УДК 577.4

В мире нигде, кроме бывшего СССР, не существовало сети наблюдений, где по единым методикам для десятков водных бассейнов, сотен водных объектов и тысяч створов в течение десятилетий собирались бы количественные данные о сотнях видов водных организмов, принадлежащих ко всем основным группам гидробионтов, о нескольких десятках абиотических показателей (концентрации загрязняющих веществ, БПК, ХПК, содержание растворенного кислорода, pH, температура и расходы воды). Соответственно, в мире нет и базы данных, отражающей подобные наблюдения.

Существует высокая неудовлетворенная потребность в данных реального экологического мониторинга для академических фундаментальных исследований, для образовательных программ, для экологического просветительства. Однако доступных академической и университетской науке вневедомственных источников подобной информации на магнитных носителях не существует.

Некоторые содержательные проблемы экологии биосистем становятся крайне актуальными в условиях обостряющегося экологического кризиса. Среди них — фундаментальная проблема выявления в пространстве абиотических факторов экосистем областей нормального функционирования их биотических компонент. Решение этой проблемы требует развития методов диагностики состояния экосистем на шкале "норма — патология" по биотическим показателям и приводит к возможности регионального нормирования нарушающих экологическое благополучие воздействий. Такое нормирование является альтернативой экологически неэффективной системе экологического контроля по "всесоюзным" нормативам предельно допустимых концентраций (ПДК) веществ. Для решения указанных фундаментальных и прикладных проблем экологической диагностики и нормирования необходимо перейти от анализа данных лабораторных испытаний воздействия факторов на биоту к данным натурного экологического мониторинга (т.е. к данным пассивного "эксперимента" на реальных экосистемах, который человечество в течение многих десятилетий проводит в местах своего проживания и хозяйственной деятельности). Анализ данных такого многофакторного, многолетнего и проводимого на огромных территориях мониторинга возможен только методами компьютерных информационных технологий, для чего существенно необходимы базы экологических данных, объединяющие материалы по биотическим и абиотическим компонентам реальных экосистем.

Создаваемая компьютерная экспертная система по экологии пресных вод России предназначена для решения указанных задач посредством систематизации многолетних данных по биологии, химии, гидрологии пресных водоемов страны и управления данными для расчета экологических рисков, долгосрочного прогноза состояния водных экосистем и экологического менеджмента, то есть выработки решений, способствующих оздоровлению экологического состояния водных объектов.

Структура информационной системы

Информационная система (ИС) "Экология пресных вод России" включает в себя набор подбаз данных, систему управления данными, инструкции пользователю, картографические материалы по гидрографическим районам России с указанием створов отбора проб, информацию о методиках отбора проб и о методах получения оценок качества пресных вод, информацию о программах химического, токсикологического, гидрологического и биологического мониторинга в бассейнах рек России, об индивидуальных сапробностях гидробионтов.

ИС включает в себя три подбазы данных:

1) Физико-химические характеристики водной среды (гидрохимические показатели, концентрации загрязняющих веществ, гидрологические параметры).

2) Оценки качества пресных вод по гидробиологическим показателям.

3) Первичные гидробиологические данные.

Все три указанные подбазы включают в себя обязательный набор полей — “гидрографический район”, “бассейн”, “подбассейн”, “водный объект” (река, озеро, водохранилище), “координаты створа”, “створ”, “год отбора пробы”, “месяц отбора пробы”, “день отбора пробы”, “время отбора пробы”.

Физико-химическая информация (ее источниками являются “Ежегодники качества поверхностных вод и эффективности проведенных водоохранных мероприятий”, “Ежегодные данные о качестве поверхностных вод суши”, “Ежеквартальные бюллетени качества поверхностных вод суши”, издававшиеся гидрометслужбами СССР и России) обобщает сведения, относящиеся к 6 гидрографическим районам России (Баренцевский, Азовский, Каспийский, Восточно-Сибирский, Карский, Тихоокеанский), к 12 бассейнам (р.Северная Двина, р.Волга, р.Дон, реки Приазовья, р.Урал, р.Терек, р.Кубань, р.Енисей, р.Амур, р.Уссури, р.Лена, реки Приморья), к 55 водным объектам и к 550 створам наблюдения за 1976-1992 гг. База физико-химических данных содержит тысячи записей (наблюдений) и следующие поля (всего около 80):

1) концентрации загрязняющих веществ в мг/л (азот аммонийный, азот нитратный, азот нитритный, азот органический, алюминий, ванадий, взвешенные вещества, висмут, гексахлоран, a -гексахлорциклогексан, g -гексахлорциклогексан, гексахлориды, ДДД, ДДТ, ДДЭ, железо, кадмий, калий, кальций, карбофос, кобальт, кремний, ксантогенаты, лигнин, лигносульфонат, линдин, линдан, магний, марганец, медь, метанол, метафос, метилмеркаптан, молибден, мочевина, мышьяк, натрий, нефтепродукты, никель, НСО, олово, пестициды, роданиды, ртуть, свинец, серебро, сероводород, синтетические поверхностно-активные вещества, смолистые вещества, окись углерода, сульфаты, титан, углеводороды, фенолы, формальдегид, фосфамид, фосфор минеральный, фосфор общий, фосфор органический, фтор, фториды, хлориды, хлорофос, хром, цианиды, цинк);

2) Другие гидрохимические показатели (содержание кислорода, биохимическое потребление кислорода, химическое потребление кислорода, pH, жесткость воды, сумма ионов, минерализация);

3) Гидрологические характеристики (скорость течения, расход воды, уровень воды, цветность, прозрачность).

