Оптимальное решение задач, стоящих перед водным хозяйством страны, невозможно без объективной информации о состоянии водных ресурсов, без разработки, внедрения и совершенствования способов, научно обоснованных технологий обработки, анализа и обобщения аналитических данных о составе поверхностных вод, без оценки качества вод. Изучение экологического состояния крупных рек Армении имеет важное значение как для оценки качества воды данных водных объектов, так и для дальнейшего рационального использования вод этих рек.
В Армении для оценки степени загрязненности воды используются комплексные показатели, которые позволяют: количественно оценить загрязненность воды одновременно по широкому перечню ингредиентов и показателей качества; подготовить аналитическую информацию для представления государственным органам и заинтересованным организациям в удобной, доступной для понимания, научно обоснованной форме. Так, для комплексной оценки качества поверхностных вод в качестве комплексного показателя качества воды используются Индекс загрязнения воды (ИЗВ), Орегонский индекс качества воды (ОИКВ), Канадский индекс качества воды (КИКВ) и Удельно-комбинаторный индекс качества воды (УКИКВ) [1–3, 6, 12, 13]. ИЗВ представляет собой среднюю долю превышения ПДК по строго лимитированному числу индивидуальных ингредиентов:
Для расчета индекса загрязнения вод для всего множества нормируемых компонентов, включая рН, БПК5 и содержание растворенного кислорода, амонийного и нитритного азота находят отношения Ci/ПДКi фактических концентраций к ПДК.
Классификация качества воды, проведенная на основе значений ИЗВ, позволяла разделить поверхностные воды на 7 классов в зависимости: от степени их загрязненности от ≥ 0,2 (первый класс) до ≥ 10 (седьмой класс) [1].
Для расчета ОИКВ используют следующие показатели: температура воды, рН, БПК5 и содержание растворенного кислорода, растворенные соли, сумма амонийного и нитритного азота. ОИКВ используется для оценки качества поверхностных вод в США более чем 20 лет [13]. На основе значений КИКВ классифицируют поверхностные воды на 5 классов в зависимости от степени их загрязненности, от 100–95 (первый класс) до менее 44 (пятый класс). КИКВ используется для оценки качества поверхностных вод в Канаде более чем 20 лет [12].
Для расчета УКИКВ используют следующие показатели качества воды: растворенный в воде кислород, БПК5, ХПК, фенолы, нефтепродукты, нитрит-ионы 
, нитрат-ионы 
, аммоний-ион 
, железо общее (Fe+2 и Fe+3), медь, цинк, никель, марганец, хлориды, сульфаты [2, 3, 6].
Мониторинговые створы бассейна реки Дебед
Для определения УКИКВ сперва определяется коэффициент комплексности загрязненности воды (К), который представляет собой отношение количества загрязняющих веществ (показателей), содержание которых превышает ПДК, к общему числу нормируемых ингредиентов и показателей качества. Определяются также повторяемость случаев превышения ПДК каждого показателя (αij) и среднее значение кратности превышения ПДК по результатам проб, где такое превышение наблюдалось (ijβ). Определяется обобщенный оценочный балл (Sij) как произведение частных оценочных баллов по повторяемости и кратности, который может изменяться от 1 до 16. Потом определяется комбинаторный индекс загрязненности воды (Si) как сумма обобщенных баллов (Sij). УКИКВ представляет собой отношение комбинаторного индекса загрязненности воды к число учитываемых в оценке ингредиентов. На основе значений УКИКВ классифицируют поверхностные воды на 5 классов [6].
В последние годы для комплексной оценки качества поверхностных вод нами предлагается использовать синергетический информационный индекс, энтропийный индекс качества воды (ЭИКВ) и Армянский индекс качества воды (АИКВ) [4, 5, 8, 9].
Целью данной работы является оценка качества воды реки Дебед и ее притоков с помощью Армянского индекса качества воды.
Дебед – правый приток реки Храми, являющейся правым притоком Куры. Образуется слиянием рек Памбак и Дзорагет в селе Дсех. Длина с Памбаком 178 км, из них в Армении – 152 км. Площадь бассейна – 4050 км2. Течёт по узкому и глубокому ущелью до села Баграташен. По реке проходит участок армяно-грузинской границы протяжённостью около 12 км. Течение быстрое, Дебед – самая полноводная река Армении (за исключением Аракса). Воды используются для орошения и получения электроэнергии. Крупные притоки – Марц, Шног (справа) и Ахтала (слева). На реке Дебед расположены три створа (мониторинговые посты): № 5 – 0,5 км ниже от точки слияния реки Марцигет, № 6 – 0,5 км выше г. Айрума и № 7 – около границы с Грузией. Река Памбак берёт начало на северо-восточном склоне Памбакского хребта в самой западной его части, на границе между Лорийской и Ширакской областями. Длина реки – 86 км. В основном воды реки Памбак используются для орошения близлежащих земель, в рекреационных и природоохранных целях. На реке Памбак расположены четыре створа (мониторинговые посты): № 1 – 0,5 км выше с. Арташен, № 2 – 0,5 км ниже г. Спитак, № 3 – 0,5 км выше г. Ванадзор и № 4 – 4,5 км ниже г. Ванадзор.
