CC BY
19
УДК. 556.114. Г. С. Симонян
АНАЛИЗ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ РЕК ГЕХАРОТ, АХВЕРД И ГЕТАР С ПОМОЩЬЮ АРМЯНСКОГО ИНДЕКСА КАЧЕСТВА ВОДЫ
В статье впервые с помощью армянского индекса качества воды оценено качество воды рек Гехарот, Ахверд и Гетар. Установлено, что армянский индекс качества воды имеет прямолинейную зависимость от индекса загрязнённости воды, удельно-комбинаторного индекса качества воды, энтропийного индекса качества воды и обратную зависимость от канадского индекса качества воды. Качество вод рек оценено также с помощью фоновых концентраций.
Ключевые слова: река, индексы качества воды, армянский индекс качества воды, Армения. DOI: 10.24411 /2227-1384-2020-10040
Введение
Изучение экологического состояния воды поверхностных вод, в том числе рек, имеет важное значение как для оценки качества воды данных водных объектов, так и для их дальнейшего рационального использования. Разработка методов оценки качества воды с помощью условных показателей, комплексно учитывающих различные свойства поверхностных вод, является важной проблемой. Для оценки степени загрязнённости воды используются комплексные показатели, которые позволяют количественно оценить загрязнённость воды одновременно по широкому перечню показателей качества. В Республике Армения для оценки качества поверхностных вод используются Индекс загрязнения воды (ИЗВ), Канадский индекс качества воды (КИКВ) и Удельно-комбинаторный индекс качества воды (УКИКВ) [1; 2; 7; 8]. Следует отметить, что большинство разработанных к настоящему времени комплексных характеристик состояния водных объектов так или иначе связано с существующими предельно допустимыми концентрациями (ПДК).
В соответствии с Водной рамочной директивой (ВРД) (2000/60/ЕС), разработанной Европейским союзом (ЕС), все европейские поверхностные воды должны быть в хорошем экологическом состоянии после 2015 года, а водные объекты с некачественной водой должны быть улучшены посредст-
Симонян Геворг Саркисович — кандидат химических наук, доцент, доцент кафедры неорганической и аналитической химии (Ереванский государственный университет, Ереван, Армения); е^аИ: sim-gev@ mail.ru, [email protected].
© Симонян Г. С., 2020
72
вом целевых изменений качества до лучшего состояния. Каждое государство, являющееся членом ЕС, разработало схемы для классификации качества воды в соответствии с ВРД [16]. Например, оценка качества воды в бассейне реки Дунай по программе ВРД ЕС (2000/60/ЕС) проводится по отдельным показателям [9; 21]. В этой схеме классификации показатели делятся на пять классов. 1-ый класс называется «эталоном», или фоновой концентрацией; 2-ой класс — это целевое значение, которому необходимо следовать; 3 — 5 классы являются частью «неисполнимой» схемы классификации, и их значения обычно в 2—5 раз превышают целевое значение.
Так, правительство Республики Армения («Постановление № 75-М от 27 марта 2011 года») устанавливало новую систему оценки качества поверхностных вод в Армении для каждого показателя качества воды, для каждого водотока [20]. Преимуществом новых норм качества воды в Армении является то, что, во-первых, классификация экологических норм основана на естественных ФК, а, во-вторых, выбор показателей был сделан с учётом нагрузки на поверхностные воды Республики Армения (в основе 43 показателя воды).
В последние годы для комплексной оценки качества поверхностных вод нами предлагался энтропийный индекс качества воды (ЭИКВ) и Армянский индекс качества воды (АИКВ) [12; 13; 15; 16; 18].
С использованием индексов ЭИКВ и АИКВ была проведена комплексная оценка качества поверхностных вод [12; 13; 15; 16; 18] и сделан структурный анализ состояния биологических систем на уровне белков, рибонуклеиновой кислоты, клетки [5; 6] и структурный анализ состояния деревьев [19] и нафтидных систем [17].
Целью данной работы является оценка качества воды рек Гехарот, Ахверд и Гетар с помощью Армянского индекса качества воды (АИКВ) и по ВРД с использованием ФК.
