Водные объекты являются важнейшей составляющей окружающей человека природной среды. Водные экосистемы находятся в состоянии равновесия с условиями внешней среды и имеют сложную структуру, нарушаемую под воздействием антропогенных факторов. Современная глобальность и интенсивность антропогенной деятельности, негативные последствия природных катаклизмов и климатические изменения приводят к нарушению интегративных свойств водных экосистем (продуктивность, качество и токсическое загрязнение, устойчивость, благополучие и др.).
В рамках реализации «Водной стратегии Российской Федерации на период до 2020 г.» предусматривается реализация мероприятий по совершенствованию нормативной базы в сфере использования и охраны водных объектов [1]. В связи с этим в последние годы актуальными остаются вопросы совершенствования водно-экологического мониторинга, в который предлагается включать оценку состояния водных объектов на основе построения композитных индексов, характеризующих химический и биологический состав и физические свойства воды, донных отложений, состояние береговой зоны, устойчивость водоема [2].
Теоретические аспекты и методологические основы изучения экологического состояния водных объектов обобщены в трудах отечественных авторов: В.К. Шитикова, Г.С. Розенберга, Т.Д. Зинченко [3–5] и др. В последние годы акцентируются подходы к интегральной оценке состояния водных объектов и их интегративных свойств [6–8]. В зарубежных публикациях с конца 1980-х гг. рассматривался подход к разработке экологических паспортов водных объектов, а начиная с [6], акцентировались биоцентризм и индикаторный подход в оценке качества воды и состояния водных объектов [6; 9; 10]. В этот период в отечественной литературе появились такие термины, как «экологическое качество воды», «хорошее экологическое качество воды» и т.п., ранее не применявшиеся в российских исследованиях, о чем мы писали в [4; 8]. Во многом этому способствовал выход в свет монографии [7], по-видимому, требовавшей научного редактирования для сопоставления традиционной для РФ и зарубежной терминологии. В современных зарубежных публикациях все чаще идет речь об использовании пространственно-распределенных или изменяющихся во времени индексах, разработанных на основе территориальных детерминант, которые используются авторами для формирования будущих ожиданий и принятия обоснованных решений в области оценки воздействия на природные объекты и геосистемы [9; 10]. Термин «композитный индекс», используемый нами в статье, пришел в зарубежную и отечественную терминологию из экономики (см., например, англ. Composite Index of Leading Indicators), а точнее из теории экономических индексов [11; 12], которые включают в себя несколько экономических компонентов (подындексов, или субиндексов, англ. specific sub-index или sub-index), изменения которых обусловливают изменения в экономике в целом или предшествуют изменениям в ней.
Цель исследования: развитие оценочных исследований экологического состояния (экологического статуса) водных объектов на основе построения композитных индексов, отражающих их состав, простые и сложные (неаддитивные, эмерджентные) свойства.
Решение данной проблемы за рубежом в последние годы связано с внедрением и доработкой «Европейской рамочной водной директивы» (Water Framework Directive; WFD), основной целью которой «является достижение экологического благополучия или высокого экологического статуса» для всех водных систем [6; 7].
Реализация WFD и «Водной стратегии Российской Федерации на период до 2020 года» [1; 6] повлекла за собой активизацию разработки и развития гидрологического и гидроэкологического инжиниринга (ГИ и ГЭИ), под которыми нами подразумевается «систематизация и алгоритмизация знаний, создание и внедрение практик, экспертизы и реализации проектов, связанных с реформированием и управлением водными объектами» [2; 4]. Развитие ГИ предусматривает инжиниринговые исследования в системе «водный объект – человек (общество)» (антропоцентризм); совершенствование ГЭИ – в системе «водный объект – организмы-гидробионты» (биоцентризм), и в водных экосистемах и геосистемах в целом [4].
В современной зарубежной литературе эти исследования близки к направлению, получившему название «экогидрология». Maciej Zalewski и соавторы писали о том, что «концепция междисциплинарного подхода, которую все чаще именуют «экогидрологией», создает необходимые социально-экономические обратные связи и совмещает (гармонизирует) гидрологические, экологические и социально-экономические процессы в масштабах бассейна для экосистем и общества» [13]. Необходимость развития исследований интегративных свойств эко- и геосистем обсуждается нами в [2].
Материалы и методы исследования
Под «экологическим статусом» (далее – ЭС) нами понимается эмерджентное свойство водного объекта, характеризующее сочетание: 1 – способности создавать органическое вещество (продуктивность, продукционный потенциал); 2 – качества и токсического загрязнения воды; 3 – потенциальной устойчивости водоема [2]. Для этих блоков исследований в работе разработаны соответствующие субиндексы.
