УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2013, том 133, № 1, с. 3-18
УДК 574.3:57.042
ПОДХОДЫ К НОРМИРОВАНИЮ КАЧЕСТВА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. МЕТОДЫ, АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ СИСТЕМЕ НОРМИРОВАНИЯ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
© 2013 г. Д. В. Рисник1, С. Д. Беляев2, Н. Г. Булгаков1, А. П. Левич1, В. Н. Максимов1, С. В. Мамихин1, Е. С. Милько1, П. В. Фурсова1, Е. Л. Ростовцева1
1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 2 ФГУП Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов, Екатеринбург E-mail: bulgakov@chronos.msu.ru
Описаны основные принципы и подходы к экологическому нормированию вредных воздействий на природные экосистемы, основанные на анализе биологического и физико-химического мониторинга in situ. Обсуждены возможности применения методов нормирования на основе фоновых и усредненных значений нормируемых показателей, на основе модельного анализа влияния абиотических компонентов на природные сообщества, на основе "in situ" - технологии установления локальных экологических норм. Представлены некоторые принципы, на которых строится экологическое нормирование. Описана классификация экосистем по степени их экологического качества.
Ключевые слова: экологическое нормирование, фоновые значения, средние значения, модельный анализ, влияние абиотических факторов на экосистемы, натурные нормативы, границы нормы, оценка качества среды, диагностика состояния экосистем, причины неблагополучия, прогноз состояния экосистем.
ПОДХОДЫ К ЭКОЛОГИЧЕСКОМУ НОРМИРОВАНИЮ, АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ ПДК
Нормирование химических воздействий на основе фоновых и усредненных значений нормируемых показателей
В предыдущей статье уже шла речь об использовании фонового значения некоторого показателя в качестве его допустимой величины. Так, например, находят предельные значения концентрации фосфатов, сульфатов и минерализации при расчете экотоксикологического критерия загрязнения вод (Моисеенко, 1995).
Также известен биогеохимический подход к расчету предельных значений химических элементов (особенно тяжелых металлов), которые одновременно являются естественными микро-
компонентами состава воды и распространенными примесями в морской среде (Патин, 1979). Каждый из таких элементов должен иметь свой биологически допустимый диапазон концентраций, в пределах которого организмы и сообщества имеют оптимальные условия для своей жизнедеятельности и функционирования в экосистеме, соответственно. Количественная оценка таких биогеохимических порогов экологической толерантности вычисляется по формулам:
Ь в = С + 2БЬ, Ь н = С -2^,
где Ьв и Ьн - соответственно верхний и нижний пороги, С - средняя концентрация вещества в воде, БЬ - стандартное отклонение совокупности результатов, использованных для оценки С. Множитель 2 - округленное значение ¿-критерия Стьюдента для 95%-й доверительной вероятности (уровне значимости а = 0.05). Приведенные формулы расчета не учитывают числа наблюдений в выборке и могут оказаться не совсем кор-
ректными из-за того, что стандартное отклонение не равно реальному среднеквадратическому отклонению распределения и имеет свою погрешность. При малом числе наблюдений, описанная методика интервального оценивания становится некорректной. Нормальный закон распределения необходимо заменить распределением Стьюден-та.
В работах (Гродзинский, 1988; Федоров и др., 1977) предложено при поиске критически допустимых точек на шкале значения фактора применять нормальный закон их распределения (наиболее часто встречающиеся или близкие к среднему значения фактора соответствуют экологическому благополучию). Исходя из этого, максимальные и минимальные значения фактора (хтах и хтЬ) находят из соотношения:
Ф
Ф
X + X т
= 1-
1- Р(а) 2 , 1- Р(а)
2
где Ф - функция нормированного нормального распределения, х - среднее значение фактора, вх - среднеквадратическое отклонение, Р(а) -доверительная вероятность (обычно принимают равной 0.8, 0.9, 0.95 или 0.99). Т.е., если привести формулу к более привычному виду, то она при— 6С — 6С мет вид: Стах = С + ^а; з ~/=г , Стт = С - ¿а; з ,
__уп уп
где С - средняя концентрация вещества в воде,
аС - среднее квадратичное отклонение, - коэффициент Стьюдента при заданной доверительной вероятности и бесконечном числе степеней свободы. Как видно из преобразованных формул, бесконечное число степеней свободы ¿-критерия Стьюдента обуславливает применимость данного уравнения только при наличии более 30-50 наблюдений фактора.
Г.С. Розенберг с соавторами (Розенберг и др., 2000, 2011) предлагает ввести региональные нормативы качества вод или бассейновые допустимые концентрации (БДК) при нормировании антропогенной нагрузки для веществ двойного генезиса или формирующихся под действием природных и антропогенных факторов.