Методика расчёта
В гидроэкологических системах могут идти процессы как с возрастанием, так и с уменьшением энтропии. 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 энтропия и информация связал Шеннон [14]. 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 х с N возможными состояниями рассчитывается по формуле:
73
где Р; — вероятность частоты встречаемости некоторого события.
Впервые для оценки степени структурированности биоценозов Мак-Артур в 1955 г. использовал общее уравнение энтропии Шеннона [10]. В 1957 г. Р. Маргалеф постулировал теоретическую концепцию, согласно которой разнообразие соответствует энтропии при случайном выборе видов из сообщества [11]. В результате этих работ большое распространение и повсеместное признание получил индекс Шеннона Н, иногда называемый информационным индексом разнообразия Шеннон [14]:
Загрязнённость водных систем можно представить как систему тех гидрохимических показателей (элементов), концентрация которых превышает ПДК. Тогда в уравнении Шенона р1 — вероятность числа случаев превышения ПДК ;-го вещества или показателя воды из общей суммы случаев превышения ПДК — М Р; = т / N.
I — геоэкологическая синтропия [4; 13].
Для расчёта значений I, Н, ЭИКВ и АИКВ пользуемся следующим вычислительным алгоритмом:
1. Определяются числа случаев превышения ПДК г-го вещества или показателя воды -п;
2. Оценивается общая сумма случаев превышений ПДК(_М) — N = £п;
3. Вычисляются log2N, П^2П и £ nlog2n;
4. Рассчитывается геоэкологическая синтропия (I) и энтропия (Н):
6. Далее оценивается общая сумма кратности превышений ПДК(М) - М = £т;
7. Вычисляется log2 М;
8. Определяется Армянский индекс качества воды:
N
! = 1
H = -Eni / N log2 (ni/ N).
H = log2 N - £ nlog2n / N, H = log2 N -1, I = £ nlog2n / N,
I = £ п^2п / N и Н = log2N -1; 5. После чего определяется ЭИКВ:
в = Н /1;
АИКВ = G + 0,1 log2 М.
74
Таблица 1
Классификация качества воды по ЭИКВ и АИКВ
ЭИКВ АИКВ Качество воды Класс качества воды
< 0,7 < 1,1 Отличное 1
0,7-1,0 1,1-1,4 Хорошее 2
1,0-1,4 1,4-1,8 Умеренное 3
1,4-1,7 1,8-2,1 Неудовлетворительное 4
> 1,7 > 2,1 Плохое 5
По решению правительства Республики Армения «Об установлении стандартов обеспечения качества воды для каждого района управления водным бассейном», есть пять классов: «отлично» (1-й класс), «хорошо» (2-й класс), «посредственно» (3-й класс), «недостаточно» (4-й класс) и «плохо» (5-й класс). Каждый класс обозначается цветом (таблица 2). Обшая оценка химического качества воды формируется классом самого низкого показателя качества. Так, если разные показатели качества поверхностного водного объекта попадают в разные классы качества, окончательная классификация определяется как худшая. Применяется следующий принцип: «Если кто-то в плохой форме, значит, все в плохом состоянии» или принцип «Кто-то вышел — все вышли».
Таблица 2
Классификация качества воды по ВРД ЕС
Класс качества воды Оценка Качество воды
1 Отличное
2 Хорошее
3 Умеренное
4 Неудовлетворительное
Плохое
Результаты и их обсуждение
Гехарот — быстротекущая река в Армении длиной 28 км, протекающая в Арагацотнской области; является правым и одним из крупнейших притоков реки Касах. Исток реки расположен на вершине горы Арагац. На реке расположен относительно высокий водопад. На реке Гехарот расположены два мониторинговых поста: № 48 — 1,7 км выше от с. Арагац, № 49 — у устья реки. На реке Ахверд расположен мониторинговый пост № 50 — 1,7 км ниже с. Парпи. Гетар — река в Армении длиной 24 км. Берёт начало на территории Котайкской области, протекает через центральную часть Еревана и впадает в Раздан. Исток расположен между сёлами Акунк и Катнахбюр в западной части Гегамских гор. Река протекает через Аван-Ариндж и соединяется с рекой Раздан в Ереване. На реке расположен мониторинговый пост № 59 — у устья реки [3].
