Крім вищезгаданого, для вирішення поставлених завдань здобувачем розроблені і апробовані ряд нових методик, необхідних в комплексних екологічних дослідженнях: а) методика комплексної екологічної оцінки стану біогеоценозів та антропотехногенної трансформації поверхні водозбору водного об’єкта з отриманням інтегрального показника “Ке”; б) методика комплексної екологічної оцінки якості поверхневих вод з отриманням загального інтегрального індексу якості води “Іе”; в) методика комплексної оцінки трансформації русла та заплави з отриманням інтегрального індексу “S1”; г) методика розрахунку пріоритетних джерел забруднень водних об’єктів та прийняття першочергових заходів щодо відновлення екологічної рівноваги у річкових системах; д) методика заповідання еталонних басейнів річок та озер; е) методологія визначення буферної та екологічної ємності водних басейнів; ж) вихідні принципи моніторингу поверхневих вод; з) варіант класифікації екологічної якості поверхневих вод за рівнем продукції первинної органічної речовини мікроводоростями.

Враховуючи значну кількість параметрів, нами, частково для комплексної оцінки стану суходільних та водних ценозів, використані опубліковані в науковій літературі матеріали, зокрема праці вчених Інституту лісового господарства та Інституту землеробства НАН України (Л.Г. Міхович,1986; О.Г. Тарарико,1992; М.К. Шикула, М.Ф. Моргун, 1988).

МЕТОДОЛОГІЯ ГІДРОЕКОЛОГІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА

КОНЦЕПТУАЛЬНІ ПІДХОДИ

Генералізована річкова екосистема як об’єкт екологічних досліджень. Нами введене поняття “генералізована річкова екосистема – ГРЕМ” (1992), яка поєднує в собі більш мілкі екосистеми поверхні водозбору та водного середовища і являє собою біокосну єдність, в якій екологічна якість води виступає як функція стану басейну. Вона формалізована наступним чином: ГРЕМ – відкрита відновлювальна просторова біокосна річкова макроекосистема ценозів поверхні водозбору та водного середовища, поєднана між собою фізико-географічними умовами розташування басейнів, характером підстилаючих порід (косна речовина), пов’язаних між собою циклічністю процесів обміну речовиною та енергією, біопродуктивністю і видовим різноманіттям. Розуміння цього є необхідним, адже інакше не можна знайти виходу у вирішенні багатофункціональних проблем аналізу та оздоровлення порушених річкових басейнів. За профілем річок під впливом абіотичних факторів формуються сукцесії ГБЦ не адекватні природним, які змінюються у часі і просторі, класифікація яких дає змогу формалізації гідроекологічної ситуації у їх басейнах (табл.1).

Таблиця 1

Типізація сукцесій ГБЦ (абіогенного походження) за профілем річок

Тип сукцесій ГБЦ | Прояви, причини, ознаки

I.Незворотні природного походження

1.Сингенетичні: (екологічний оптимум)

2.Ендогенні (ендофічні)

3.Філогенетичні:

а) фітофілоценотичні

б) зоофілоценотичні |

Досягнення концентрацій С:N:Р (атомно-вагове співвідношення 106:16:1), що забезпечує оптимальні стартові умови розвитку гідробіоценозів та фотосинтезу первинної органічної речовини мікроводоростями)

Евтрофікація за рахунок накопичення донних відкладів, явища стагнації і “цвітіння” води, старіння екосистеми та кризові явища

Масовий (переважаючий) розвиток одного виду ценозу або груп вищих водних рослин, найбільш пристосованих до змінених умов середовища (рясок, елодеї канадської, гіацинту водяного, рогозу, очерету) при заболочуванні, тощо

Проникнення фауни інших акваторій чи басейнів; розселення і розвиток одного із видів риб (колючки при забрудненні; сукупності “карась-щука” у дистрофних водоймах; амура білого та товстолоба у зарослих та евтрофованих водоймах тощо)

ІІ. Екзогенні (зворотні і незворотні)

Гологенетичні (незворотні):

а) кліматичні

б) геоморфічні

в) селективні:

фітореогенні

зоореогенні |

Заболочування басейну, пересихання русел

Руслова трансформація, гідромеліоративне та гідротехнічне будівництво, підняття та пониження рівня дзеркала води при спрацюванні водосховищ, геологічних процесах (карстові явища)

Заростання ряскою або нитчатими водоростями меліоративних каналів, створення руслових біоплато для очищення води, аквакультура водоростей.

Інтродукція риб-меліорантів для боротьби з водною рислинністю, створення умов для вимирання аборигенної іхтіофауни та вирорщування товарної риби.