Концепция регионального экологического нормирования основана на следующих положениях:
- антропогенное воздействие не должно приводить к нарушению экологического состояния водных объектов и ухудшению качества вод;
- в каждом отдельно взятом бассейне или его части (водохозяйственный участок) формируется особенный состав воды, свойственный данной водосборной территории и зависящий от природно-климатических условий;
- разработка и внедрение региональных допустимых концентраций направлено на сохранение и восстановление благоприятной среды обитания гидробионтов и нормальное функционирование экосистем;
- расчет региональных допустимых концентраций осуществляют на основе систематических данных наблюдений в различные экологические сезоны.
В качестве примера получения БДК по данным наблюдений на стационарном пункте были рассчитаны региональные нормативы качества вод (СРНКВ) Саратовского водохранилища по фосфатам и нитратам (Розенберг и др., 2011). За СРНКВ принимают верхнюю границу возможных средних значений концентраций этого вещества, рассчитанную по данным наблюдений на основе формулы, подробно обсуждавшейся в монографии А.В. Селезневой (Селезнева, 2007):
С
С С + I а
(Сс )
РНКВ ^С 1 1а:
4п
где СС - среднее значение концентрации вещества
в фоновом створе; ¿а;п - коэффициент Стьюдента при уровне значимости а = 0.05 (доверительная вероятность Р = 0.95); п - число наблюдений; б(Сс) - среднее квадратичное отклонение.
Величина С
РНКВ
является количественной
характеристикой содержания веществ в воде водного объекта при наиболее неблагоприятных ситуациях, обусловленных естественными и антропогенными факторами формирования качества вод водного объекта. Введение СРНКВ позволяет учесть природно-климатические особенности водных объектов. Таким образом, концепция расчета СРНКВ основана на принципе недопустимости изменения качества вод на величину, превышающую естественные колебания концентраций нитратов и фосфатов.
При этом имеется в виду, что бассейновое или региональное нормирование относится к узкому спектру веществ двойного генезиса (т.е. тех веществ, которые формируются и природой, и антропогенными факторами) (Селезнева, Селезнев, 2011). Они имеют природную особенность -характеризуют минерализацию - это катионы и анионы, биогены, которые формируют особенности природных водоемов. Когда речь идет о бас-
сейновых показателях, то имеется в виду их узкий спектр, который должен скорректировать 15 или 20 РХ ПДК, с тем чтобы внести этот фактор учета природных особенностей каждого природного объекта. Для небольшой реки применяют термин "бассейновый норматив". Если речь идет о больших реках, например, Волге или Лене, Иртыше или Амуре, то в этом случае нужно говорить о региональности формирования поверхностных вод на этих участках.
Расчеты для Саратовского водохранилища показали (Розенберг и др., 2011), что СРНКВ существенно отличаются от рыбохозяйственных ПДК (СПдК) (Перечень рыбохозяйственных нормативов..., 1999). По фосфатам СПдК превышают СРНКВ в 2.85 раза, а по нитратам в - 23.33 раза.
Стоит отметить, что СРНКВ по сути соответствует предельно допустимой нагрузке (Израэль, 1984). Вычисление подобных предельных концентраций по приведенным выше формулам требует, чтобы распределение концентрации вещества подчинялось нормальному закону, в противном случае использование таких параметров как среднее значение, дисперсия и коэффициент Стьюдента неправомерно. Т.е. перед использованием приведенных выше в данном разделе формул необходимо проверить распределение исходных данных на нормальность и только при условии, что распределение нормально, приступать к расчету концентраций, характеризующих предельные значения фактора. Нормальное распределение концентраций веществ в природных условиях встречается нечасто; в связи с этим представляется целесообразным использование в качестве предельных концентраций 95% квантили (квантили для доверительной вероятности Р = 0.95) распределения значений концентраций в фоновом створе. Это будет означать, что 95% значений концентрации, полученных в фоновом створе, ниже предельной концентрации, что не задает ограничений на вид распределения. В частном случае при нормальности распределения значение предельной концентрации, соответствующее 95% квантилю распределения значений, будет совпадать со значением, полученным по сумме среднего и доверительного интервала (см. формулы выше), причем с повышением числа наблюдений точность совпадения будет возрастать.
Альтернативный подход к учету вида распределения исходных данных предложен в гидролого-биохимическом подходе к оценке экологически допустимых уровней содержания тяжелых металлов (Фрумин, 2000; Фрумин и др., 1999). Подход базируется на комплексном учете трех аспектов.
1. Гидрологический аспект. За эталон нормального функционирования водной экосистемы приняты значения ее показателей в период ее полного водообмена. Т.е. анализ содержания металлов в водном объекте за данный период позволяет оценить статистическую норму (фоновые концентрации).
2. Биогеохимический аспект. Исходя из того, что гидробионты на протяжении определенного периода времени адаптировались к химическим факторам среды, можно утверждать, что существующие в настоящее время средние концентрации металлов в водных объектах
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.