Установлено, что в воде р. Гетар регулярно превышаются величины БПК5 и концентрации ионов нитрита и аммония, что обусловлено загрязнением воды бытовыми сточными водами. Показано, что воды
75
р. Гетар загрязнены также некоторыми металлами. Так, в речной воде регулярно превышается ПДК меди, хрома, ванадия и алюминия. Например, показатели поста № 59: для БПК5, NO2-, МН+, V, Си, А1 и Сг число случаев превышения ПДК соответственно в 7, 12, 12, 12, 4 и 9 раз.
Сумма случаев превышения ПДК — N = 57; = 185,15;
I = 185,15 / 57 = 3,248; Н = Ъ%1 57 - 3,248 = 2,546; С = 3,248 / 2,546 = 0,7834. Общая сумма кратности превышения ПДК — М = = 43, ¡о%2 М = 5,423; А = 0,7834 + 0,5423 = 1,326 (см. табл. 3).
Таблица 3
Энтропийный и Армянский индексы качества воды рек Гехарот, Ахверд и Гетар
Река Гехарот Ахверд Гетар
Посты 48 49 50 59
Показатели n nlog2n n nlog2n n nlog2n n nlog2n
БПКв 0 0 0 0 0 0 7 19,64
NH4+ 0 0 0 0 0 0 12 43
N02" 0 0 6 15,510 0 0 12 43
Л: 6 15,51 6 15,510 5 11,61 1 0
V 0 0 3 4,755 7 19,64 12 43
Си 5 11,61 0 0 0 0 4 8
Мп 6 15,51 0 0 0 0 0 0
6 15,51 0 0 0 0 0 0
Сг 0 0 0 0 0 0 9 28,51
N 23 15 13 57
58,14 37,775 31,25 185,15
I 2,53 2,385 2,404 3,248
Н 2,0 1,519 1,294 2,546
Бдш1 0,7869 0,6372 0,5383 0,7834
М = Ет 115,2 6,5 14,5 43
1о%2М 6,844 2,699 3,855 5,423
лдш 1,4713 0,9074 0,9239 1,3260
Качество вод рек Гехарот, Ахверд и Гетар комплексно оценено также с помощью других индексов качества воды: ИЗВ, ЭИКВ, КИКВ и УКИКВ (см. табл. 4).
Таблица 4
Индексы качества воды рек Гехарот, Ахверд и Гетар
Индексы АИКВ ЭИКВ ИЗВ КИКВ УКИКВ
48 1,4713 0,7869 1 50,7 2,31
49 0,9074 0,69372 1,18 69,89 2,55
50 0,9239 0,5383 2,75 74,25 1,38
59 1,3260 0,7834 6,37 57,53 2,82
С помощью компьютерной программы «Origm-6» был проведён анализ линейной взаимосвязи между АИКВ и другими ИКВ:
АИКВ = а + ИКВ.
76
АИКВ = (1,088 ± 0,281 + (0,024 ± 0,079)-ИЗВ; R2 = 0,21287; N = 4;
АИКВ = (0,688 ± 0,668) + (0,207 ± 0,287>УКИКВ; R2 = 0,45412; N = 4;
АИКВ = -(0,231 ± 0,719) + (1,982 ± 1,016)-ЭИКВ; R2 = 0,80958; N = 4;
АИКВ = (2,779 ± 0,229) - (0,026 ± 0,004>КИКВ; R2 = 0,98100; N = 4.
Показано, что АИКВ имеет прямолинейную зависимость от ИКВ, УКИКВ, ЭИКВ и обратную зависимость от КИКВ.
Таким образом, впервые с помощью АИКВ оценено качество воды рек Гехарот, Ахверд и Гетар. Установлена корреляция между АИКВ и другими индексами качества воды. Показано, что вода мониторингового поста реки Гехарот умеренного качества.