ІІІ. 1. Локальні (зворотні і незворотні) антропогенні

1.Катастрофічні (ЛКС):

а) антропотехногенні

б) зоогенні

в) токсикогенні

г) радіаційногенні

д) термальні |

Забруднення річок стічними водами нижче урбанізованих територій, літні та зимові задухи риб, малі річки в районі осушувальних та зрошувальних меліорацій

Ліквідація екологічних ніш (спрямлення русел, каналізування,

розчищення, замулення, порушення кормової бази, місць нагулу, шляхів міграції, зимівлі риб та якості води)

Разове або тривале скидання забруднених побутових стічних та промислових вод, що містять ксенобіотики (хлорфеноли, сапоніни, пестициди, мінеральні добрива, важкі метали), або розсіювання через атмосферні опади; створення абіотичних умов у водному середовищі (закислення, сірководневі зони).

Порушення кормової бази внаслідок забруднення радіонуклідами; формування нової сукупності ценозів, стійких до радіаційного впливу; мутації на рівні хромосом

Теплові забруднення в місцях скидання термальних вод ТЕЦ, АЕС; нижче гребель з придонними випусками; в місцях скидання термальних вод цукрозаводів ( стічних вод першої категорії).

ІІІ. 2. Локальні катастрофічні природного походження.

Аерогенні кисневі:

а) літні

б) зимові

ІІІ. 3.Фітоценотичні сірководневі

ІІІ.4. Кліматичні ЛКС (селево-зсувні) |

Внаслідок дефіциту розчиненого кисню у ранкові часи при явищах стагнації та евтрофікації (заростання водного дзеркала макрофітами)

Внаслідок порушення умов реаерації при встановленні стійкого льодового покриву та живлення річок із глибоких горизонтів боліт на осушених територіях

Внаслідок розкладу фітомаси макрофітів та створення сірководневих зон, що губить ікру та молодь риб

Попадання у русло селевих потоків, зсувів, перекриття русел, промерзання водної товщі

ІY. Рибовідновні реліктові (ЛРС) або

компенсаційні рибовідновлювальні на збережених ділянках русел |

Відновлені або збережені у природному стані ділянки русел із гирлами еталонних приток першого порядку, заплавними луками і протічними озерами, де забезпечується висока якість води, кормова база, умови нересту риби та скочування малька

Типізація сукцесій ГБЦ апробована при інтегральній оцінці стану мегаекосистем досліджуваних басейнів річок, а їх динаміка у значній мірі залежить від характера антропотехногенного впливу за профілем русла.

Екологічна оцінка джерел забруднень. Розрахунки питомої ваги домішок, що виносяться з територій суходільних природних та антропотехногенних змінених ценозів у річкову мережу, показали, що переважаючим джерелом забруднення за локалізованим внесенням біогенних сполук були стічні та зливові води з урбанізованих територій. Сільськогосподарський поверхнево-схиловий стік займав друге місце, хоча за токсичними домішками був рівний впливу житлово-промислових агломерацій (табл.2, рис.1). Питома вага домішок у кожному басейні мала свої особливості в залежності від антропотехногенного впливу, фізико-географічних умов та складу грунтів.

Таблиця 2

Питома вага домішок, що виносяться з ценозів суходолу у водне середовище України.

Складові стоку | Питома вага домішок | Усереднені значення,

5

Азот мінеральний, 1 | Фосфор,

2 | Вуглець органічний, 3 | Токсиканти, 4

Стічні води | 0,81 | 0,47 | 0,50 | 0,07 | 0,466

Поверхнево-схиловий стік з непорушених територій |

0,007 |

0,01 |

0,04 |

0,10 |

0,028

Те ж з сільськогосподарських угідь |

0,118 |

0,480 |

0,22 |

0,38 |

0,300

Те ж з урбанізованих територій |

0,065 |

0,04 |

0,24 |

0,185 |

0,216

Інтенсивність винесення домішок із сільськогосподарських угідь, залежить у значній мірі від наявності елементарних буферних зон при формуванні поверхневого і грунтового стоку (табл.3).

Каналізування р. Льва (Західне Полісся) сприяло винесенню біогенних домішок і мілкозернистих промитих пісків у гирло. В той же час наявність руслових водосховищ у середніій течії р.Тетерів (Житомирське Полісся) сприяло зменшенню винесення домішок з = 0,501 до = 0,184. Руслово-заплавне біоплато разом із гасінням швидкості потоку і депонуванням твердого стоку сприяло очищенню поверхневого стоку на третину (струмок Лишня, бас. р. Стир, Лісостеп).

При безвідвальному обробітку грунтів (бас. р. Ворскла) зменшується маса твердого стоку, органічного вуглецю та азоту. При контурно-меліоративній системі землеробства маса твердого стоку та винесення біогенних домішок залишається високою.