Наиболее оптимальным подходом к оценке экологического статуса водных экосистем, на наш взгляд, можно считать разработку композитных индексов для блоков характеристик и последнего уровня свертки показателей, так как они позволяют последовательно объединить в одно целое полученные ранее результаты с учетом их вклада в общую оценку. Методика построения композитных индексов реализована нами на основе «метода сводных показателей» (МСП) и его современных версий, история создания которого уходит корнями в начало ХХ века [11; 12]. Данный метод используется нами в разных версиях с конца 1990 гг. как рабочий инструмент для синтеза информации о различных свойствах и состояниях сложных систем и их интегративных (эмерджентных) свойствах как в условиях достаточного информационного обеспечения, так и в условиях недостатка информации о критериях и приоритетах оценивания [2; 8; 14].
В связи с вышеизложенным оценка ЭС выполняется в несколько этапов, представленных на рис. 1.
Первым этапом является оценка продуктивности водоема (субиндекс ИПТ). Для этого оценивается трофический статус водоема, который представляет собой характеристику, отражающую его интегративное свойство – биопродуктивность. Это свойство определяется сочетанием большого количества факторов, оказывающих влияние на гидробионтов, обитающих в водоеме, его лимнологическими характеристиками, характером водосбора, особенностями гидрографической сети и др.
Вторым этапом является определение качества и токсического загрязнения воды (субиндекс ИПК). В работе при оценке качества воды принято сочетание антропоцентризма и биоцентризма и двухуровневое построение субиндекса качества.
На третьем этапе строился субиндекс устойчивости водоема (ИПУ). В работе оценивалась так называемая потенциальная устойчивость, под которой понималась устойчивость системы к изменению элементов естественного режима (морфометрических и климатических параметров, физико-географических характеристик, а также гидрологических особенностей водоема).
Последним этапом работы является построение индекса и оценочной шкалы экологического статуса водоема (композитный индекс КИЭС).
Рис. 1. Схема этапов оценочных исследований при построении субиндексов ИПТ, ИПК, ИПУ и композитного индекса КИЭС
Таблица 1
Классификация для оценки экологического статуса водоемов
|
Группы индексов, класс ЭС |
Классы экологического статуса водоема |
||||
|
I |
II |
III |
IV |
V |
|
|
Продуктивность (субиндекс ИПТ) |
Олиготрофия |
Мезотрофия-1 |
Мезотрофия-2 |
Эвтрофия |
Гипертрофия |
|
Качество и токсическое загрязнение воды (субиндекс ИПК) |
Чистые |
Слабо загрязненные |
Загрязненные |
Грязные |
Очень грязные |
|
Потенциальная устойчивость (субиндекс ИПУ) |
Высокоустойчивый (слабо уязвимый) |
Устойчивость выше среднего |
Среднеустойчивый (средне уязвимый) |
Устойчивость ниже среднего |
Низкоустойчивый (высоко уязвимый) |
|
Экологический статус водоема (композитный индекс КИЭС) |
Экологический статус первой категории (высокий) |
Экологический статус второй категории (выше среднего) |
Экологический статус третьей категории (средний) |
Экологический статус четвертой категории (ниже среднего) |
Экологический статус пятой категории (низкий) |
В итоге были разработаны субиндексы ИПТ, ИПК, ИПУ и композитный индекс КИЭС (рис. 1) и оценочные классификации для всех субиндексов и композитного индекса, агрегирующего в себе с определенным приоритетом (весом) все субиндексы. Критерии оценки отбирались с учетом действующих государственных стандартов, руководящих документов и рекомендаций [15], а также разработанных авторских классификаций (табл. 1). Построение оценочных шкал для композитных индексов по классам ЭС описано нами в публикациях [2; 4; 14] и др.
Процесс построения КИЭС включал в себя следующие этапы.
1. Отбор критериев оценивания, входящих в субиндексы ИПТ, ИПК, ИПУ. Введение классов КИЭС. Построение оценочных шкал для субиндексов и КИЭС.