С 2013 года в Армении качество воды рек оценивается по новым стандартам с использованием фоновых концентраций. Результаты приведены в таблице 5.
Таблица 5
Классы качества воды рек Гехарот, Ахверд и Гетар
Год 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019
48
49
50
59
Качество воды в реке Гехарот выше от села Арагац в 2013 году было оценено как «плохое» (5-й класс) из-за марганца, кобальта, бора и алюминия. В 2014—2015 гг. — вода «хорошего» качества (2-й класс), в 2016 г.— вода среднего качества (3-й класс) из-за марганца, а в 2017 г. — среднего качества: (3-й класс) по содержанию железа, цинка, никеля, бора и алюминия, (5-й класс) по марганцу и кобальту. В 2017— 2019 годах вода была оценена как «плохая» (5-й класс) из-за марганца и кобальта, бора и алюминия.
В устье реки Гехарот в 2013 и 2014 годах вода имеет «среднее» качество (3-й класс) за счёт ионов аммония и фосфата. В 2015 году имеет 4-й класс из-за нитрат-иона и общего неорганического азота, а в 2016 году вода имеет «неудовлетворительное» качество (4-й класс) из-за ионов аммония, нитрита и нитрата. В 2017 году — «среднее» качество (3-й класс) по железу. В 2018 году — неудовлетворительное» качество (4-й класс) из-за нитрит-иона, и в 2019 году — «среднее» (3-й класс) из-за ХПК, аммонийного, нитрита и нитрат-ионов, марганца, железа, калия, общего неорганического азота и добавок.
Качество воды в реке Ахверд ниже села Парпи было оценено в 2013 году как «хорошее» (2-й класс). В 2014—2019 гг. — «среднее» (3-й класс) из-за фосфат-иона и ванадия, а в 2014 — 2019 гг. — также из-за железа и общего фосфора.
Качество воды реки Гетар в устьевом участке в 2013 — 2019 годах было оценено как «плохое» (5-й класс) из-за аммония, нитрита, фосфат-ионов и ванадия.
77
Таким образом, установлено, что для рек Гехарот, Ахверд и Гетар армянский индекс качества воды имеет прямолинейную зависимость от индекса загрязнённости воды, удельно-комбинаторного индекса качества воды, энтропийного индекса качества воды и обратную зависимость — от канадского индекса качества воды. Качество вод рек в 2013 — 2019 гг. оценено также с помощью фоновых концентраций.
Список литературы
1. Маргарян Л. А., Минасян С. Г., Пирумян Г. П. Сравнение канадского и удельно-комбинаторного индексов качества воды при оценке загрязнённости р. Раздан / / Вода и экология: проблемы и решения. 2008. № 3. C. 57 — 64.
2. Никаноров А. М. Научные основы мониторинга качества воды. СПб.: Гидроме-теоиздат, 2005. 577 с.
3. Саргсян В. О. Воды Армении. Ереван: ЕГУАС, 2008. 208 с.
4. Симонян Г. С. Оценка состояния гидроэкологических систем в свете синергиче-ской теории информации / / Экологическая безопасность и природопользование: наука, инновации, управление: материалы Всероссийской научно-практической конференции. Махачкала: АЛЕФ, 2013. С. 275—280.
5. Симонян Г. С. Хаос и порядок биологических систем в свете синергической теории информации // Современные проблемы химической физики: тезисы докладов Международной конференции. Ереван, 2012. С. 227—228.
6. Симонян Г. С., Симонян А. Г. Энтропийный подход к оценке хаоса и порядка биологических систем / / Успехи современного естествознания. 2015. № 9. С. 100 — 104.
7. Шитиков В. К., Розенберг Г. С., Зинченко Т. Д. Количественная гидроэкология: методы, критерии, решения. В 2 кн. Кн. 1. М.: Наука, 2005. 281 с.
8. CCME Water Quality Index. Technical Report. Excerpt from Publication No. 1299; ISBN 1-896997-34-1. URL: https://www.ccme.ca/files/Resources/calculators/ WQI % 20User' s % 20Manual % 20(en). pdf
9. Directive 2000/60/EC of the European Parlament and of the Council of 23 October 2000 establishing a frameworc for Community action in the field of water policy.
