Оценка биопродуктивности водоёмов с помощью ГИС

Моисеенко Т.И. (1), Гапеева М.В. (gmv@ibiw.yaroslavl.ru) (2),

Рогов А.В. (2)

(1) Институт водных проблем РАН, (2) Институт биологии внутренних вод РАН

В настоящее время базы данных являются одним из способов хранения и обработки информации. Географическая информационная система (ГИС) - это современная компьютерная технология, объединяющая традиционные операции работы с базами данных, такими как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. В рамках проекта РФФИ 04-07-90245 Разработка информационной системы Волга для мониторинга и рационального природопользования в бассейне р. Волга и Северном Каспии создан ряд баз данных по экологии водохранилищ Верхней Волги (www.ibiw.ru, раздел Проекты). С созданием баз данных возникает проблема их эффективного использования, и одним из направлений их использования является оценка биопродуктивности водоёмов.

Оценка уровня биопродуктивности водоёмов, как главной функциональной характеристики водоёма, лежит в основе трофической типизации озёрных экосистем. Истоки биологической классификации озёр по уровню их продуктивности относятся к 2030-м годам 20-го века. Тинеман [12] и Науман [13] предложили описательную терминологию разделения озёр на олиго -, мезо -, эвтрофные и дистрофные. Эти авторы показали, что уровень биологической продуктивности (трофия) тесно связан с абиотическими факторами среды, географическим положением водоёма и характером водосбора. Водоём при малом содержании биогенных элементов (прежде всего фосфора) в воде - олиготрофный, при большом - эвтрофный. Расположение любого водоёма на этой шкале от олиготрофного до эвтрофного называется его трофическим состоянием (уровнем). Хотя трофическое состояние определяется концентрациями биогенных веществ, содержащихся в водной массе, регулярные наблюдения за указанными параметрами проводить трудно. В качестве индикаторов биопродуктивности на практике используют параметры, тесно связанные с трофическим состоянием водоёма: биомасса, численность и видовой состав фитопланктона, концентрация хлорофилла а, глубина видимости диска Секи. Полный обзор существующих классификаций и показателей трофического типа озёр приведён в двух монографиях [3,6]. В работе [1] на основе статистической обработки массового материала выяснена зависимость развития первичной продукции, биомассы фито- и зоопланктона, зообентоса и ихтиомассы от гидрологических и биологических показателей озёр разных природных зон, а также составлены шкалы трофности для различных показателей (хлорофилл а, первичная продукция, биомассы фито - и зоопланктона, зообентоса, ихтиомасса и рыбопродукция). Однако, корреляция между отдельными индикаторами трофности водной среды не всегда достаточна, и водоём может быть отнесён к эвтрофному при использовании одного изиндикаторов, или мезотрофному (или даже эвтрофному) при выборе другого индикатора. Кроме того, значения индексов трофности претерпевают пространственную изменчивость, причём каждый отдельный показатель трофности может иметь свой пространственный тренд. Поэтому оценка трофности водоёма традиционно достигается использованием нескольких индексов по отдельности или в сочетании, путём расчёта общей оценки по отдельным индикаторам.

Современный этап развития проблемы классификации водоёмов характеризуется междисциплинарными исследованиями. Появились новые классификационные шкалы, среди которых особое внимание заслуживают так называемые нумерические [9]. Достоинством этих шкал является то, что в условном численном выражении от 0 до 100 они могут отражать непрерывный ряд трофических состояний водоёма и давать дробные границы его положения в пределах каждого трофического типа. Для представления таких пространственно-изменчивых показателей эвтрофирования и создания тематических карт, иллюстрирующих пространственное распределение обобщённых состояний продуктивности, используют технологии ГИС [10,11]. Основное достоинство ГИС заключается в возможности наложения различных слоёв карт, полученных из базы данных, в которой хранятся все параметры, характеризующие биопродуктивность водоёма [2]. Недавно Фу Лиу Ху с соавторами [10] применили технологию ГИС для оценки трофности озёр, используя ряд физических, химических и биологических индикаторов трофности, причём трофность здесь - мера интенсивности процесса новообразования органического вещества. Цель нашей работы - показать возможность ГИС технологий для оценки биопродуктивности водоёмов с использованием нумерической шкалы трофности расширенного круга параметров на примере озера и водохранилища , расположенных в Центральном регионе России.