В современных публикациях [9; 10] авторы обращают внимание на то, что корреляция независимых переменных затрудняет оценку и анализ полученного результата. Когда независимые переменные коррелируют друг с другом, говорят о возникновении мультиколлинеарности факторов. В этом случае математическая модель регрессии содержит избыточные переменные, а это значит, что: 1 – параметры регрессии теряют смысл, и следует пересмотреть состав переменных, отобранных для построения субиндекса; 2 – оценки параметров ненадежны из-за больших стандартных ошибок, которые меняются с изменением объема наблюдений и затрудняют использование модели регрессии для прогнозирования; 3 – необходимо вводить оценку точности и достоверности полученных результатов.
2. Выбор и/или построение оценочных шкал для исходных параметров оценивания. Использовался опыт, полученный нами ранее и описанный в [2; 4; 14] и др.
3. Выбор нормирующих функций, учитывающих вид и нелинейность связи выбранного параметра с оцениваемым свойством, и реализация процедуры нормирования исходных характеристик. Нормирующие функции и выполнение процедуры нормирования описаны нами в большом количестве публикаций, например в [2; 5; 14].
4. Выбор вида композитного индекса и субиндексов. В качестве выражения для ИПТ, ИПК, ИПУ и КИЭС была выбрана линейная свертка показателей вида:
где n – число критериев оценивания [11].
5. Задание или моделирование приоритетов (весовых коэффициентов wi) учитывает возможность их моделирования на основе ннн-информации [11; 14]. На первом этапе нами во всех блоках и между блоками реализовывалось равновесомое задание параметров.
6. Разработка сценариев учета приоритетов внутри блоков и при расчете КИЭС. Построение оценочных шкал для каждого сценария на основе выбранного метода [11; 12].
7. Расчет ИПТ, ИПК, ИПУ и КИЭС для водоемов по полученным мониторинговым данным.
Результаты исследования и их обсуждение
На основе изложенного в предыдущих разделах подхода и этапов построения субиндексов и КИЭС были проведены расчеты КИЭС для некоторых водоемов, расположенных на территории г. Санкт-Петербурга за 2019 г. Названия водоемов приведены в примечании к рис. 2.
В табл. 2 приведен перечень параметров для построения субиндексов и индекса КИЭС. Все параметры, необходимые для расчета, получены в период выполнения мониторинговых исследований на водоемах в рамках выполнения проекта «Комплексное экологическое обследование водоёмов Санкт-Петербурга» (договор СПбГУ № 241-18 с Комитетом по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности г. Санкт-Петербурга, 2018).
В результате выполнения описанных построений были получены оценочные шкалы для субиндексов ИПТ, ИПК, ИПУ и индекса КИЭС. На всех уровнях свертки показателей задавались одинаковые приоритеты оценивания внутри блоков и между ними (рис. 1).
Все оценочные шкалы приведены в табл. 3, которая содержит информацию о ширине классов в каждом субиндексе и КИЭС при равенстве весов (приоритетов) оценивания.
После получения оценочных шкал, приведенных в табл. 3, выполнялись расчеты ИПТ, ИПК, ИПУ и КИЭС для водоемов г. Санкт-Петербурга в 2019 г. Полученные результаты позволили выявить три группы водоемов (рис. 2): 1 – водоемы II класса со значениями КИЭС «выше среднего» (16 водоемов); 2 – водоемы III класса со «средними» значениями КИЭС (26 водоемов); 3 – водоемы IV класса со значениями КИЭС «ниже среднего» (1 водоем).
Таблица 2
Состав параметров для расчета ИПТ, ИПК, ИПУ и КИЭС водоемов г. Санкт-Петербурга в 2019 г.