10. MacArthur R. M. Fluctuation of animal populations and measure of community stabiliry // Ecology. 1955. Vol. 36. № 3. P. 533—536.
11. Margalef R. Information theory in ecology / / International Journal of General Systems. 1958. Vol. 3. P. 36.
12. Pirumyan G. P., Simonyan G. S., Margaryan L. A. Geoecological Evaluational Integrating Index of Natural Waters and other Systems. Yerevan, 2019. 244 p.
13. Pirumyan G., Pirumyan E., Simonyan G., Simonyan A. Method of determining the level of water pollution. RA Patent, № 3063A. 2016.
14. Shannon C. E. A Mathematical Theory of Communication // The Bell System Technical Journal. 1948. Vol. 27. p. 379.
15. Simonyan A. G. Analysis of the environmental status of the river Voghji with Armenina index of water quality. Proceedings of YSU, Series Chemistry and Biology. 2016. No 2. pp. 20 — 24.
16. Simonyan A. G., Pirumyan G. P., Simonyan G. S. Analysis of environmental status of the Kechut Artificial Reservoir and river Arpa with armenian index of water qualiti / / Austrian Journal of Technical and Natural Sciences, «East West» Association for Advanced Studies and Higher Education GmbH. Vienna. 2016. № 7—8. P. 37—41.
78
17. Simonyan G. S. Evaluation of the influence of nitrogen on the stability of naptic systems with the help of geo-ecological evolving organized index / / Oxidation Communications. 2019. Vol. 42. No 3. P. 329-336
18. Simonyan G. S., Simonyan A. G., Pirumyan G. P. Systemic-entropy approach for estimating the water quality of a river// Oxidation Communications. 2018. Vol. 41. № 2. P. 307- 317.
19. Simonyan G. S., Simonyan A. G., Sayadyan M. L, Sarsekava D. N, Pirumyan G. P. Analysis of Environmental Status of Wood and Shrub Vegetation by the Armenian Index of Environmental Quality / / Oxidation Communications. 2018. Vol. 41. № 4. P. 533 — 541.
20. The RA Government Decree N75-N of 27 March 2011 "On the Establishment of Water Quality Standards for Each Water Basin Management Area Depending on the Territory Peculiarities".
21. Water quality in the Danube River Basin-2004, Yerbook. International Comunicions for the Danube River, 2005
* * *
Simonyan Gevorg S.
ANALYSIS OF THE ECOLOGICAL STATE OF THE GEHAROT, HACHVERD AND GETAR RIVERS USING THE ARMENIAN WATER QUALITY INDEX
(Yerevan State University, Yerevan, Armenia)
In this article, the quality of water in the rivers Geharot, Hachverd and Getar Megri and Vedi was estimated with the help of the Armenian water quality index. It is established that the Armenian water quality index has a linear dependence on the water pollution index, the specific water quality index, the entropy index of water quality and the inverse dependence on the Canadian water quality index. Since 2013 the quality of rivers water has been assessed by the new standards for background concentrations.
Keywords: river, water quality indices, аrmenian water quality index, Armenia. DOI: 10.24411/2227-1384-2020-10040
References
1. Margaryan L. A., Minasyan S. G. Pirumyan G. P. Comparison of the Canadian and Specifi c Combinatorial indexes of water quality in the estimarion of the river Razdan pollution density [Sravnenie kanadskogo i udelno-kombinatornogo indeksa iachestva vodi pri ocenke zagrjaznennosti r. Rasdan], Voda i ekologiya: problemy i resheniya, 2008, no. 3, pp. 57— 64.
2. Nikanorov A. M. Nauchnie osnovi monitoringa kachestva vodi (Scientifi c basis for water quality monitoring), Saint Petersburg, Gidrometeoizdat Publ., 2005. 577 p.