Материалы и методы исследований

Материалом для расчёта индексов биологической продуктивности (ИБП) послужили данные по оз. Плещеево [4,5,7] и Уводьскому водохранилищу [8а-8в], которые относятся к бассейну р. Волга и хорошо изучены. Оба водоёма находятся в одной климатической зоне с достаточным увлажнением, в подзоне смешанных лесов. Морфометрические характеристики озера Плещеево: площадь водного зеркала-51.5 км , длина-9.5 км, наибольшая ширина -6.7 км, средняя ширина -5.4 км, наибольшая глубина - 24.3м. Озеро овальной формы, ложе характеризуется хорошо развитой литоральной зоной, центральная часть озера глубоководная. Его координаты: 56о4331 с.ш. и 38о4220 в.д. Уводьское водохранилище создано в 1939г. Площадь водного зеркала при НПУ 119.6 составляет около 17 км2. Водохранилище каньонного типа, с максимальными глубинами до 18 м со слабо развитой литоралью. Канал Волга-Уводь введён в эксплуатацию в 1968г, что увеличило средний расход воды на сбросе плотины почти на 2/3.

Для оценки биопродуктивности водоёмов нами были выбраны следующие параметры, характеризующие в конечной степени пищевую цепь: прозрачность, концентрация хлорофилла а, биомассы фито-, зоопланктона, зообентоса и ихтиомассу, измеренные в летний период. Именно в летний период выбранные параметры измерялись на одних и тех же станциях наблюдения. Нумерическую шкалу биопродуктивности строили на основании оценочных стандартов, предложенных в работах [1,10]:

100 гиперэвтрофный 0.12

Для расчёта уровня ИБП водоёмов использовали уравнение:

ИВП,= ИБПШ +((KrCmhk 1)/(Cmhk-Cmhk-i))*(ИБПк-ИБПЫ) [10],

где Kj -концентрация /-того параметра (/=прозрачность, биомассы фито-, зоопланктона, зообентоса, ихтиомасса), ИБП и ИБП-1 - это k и k-1 шкалы /-того параметра, Cm/rk и

Cmikk-1 - оценочные стандарты k-той и (k-1) шкал /-того параметра. При создании тематических карт, показывающих пространственное распределение уровней биопродуктивности по каждому отдельному параметру, применяли интерполяцию по методу обратно-взвешенных расстояний (ОВР) в программе ArcView версии 9.1 с пространственным разрешением для оз. Плещеево 120х65 м, для Уводьского водохранилища 150х100 м. Метод ОВР основан на вычислении весовых коэффициентов , с помощью которых взвешиваются значения экспериментальных значений в точках наблюдений. Это означает, что при прочих равных условиях, чем ближе точка данных к узлу сети, тем больший вес она имеет при определении значения интерполяционной функции в этом узле. Метод ОВР не может сгенерировать значения, выходящие за пределы диапазона исходных данных, является очень быстрым способом построения сеточной функции и широко используется для многих типов данных. Объединение (оверлей) и анализ тематических карт проводили по следующей схеме:

а) создание нумерической шкалы индексов биопродуктивности;

б) приложение этой шкалы ко всем пикселям-ячейкам на каждой тематической карте, здесь каждому пикселю соответствовала величина от 0 до 100, основанная на сравнении её первоначальной величины со шкалой биопродуктивности;

в) анализ 5-ти тематических карт на cell-by-cell основе. В результате создаётся карта, показывающая пространственное распределение уровней ИБП;

г) для создания карт обобщённых ИБП в процедуре оверлея использовано следующее уравнение для расчёта: ИБП=£ИБП *(1/количество показателей), в данной работе количество показателей равно 5.

Результаты исследований и их обсуждение

На рис.1 представлены распределения индексов биологической продуктивности, рассчитанные по прозрачности, хлорофиллу а, биомассам зоопланктона и зообентоса и ихтиомассе оз. Плещеево.

Рис.1. Пространственное распределение индексов биопродуктивности оз. Плещеево.