Рис.1а.Схема впливу енергетичних дотацій на формування біоценозів водного середовища.

Рис. 1, б. Комплексна екологічна оцінка стану макроекосистеми р. Удай. У блоці А – заштрихована частина діаграми – гирло річки, незаштрихована – верхів’я. У блоці Б – заштрихована частина діаграми – антропотехногенне навантаження і “переосвоєння” територій, незаштрихована – природні території та елементи управління.

Таблиця 3

Питома вага винесення домішок біогенних елементів та твердого стоку з агроценозів досліджуваних басейнів.

Особливості розташування басейнів та характер грунтів | Питома вага винесення домішок

органічного вуглецю, с | мінерального фосфору, р | мінерального азоту, N | твердого стоку, т | усереднене значення,

А. Слабопідзолисті пісчані грунти Поліської низовини – осушувальна меліорація (каналізування русла)

бас. р. Льва 0,789 0,776 0,336 0,114 0,501

бас. р. Тетерів 0,048 0,256 0,173 0,332 0,184

Б. Лісостеп. Чорноземні грунти мало– та середньогумусові на лесі (безвідвальний обробіток грунту)

бас. р. Ворскла 0,407 0,134 0,425 0,200 0,291

В. Чорноземи звичайні, середньогумусові на лесі, важкосуглинисті (контурно-меліоративна система землеробства, схиловий стік)

бас. р. Сквира 0,720 0,890 0,797 0,518 0,730

Г. Чорноземи на твердих карбонатних породах (відвальна система землеробства)

Струмок Лишня, бас р. Стир

руслово-заплавне біоплато; 0,847 0,510 0,830 0,404 0,647

після каналізування русла 0,960 0,987 0,970 0,815 0,933

Д. Чорноземні південні на лесі важкосуглинисті (зрошувальне землеробство)

бас. р. Когильник 0,939 0,979 0,817 0,775 0,877

(сезонний стік)

Вплив просторово-часових змін русла і заплави.

Розрахункова модель визначення просторово-часових змін русла і заплави.

Просторово-часові зміни русла і заплави ( індекс S1) прямо пропорційні екологічно обгрунтованим витратам води у створі спостережень (Qек.), обернено пропорційні пропускній здатності русла (v, b, h) та коефіцієнтам його звивистості (k1), зарегульованості (k2), розвитку заплави (k3), екотонів (k4),

заростанню водного дзеркала вищою водною рослинністю (k5), зміна видової різноманітності (k6) та біопродуктивності досліджуваного ценозу (k7), тобто:

S1 = Qек /v b h k1 k2 k3 k4 k5 k6 k7 , (1)

де v – швидкість течії на фарватері, м/с; b – ширина русла за живою течією, м; h – глибина русла на фарватері, м.

Екологічно обгрунтовані витрати води () визначаються їх верхніми значеннями (як такими, що забезпечують оптимальні умови функціонування річкової біоти - приймаються середні місячні значення витрат за весь період спостережень) та нижніми, що визначаються збереженням умов виживання біоти в кризові періоди (зимову та літню межень).

У досліджуваних басейнах річок Горинь, Стир, Случ та верхів’ї Прип’яті, Ворскли, Удая внаслідок зміни умов формування поверхневого стоку (перерозорювання, спрямлення русел та каналізування, освоєння заплав) значення фактору “S1” зменшилось до 0,4-0,5 (явища стагнації, винесення домішок в гирлові ділянки, погіршення умов самоочищення води, табл. 4, рис. 2). Це привело до переходу досліджуваних річок (у гирловій частині) до наступного погіршенішого класу якості води.

Таблиця 4

Просторово-часові зміни русла і заплави досліджуваних басейнів річок (S1). В чисельнику – характеристики до антропотехногенних змін.

Басейни річок | Характеристики | Екологічні наслідки

S1 | k1 | K3 | k4 Іе

А. Зона меліоративного будівництва, бас. р. Льва (Західне Полісся) |

1,00

0,62 |

2,4

1,3 |

5,0

1,0 |

1,0 1,0

0,1 3,0 | Каналізування русла, явища спустелювання заплави, перебудова складу суходольних ценозів

Б. Зона змішаного господарського використання, бас. р. Горинь (Малий лісостеп, Західне Полісся).

Басейн р. Стир

(Малий лісостеп, Західне Полісся);

Басейн р. Десна |

1,2

1,0

1,1

1,3 |

2,1

1,5

2,2

2,1 |

5,0

1,0

5,0

5,0 |

1,0 2,0

0,5 9,6

1,0 4,2

1,0 5,0 | Каналізування русла, пересихання заплави, замулення, депресія рівня підземних вод

Каналізування приток першого порядку

Єдиний в Україні