Река Дзорагет вместе с рекой Памбак образуют реку Дебед. Протекает на севере Армении, по северо-западной части Лорийской области, в том числе через город Степанаван. Длина реки – 67 км. На реке Дзорагет расположены два створа (мониторинговые посты): № 8 – 0,5 км выше г. Степанавана, № 10 – устья реки. Река Ташир – приток Дзорагета. Длина реки – 54 км. На реке Ташир расположены два створа: № 11 – 0,5 км выше с. Михайловка и № 12 – 0,5 км ниже с. Саратовка.
Марцигет – правобережный приток р. Дебет – имеет длину 29 км. Попадает в реку Дебед у поселка Туманян. Створ № 13 расположен у устья реки. Ахтала – левобережный приток – попадает в реку Дебед у поселка Ахтала. На реке Ташир расположен один створ: № 14 у устья реки [7].
Материалы и методы исследования
В понимании структурной организации и закономерностей развития экологических систем вообше и, в частности, для водных систем большую роль имеет теория информации. В гидроэкологических системах могут идти пpоцессы как с возpастанием, так и с уменьшением энтpопии. Понятие энтропии имеет множество трактовок в самых разнообразных областях человеческих знаний. Система взаимодействует с внешним миром как единое целое. Открытые системы могут обмениваться с окружающей средой энергией, веществом и, что не менее важно, информацией. Чтобы система действовала и взаимодействовала со средой, она должна потреблять информацию из среды и сообщать информацию среде. Впервые понятия энтропии и информации связал Шеннон [11]. С его подачи энтропия – это количество информации, приходящейся на одно элементарное сообщение источника, вырабатывающего статистически независимые сообщения. Получение какого-либо количества информации равно потерянной энтропии. Информационная энтропия для независимых случайных событий x с N возможными состояниями рассчитывается по формуле
где Pi – вероятность частоты встречаемости некоторого события.
Загрязненность водных систем можно представить как систему тех гидрохимических показателей (элементов), концентрация которых превышает предельно допустимые концентрации: (ПДК). Тогда в уравнении Шенона pi – вероятность числа превышения ПДК i-го вещества или показателя воды из общей суммы превышения ПДК – N, Pi = ni/N.
H = log2N – I;
где I – геоэкологическая синтропия [10]; H – энтропия Шеннон.
Для расчета значений I, H ЭИКВ и АИКВ пользуемся следующим вычислительным алгоритмом:
1. Определяется число случаев превышения ПДК i-го вещества или показателя воды: n.
2. Оценивается общая сумма случаев превышений ПДК (N):
.
3. Вычисляются: log2N, nlog2n и 
.
4. Рассчитывается геоэкологическая синтропия (I) и энтропия (H):
и H = log2N – I.
5. После чего определяется ЭИКВ: G = H/I.
6. Далее оценивается общая сумма кратности превышений ПДК(M): 
.
7. Вычисляется: log2M.
8. После чего определяется Армянский индекс качества воды – АИКВ = G + 0,1•log2M.
Результаты исследования и их обсуждение
Показано, что воды р. Дебед и ее притоков являются слабощелочными. Исследования показали, что воды р. Дебед загрязнены некоторыми металлами. Так, в речной воде регулярно превышается ПДК меди, цинка, ванадия, аллюминия, хрома, железа, марганца и селена. ПДК этих металлов превышена в среднем в 1,2–5,8 раз.
Например, в створе 4 р. Памбак БПК5 концентрации нитритного и амонийного азота, Cu, V, Al, Mn, Cr и Se превысили ПДК соответственно в 8, 10, 12, 12, 12, 12, 12, 6 и 2 случаях. В данном случае сумма случаев превышений ПДК – N = 86; 
I = 289,71/86 = 3,368; H = log2N – I = log286 – I = 6,422 – 3,368 = 3,054; G = H/I = 3,054/3,368 = 0,907. Общая сумма кратности превышений ПДК – 
; log2M = 5,28, А = 0,907 + 0,528 = 1,435 (табл. 1).