База данных о качестве пресных вод включает сведения по 6 перечисленным выше гидрографическим районам России за 1978-1993 и 1995-1996 гг. (13651 запись по 60 бассейнам и подбассейнам, 400 водным объектам и 3000 створам наблюдений) в следующих полях:

индекс сапробности для фитопланктона,

индекс сапробности для зоопланктона,

индекс сапробности для перифитона,

микробиологический индекс для бактериопланктона,

олигохетный индекс для зообентоса,

биотический индекс для зообентоса,

класс качества вод для фитопланктона,

класс качества вод для зоопланктона,

класс качества вод для перифитона,

класс качества вод для бактериопланктона,

класс качества вод для зообентоса.

База первичных гидробиологических данных (ее источниками являются “Ежегодники поверхностных вод по гидробиологическим показателям”, издававшиеся Госкомгидрометом СССР) включает информацию по фитопланктону, зоопланктону, бактериопланктону, перифитону, зообентосу, макрофитам для Азовского (1978, 1980, 1981, 1984, 1985, 1991 и 1994 гг.), Каспийского (1976, 1979, 1988, 1992 и 1995 гг.) и Карского (1995 и 1996 гг.) гидрографических районов России, что составляет 38400 записей, относящихся к 1273 видам гидробионтов из 10 бассейнов и подбассейнов, 46 водных объектов и 250 створов наблюдения. Информация распределена по следующим полям:

экологическая группировка организмов;

вертикаль, доля ширины реки от левого берега;

глубина, м;

температура воды, градусы Цельсия (для фитопланктона и зоопланктона);

характер субстрата (для перифитона);

тип грунта (для зообентоса);

тип растительности (для зообентоса);

прозрачность воды (для фитопланктона);

таксономическая принадлежность для фитопланктона — отдел; род; вид;

таксономическая принадлежность для зоопланктона — систематическая группа организмов (отряд, семейство); род; вид;

таксономическая принадлежность для перифитона — род; вид;

таксономическая принадлежность для зообентоса — систематическая группа организмов (тип, класс); род; вид;

количественные показатели видов зоопланктона — возрастная стадия; относительная численность, %; индивидуальный вес, мг/тыс.экз;

количественные показатели для сообщества бактериопланктона донных отложений — численность сапрофитов, млн. клеток/мл; нефтеокисляющие бактерии (титр);

количественные показатели для сообщества бактериопланктона поверхностных вод — общее количество бактерий, млн. клеток/мл; численность сапрофитных бактерий, млн. клеток/мл; отношение общего количества бактерий к количеству сапрофитных бактерий; время удвоения сапрофитных бактерий, час; время удвоения бактерий в целом, час; количество спороносных бактерий, млн. клеток/мл; нефтеокисляющие бактерии (титр);

количественные показатели сообщества перифитона — число видов, шт.; частота встречаемости, баллы; индивидуальная сапробность;

количественные показатели полного сообщества зообентоса на растительности — число видов, шт.;

количественные показатели типов/классов зообентоса на растительности — число видов, шт.;

количественные показатели видов зообентоса на грунте — относительная численность, %;

показатели для макрофитов — тип грунта; проективное покрытие, %; число видов, шт.; характеристика распространения растительности; фенофаза;

показатели для пигментных характеристик фитопланктона — концентрация хлорофилла "a", мкг/л; концентрация хлорофилла "a", мкг/л; концентрация хлорофилла "c", мкг/л; отношение концентраций хлорофилла "a" и "c"; пигментный индекс.

Создаваемая база данных по гидробиологии, гидрохимии и гидрологии не является окончательной и может быть расширена как за счет новых периодов наблюдения по уже имеющимся гидрографическим районам, так и за счет новых районов, причем не только России, но и сопредельных государств.

Программная реализация информационной системы

Информационная система реализована в двух формах:

1) Программа Ecograde, разработанная для среды Microsoft Access 2.0. Эта программа позволяет работать с информационными картографическими материалами, со списками водных объектов, измеряемых переменных, таксонов гидробионтов; позволяет вводить и редактировать данные, вести их обработку. Для программы Ecograde созданы разделы "Описание информационной системы" (разделы: "Общая информация", "Об индексах и классах качества вод", "О методиках получения гидробиологических данных", "Справочник индивидуальных сапробностей видов фитопланктона, зоопланктона и зообентоса", "Краткое описание возможностей Access 2.0") и "Инструкции пользователю" (разделы: "Просмотр", "Поиск", "Ввод и редактирование", "Выборка", "Сортировка", "Резервирование, сжатие и восстановление").