|
№ п/п |
Субиндексы и композитный индекс экологического статуса |
Состав параметров |
|
1 |
Продуктивность (субиндекс ИПТ) |
Оценивался по величине ИПТ для 4 классов трофности по 3 критериям: Сl «α» (мкг/л), Pобщ (мкг Р/л), средняя биомасса фитопланктона, Вf (мг/л) |
|
2 |
Качество и токсическое загрязнение воды (субиндекс ИПК) |
Оценивался по величине интегрального показателя качества воды ИПК для 5 классов качества по 12 критериям: цветность по Pt-Co шкале, рН воды, N–NO2 (мг N/л), Pобщ (мг P/л), среднегодовое содержание растворенного кислорода O2 ( % насыщения), H2S (мг/л), CH4 (мг/л), биомасса фитопланктона (мг/л), Cl «α» (мкг/л), индекс сапробности, степень токсичности проб воды А ( %), число сапрофитных бактерий (1000 клеток/мл) |
|
3 |
Потенциальная устойчивость (субиндекс ИПУ) |
Оценивался по балльно-индексному методу [8] и балльной шкале, которая нормированием переводилась в интегральный показатель адаптационной устойчивости ИПУ |
|
Экологический статус водоема (композитный индекс КИЭС) |
Оценивался в предположении равенства весов ИПТ + ИПК + ИПУ на третьем уровне свертки |
|
Таблица 3
Оценочные шкалы ИПТ, ИПК, ИПУ и КИЭС для равновесомого сценария оценивания экологического состояния водоемов
|
Группы индексов, класс ЭС |
Классы экологического статуса водоема |
||||
|
Экологический статус первой категории (высокий) |
Экологический статус второй категории (выше среднего) |
Экологический статус третьей категории (средний) |
Экологический статус четвертой категории (ниже среднего) |
Экологический статус пятой категории (низкий) |
|
|
I |
II |
III |
IV |
V |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Продуктивность (субиндекс ИПТ) |
0,00–0,084 |
0,084–0,172 |
0,172–0,260 |
0,260–0,762 |
0,762–1,00 |
|
Окончание табл. 3 |
|||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Качество и токсическое загрязнение воды (субиндекс ИПК) |
0,00–0,099 |
0,099–0,152 |
0,152–0,311 |
0,311–0,571 |
0,571–1,00 |
|
Потенциальная устойчивость (субиндекс ИПУ) |
0,00–0,250 |
0,250–0,406 |
0,406–0,625 |
0,625–0,781 |
0,781–1,00 |
|
Экологический статус водоема (композитный индекс КИЭС) |
0,00–0,144 |
0,144–0,243 |
0,243–0,399 |
0,399–0,705 |
0,705–1,00 |
Рис. 2. Оценка экологического статуса водоемов г. Санкт-Петербурга в 2019 г. на основе композитного индекса КИЭС и их ранжирование
Примечание. Номерами на рисунке указаны: 1321-1, 1321-2 – запруды на р. Дачная; 2481 – пруд Генеральский; 2540 – пруд Красный; 2880 – пруд Дубовый; 2884 – пруд Церковный; 2895 – пруд Треугольный; 2896 – пруд Шапка Наполеона; 3127 – пруд Рубаха Наполеона; 2919 – пруд Пихтовый; 2990 – пруд Лошадиный; 3037 – пруд Серебряный; 3224 – пруды Таврического сада; 3399, 3403 – пруды у дачи Бенуа; 3685 – пруд Колонистский; 2781, 2862, 3012, 3027, 3028, 3029, 3030, 3031, 3038, 3132, 3307, 3560, 3567, 3569, 3571, 3576, 3577, 4555, 3580, 3679, 7049, 3682, 4125, 4551, 6555, 6659, 6945 – пруды без названия) [2; 15].
Выводы
В результате выполнения работы предложена методика оценки экологического статуса водоемов на основе построения композитного индекса КИЭС, включающего в себя субиндекс продуктивности (ИПТ), субиндекс качества и токсического загрязнения воды (ИПК) и субиндекс потенциальной устойчивости водоема (ИПУ).
Предложены классы, уровни обобщения данных, блоки, этапы исследования. Для построения КИЭС выбраны параметры оценивания, сформированы оценочные шкалы и получена шкала для КИЭС для сценария с равновесомым заданием приоритетов внутри блоков и между ними.
В целом индекс КИЭС рассматривается как отражение интегративного свойства водоема, характеризующее его продукционный потенциал, качество и загрязнение воды, а также способность водоема сохранять свои свойства и элементы режимов при естественных изменениях и внешних воздействиях на него.
Проведены расчеты КИЭС для некоторых водоемов (прудов) г. Санкт-Петербурга для 2019 г. в предположении равенства приоритетов на всех уровнях обобщения данных. Полученные результаты интегральной оценки экологического статуса и их ранжирование позволили выявить три группы водоемов: 1 – водоемы II класса со значениями КИЭС «выше среднего» (16 водоемов); 2 – водоемы III класса со «средними» значениями КИЭС (26 водоемов); 3 – водоемы IV класса со значениями КИЭС «ниже среднего» (1 водоем). Таким образом, выявлено отсутствие водоемов I и V классов. Практически все водоемы, отнесенные ко II классу по величине КИЭС, находятся близко от границы с III классом. Водоемы, отнесенные к III классу, равномерно распределены внутри класса. Достаточно близко к границе III-IV классов находятся 8 городских водоемов (рис. 2).
Исследования выполнялись при поддержке грантов РФФИ № 19-05-00683 а; 18-05-60291 Арктика.