Таблица 1
Энтропийный и Армянский индексы качества воды рек Дебед, Памбак, Дзорагет, Ташир, Марцигет и Ахтала
|
Створы |
2009 |
2010 |
2011 |
2012 |
||||
|
ЭИКВ |
AИКВ |
ЭИКВ |
AИКВ |
ЭИКВ |
AИКВ |
ЭИКВ |
AИКВ |
|
|
1 |
0,773 |
1,321 |
0 |
0,138 |
0,54 |
0,882 |
0,87 |
1,388 |
|
2 |
0,741 |
1,093 |
0,306 |
0,549 |
0,48 |
0,792 |
0,88 |
1,36 |
|
3 |
0,766 |
1,309 |
0,436 |
0,753 |
0,47 |
0,876 |
0,93 |
1,42 |
|
4 |
0,907 |
1,435 |
0,80 |
1,270 |
0,76 |
1,245 |
0,92 |
1,49 |
|
5 |
0,575 |
0,981 |
0,736 |
1,150 |
0,69 |
1,102 |
1,02 |
1,52 |
|
6 |
0,576 |
1,027 |
1,046 |
1,645 |
0,75 |
1,262 |
0,94 |
1,516 |
|
7 |
0,907 |
1,505 |
1,06 |
1,657 |
0,95 |
1,498 |
0,97 |
1,52 |
|
8 |
0,314 |
0,649 |
0,288 |
0,634 |
0,29 |
0,63 |
1,05 |
1,646 |
|
10 |
0,476 |
0,837 |
0,611 |
1,01 |
0,47 |
0,83 |
0,79 |
1,217 |
|
11 |
0,613 |
1,151 |
0,9 |
1,44 |
0,7 |
1,126 |
0,93 |
1,535 |
|
12 |
0,914 |
1,413 |
0,886 |
1,382 |
0,74 |
1,162 |
1,12 |
1,534 |
|
13 |
0,455 |
0,722 |
0,6 |
0,953 |
0,55 |
0,956 |
0,58 |
1,057 |
|
14 |
0,722 |
1,603 |
0,957 |
1,792 |
0,93 |
1,833 |
1,09 |
2,08 |
Полученные данные свидетельствуют о том, что от источника до устья рек наблюдается снижение качества воды. После городов Степанаван, Ванадзор и Алаверди Армянский индекс качества воды увеличивается, что свидетельствует о снижении качества воды рек, обусловленном загрязнением воды бытовыми сточными водами городов. Поскольку нет очистных сооружений в бассейне реки, сточные воды городов Алаверди и некоторых сел без очистки впадают в реки.
Загрязнением воды рек бытовыми сточными водами обусловлены высокие значения БПК5 и ХПК речной воды и загрязнение ионами нитрита и аммония.
Качество вод р. Дебед, Памбак, Дзорагет, Ташир, Марцигет и Ахтала комплексно оценено также с помощью других индексов качества воды: ИЗВ, ЭИКВ, КИКВ и УКИКВ (табл. 2).
Таблица 2
Индексы качества воды рек Дебед, Памбак, Дзорагет, Марцигет, Ташир и Ахтала
|
Створ |
ЭИКВ |
AИКВ |
ИЗВ |
КИКВ |
УКИКВ |
|
1 |
0,773 |
1,321 |
1,75 |
62,23 |
1,78 |
|
2 |
0,741 |
1,093 |
1,33 |
75,98 |
2,03 |
|
3 |
0,766 |
1,309 |
2,69 |
62,12 |
2,02 |
|
4 |
0,907 |
1,435 |
3,11 |
61,63 |
2,83 |
|
5 |
0,575 |
0,981 |
1,88 |
73,37 |
2,07 |
|
6 |
0,576 |
1,027 |
2,95 |
68,51 |
2,33 |
|
7 |
0,907 |
1,505 |
5,30 |
56,53 |
2,47 |
|
8 |
0,314 |
0,649 |
1,25 |
80,78 |
1,8 |
|
10 |
0,476 |
0,837 |
1,52 |
80,86 |
1,42 |
|
11 |
0,613 |
1,151 |
1,49 |
64,17 |
1,99 |
|
12 |
0,914 |
1,413 |
1,78 |
64,97 |
2,53 |
|
13 |
0,455 |
0,722 |
1,23 |
78,2 |
1,35 |
|
14 |
0,722 |
1,603 |
30,94 |
41,36 |
3,59 |
AИКВ = (0,809 ± 0,138) + (0,147 ± 0,056) ИЗВ R = 0,93854, N = 12;
AИКВ = (2,762 ± 0,220) – (0,024 ± 0,003) КИКВ R = 0,91115, N = 13;
AИКВ = (0,343 ± 0,206) + (0,377 ± 0,092) УКИКВ R = 0,77709, N = 13;
AИКВ = (0,180 ± 0,144) + (1,454 ± 0,207) ЭИКВ R = 0,90410, N = 13.
Анализ полученных данных свидетельствует о том, что АИКВ имеет прямолинейную зависимость с ИЗВ, УКИКВ и ЭИКВ и обратную зависимость с КИКВ.
Заключение
1. От источника до устья рек наблюдается снижение качества воды. Причиной загрязнения является высокое содержание металлов.
2. После городов Степанаван, Ванадзор и Алаверди Армянский индекс качества воды увеличивается, что свидетельствует о снижении качества воды рек, обусловленном загрязнением воды бытовыми сточными водами городов.
3. Впервые с помощью АИКВ оценено качество вод р. Дебед и его притоков. Установлена корреляция между АИКВ с другими индексами качества воды.