3. Sargsyan V. O. Vodi Armenii [Armenian Water], Yerevan, YSUAB Publ., 2008. 208 p.
4. Simonyan G. S. Assessment of hydrogeological systems in the light of information theory synergistic [Ocenka sostojanija gidroekologicheskix sistem v svete sinergicheskoj teorii informacii], Ekologicheskaya bezopasnost' i prirodopol'zovaniye: nauka, innovatsii, upravleniye: materialy Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii (Proceedings of the All-Russian scientifi c-practical conference. Environmental safety and Nature: Science, Innovation, upravlenie), Mahachkala, ALEPH Publ., 2013, pp. 275 — 280.
5. Simonyan G. S. Chaos and the order of biological systems in the light of the synergistic theory of information [Chaos i porjasok biologicheskich sistem v svete sinergicheskoj teorii informacii], Sovremennyye problemy khimicheskoy fiziki: tezisy dokladov
79
Mezhdunarodnoy konferentsii (Internationa! Conference "Modern Problems of Chemical Physics"), Yerevan, 2012, p. 227-228.
6. Simonyan G. S., Simonyan A. G. Entropy approach to the assessment of chaos and the order of biological systems [Entropijnij podxod k ocenke caosa i porjadka biologicheskich sistem], Uspekhi sovremennogo yestestvoznaniya, 2015, no. 9, pp. 100—104.
7. Shitikov V. K., Rosenberg G. S., Zinchenko T. D. Kolichestvennaja gidroekologia, metodi, kriterii, reckenija (Quantitative hydroecology: methods, criteria, decisions), in 2 books, Book 1, Moscow, Nauka Publ., 2005. 281 p.
8. CCME Water Quality Index. Technical Report. Excerpt from Public, 2001, no. 1299, ISBN 1-896997-34-1,Winnipeg.
9. Directive 2000/60/EC of the European Parlament and of the Council of 23 October 2000 establishing a frameworc for Community action in the field of water policy.
10. MacArthur R. M. Fluctuation of animal populations and measure of community stabiliry, Ecology, 1955, vol. 36, no. 3, pp. 533 —536.
11. Margalef R. Information theory in ecology, International Journal of General Systems, 1958, vol. 3, p. 36.
12. Pirumyan G. P., Simonyan G. S., Margaryan L. A. Geoecological Evaluational Integrating Index of Natural Waters and other Systems, Yerevan, Copy Print LTD, 2019, 244 p.
13. Pirumyan G., Pirumyan E., Simonyan G., Simonyan A. Method of determining the level of water pollution, RA Patent, 2016, no. 3063A.
14. Shannon C. E. A Mathematical Theory of Communication, The Bell System Technical Journal, 1948, vol. 27, p. 379.
15. Simonayn A. G. Analysis of the environmental status of the river Voghji with Armenina index of water quality. Proceedings of YSU, Series Chemistry and Biology, 2016, no. 2, pp. 20 —24.
16. Simonyan A. G., Pirumyan G. P., Simonyan G. S. Analysis of environmental status of the Kechut Artificial Reservoir and river Arpa with armenian index of water quality, Austrian Journal of Technical and Natural Sciences, 2016, no. 7—8, pp. 37—41.
17. Simonyan G. S. Evaluation of the influence of nitrogen on the stability of naptic systems with the help of geo-ecological evolving organized index, Oxidation Communications, 2019, vol. 42, no. 3, pp. 329—336.
18. Simonyan G. S., Simonyan A. G., Pirumyan G. P. Systemic-entropy approach for estimating the water quality of a river, Oxidation Communications, 2018, vol. 41, no. 2, pp. 307—317.
19. Simonyan G. S., Simonyan A. G., Sayadyan M. L., Sarsekova D. N., Pirumyan G. P. Analysis of Environmental Status of Wood and Shrub Vegetation by the Armenian Index of Environmental Quality, Oxidation Communications, 2018, vol. 41, no. 4, pp. 533 — 541.
20. The RA Government Decree N75-N of 27 March 2011 "On the Establishment of Water Quality Standards for Each Water Basin Management Area Depending on the Territory Peculiarities".
21. Water quality in the Danube River Basin-2004, Yerbook. International Comunicions for the Danube River, 2005.
* * *
80