Использование ИС для задач экологического контроля природной среды

Создаваемая ИС рассматривается как часть будущей экспертно-аналитической системы (ЭС) “Экологический контроль пресных вод России”, позволяющей проводить диагностику и нормирование нарушающих экологическое благополучие воздействий, а также поиск путей восстановления нарушенных экосистем. Алгоритмы планируемой ЭС основаны на биотической концепции контроля природной среды (Левич, 1994), согласно которой оценки экологического состояния на шкале “норма — патология” должны проводиться по комплексу биотических показателей, но не по уровням абиотических факторов. Абиотические факторы (загрязнения, другие химические характеристики, климатические переменные, интенсивности переносов) должны рассматриваться как агенты воздействия на популяции организмов и экологические связи между ними.

Биотическая концепция предполагает существование причинной связи между уровнями воздействия на биоту и откликом биоты. А именно, определенные уровни воздействия обеспечивают нормальное функционирование экосистем, другие же уровни — закономерно приводят к патологическим состояниям. Задача биотического подхода — выявить в пространстве абиотических факторов границы между областями нормального и патологического функционирования природных объектов. Такие границы названы экологически допустимыми уровнями (ЭДУ) нарушающих воздействий.

Нормативы ЭДУ (в отличие от ПДК) не универсальны, а региональны. Они учитывают: действие не изолированных факторов, а реально существующего в экосистеме комплекса нарушающих воздействий; не только прямые, но и косвенные эффекты; кумулятивное действие факторов; запаздывание в действии факторов; действие как длительных усредненных, так и пиковых нагрузок. ЭДУ отражают сложившиеся в реальных природных объектах экологические взаимоотношения. Нормативы ЭДУ могут быть рассчитаны не только для загрязняющих веществ, но и для любых абиотических воздействий, в частности, для процессов переноса, для климатических факторов и т.п.

В планируемой ЭС методы решения поставленных задач реализуются с помощью компьютерной технологии биотического контроля природной среды (Левич, Максимов, 1997), основанной на методе ЭДУ (Левич, Терехин, 1997). Соответствующий программный продукт позволит решить следующие прикладные задачи:

— Вычисление индексов сапробности, олигохетного и биотического индексов, класса качества вод по всем группам гидробионтов.

— Оценка состояния экологических объектов на числовой шкале (диагностика состояния).

— Поиск причин экологического неблагополучия среди физико-химических факторов среды.

— Ранжирование физико-химических факторов по их вкладу в степень экологического неблагополучия с указанием значений критериев значимости и существенности этого вклада.

— Расчеты региональных нормативов экологически допустимых уровней (ЭДУ) физико-химических факторов (экологическое нормирование).

— Экологическое районирование бассейнов, водных объектов по экологическому состоянию, по набору значимых для экологического неблагополучия факторов, по значениям ЭДУ и т.д.

— Прогноз и экстраполяция экологического состояния водных объектов по сценариям значимых для экологического неблагополучия факторов.

— Генерирование и отбор путей восстановления неблагополучных экосистем.

— Выявление пробелов в существующей системе сбора экологических данных.

Заключение

Описанные ИС и ЭС имеют широкий круг областей применения:

1) Экологическое обоснование и планирование природоохранных мероприятий, выбор их приоритетности, оценка их экономических, технологических, экологических, социальных характеристик.

2) Нормирование сбросов загрязняющих веществ, тепловых, физических, климатических и любых других типов воздействий на биоту. Нормирование уровней водопотребления. Прогноз последствий изменения климата.

3) Проведение экологических экспертиз, обследований, паспортизаций, сертификаций.

4) Создание реестров экологического состояния используемых природных объектов.

5) Аналитическая поддержка экологического мониторинга.

6) Экологическое картирование гидрографических районов.

7) Совершенствование действующих программ экологического мониторинга.

Таким образом, информационная система “Экология пресных вод России” и создаваемая на ее базе экспертно-аналитическая система предоставляют в распоряжение пользователей современные программные инструменты, комплексно решающие все основные задачи экологического мониторинга: систематизацию и хранение данных, диагностику, анализ причин экологического неблагополучия, прогноз, управление качеством среды. Пользователями систем могут в частности быть специалисты по охране природы, органы санэпиднадзора, ресурсные ведомства, проектные организации, службы экологического и медицинского мониторинга, органы экспертизы, органы законодательной, исполнительной и судебной власти.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №99-07-90122).

Литература

Резюме

Предлагаемая информационная система (ИС) ориентирована на использование в качестве средства контроля природной среды России по биотическим показателям. ИС включает базу данных о качестве пресных вод по гидробиологическим показателям; базу данных первичных наблюдений за фитопланктоном, зоопланктоном, зообентосом, перифитоном, бактериопланктоном, макрофитами; базу данных о физико-химических характеристиках экосистем.