Из рисунка следует, что распределение ИБП, рассчитанных по прозрачности и по биомассе зообентоса, по всей акватории озера однородно и, за исключением устьев реки Трубеж и ручья Гремячий, соответствует мезотрофному (40-50%)типу водоёмов. ИБП, рассчитанный по хлорофиллу а, в устье р. Трубеж и истоке р. Вёкса соответствует эвтрофно-гипертрофному (70-80%), в северной части озера - мезотрофному. ИБП по биомассе зоопланктона делит озеро на две части по оси р. Трубеж-р. Вёкса: левую (6070%) и правую (50-60%). Неоднородно распределение ИБП по ихтиомассе: в литоральной части ИБП соответствует олиготрофному, в сублиторали -50-60%, в центральной части водоёма - 40-50%. Локально напортив устья р. Трубеж ИБП по ихтиомассе соответствует эвтрофному уровню водоёмов. Обобщённый уровень ИБП, полученный в результате процедуры оверлея, относит озеро Плещеево к мезотрофный водоёмам (40-50%), лишь на северо-востоке и юго-востоке озера локально наблюдается более низкая биопродуктивность (0-40%). ИБП Уводьского водохранилища (рис.2), рассчитанные по тем же параметрам, что и для оз. Плещеево, распределяются по акватории водохранилища гетерогенно, что связано, прежде всего, с особенностями морфометрии и гидролого-гидрохимического режима водоёма. Уводьское водохранилище подразделяют на ряд участков-плёсов, принимающих водный сток разного объёма и генезиса (рис.3) [8]. По прозрачности воды основная часть водохранилища соответствует мезотрофному типу водоёмов. Индекс биологической продуктивности, рассчитанный по хлорофиллу, в Красоткинском плёсе, куда впадает вода из канала Волга-Уводь, отвечает эвтрофно-гиперэвтрофному (70-80%) состоянию водоёмов, в Приплотинном плёсе мезотрофно-эвтрофному типу, далее к северу водохранилища значения ИБП снижаются в Колбаскинском и Иванковском плёсах соответствует уже мезотрофному состоянию. ИБП, рассчитанный по зоопланктону, характеризует водохранилище как мезотрофный водоём, причём биопродуктивность по зоопланктону увеличивается с севера (40-50%) к югу (5060%). Локально в южной части водоёма наблюдаются более продуктивные состояния (6070%).Распределение ИБП по биомассе зоопланктона делит водохранилище на две части -северную, со значениями ИБП 40-50% и южную -0-40%. Рассчитанный по ихтиомассе ИБП характеризует водохранилище как малопродуктивный водоём. В целом распределение обобщённого ИБП характеризует Уводьское водохранилище как водоём средний по биопродуктивности (40-50%) и лишь Колбаскинский плёс мало продуктивен.

ИБП Биомасса ИБП Биомасса ИБП Бентос

фитопланктона зоопланктона

Рис.3. Схема расположения станций наблюдений и плёсов Уводьского водохранилища.

1-Колбаскинский, 2- Иванковский, 3- Уводьской, 4- Центральный, 5- Красоткинский, 6-Приплотинный

Рис.2. Пространственное распределение ИБП для Уводьского водохранилища.

Заключение

Показано, что использование возможностей технологий ГИС позволяет дать представление о пространственном распределении показателей биопродуктивности водоёмов как по отдельно выбранным параметрам, так и в их совокупности. Полученные результаты могут представлять большой интерес не только для водопользователей, но и для исследователей водных экосистем.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант 04-07-90245. Литература

1. Китаев С.П. Экологические основы биопродуктивности озёр разных природных зон. Москва: Наука. 1984.207с.

2. Комплексные гидробиологические базы данных: ресурсы, технологии и использование; адаптации гидробионтов. Материалы молодёжных школ, г. Азов, октябрь 2005г. Ростов на Дону: ЮНЦ РАН,2005. 252с.

3. Теоретические вопросы классификации озёр. СПб: Наука.1993.192с.

4. Когда Россия молодая мужала с гением Петра. Тр. Всесоюзной науч. конф. Переславль-Залесский 30.06.-2.07 1992г. 1992. вып.3, 106с.

5. Функционирование озёрных экосистем. Тр. ИБВВ АН СССР. 1983.вып.52(54).181с.

6. Хендерсон-Селлерс Б., Маркленд Х.Р. Умирающие озёра. Причины и контроль антропогенного эвтрофирования. Л.: Гидрометеоиздат.1990.279с.

7. Экосистема озера Плещеево. Л.:Наука.1989.264с.

8а. Экология, биоразнообразие и систематика водных беспозвоночных: ч.1 Деп.

ВИНИТИ 17.01.2000, № 73-В2000. 8 б. Экология, биоразнообразие и систематика водных беспозвоночных: ч.2. Деп.

ВИНИТИ 16.03.2001, № 665-В2001. 8в. Экология, биоразнообразие и систематика водных беспозвоночных: ч.3 Деп.

ВИНИТИ 14.01.2002, № 55-В2002.

9. Carlson R.E. A trophic state index for lakes. Limnol. and Oceanogr. 1977. V.22, №2, P.361-369.

10. Fu-Liu Xu, Shu Tao, R.W.Dawson, Beng-Gang Li. A GIS-based method of lake eutrophication assessment. Ecological Modell. 2001. V.144. P.231-244.

11. Kitsiou Dimitra, Karydis Michael. Categorical mapping of marine eutrophication based on ecological indices. Science Tot. Environ.2000.V.255.P.113-127.

12. Naumann E. Grundzuge der regionale Limnologie. Binnengewasser. 1932. Bd.11,

S.291-323.

13. Thienemann A. Die Binnengewasser Mitteleupas. Binnengewasser. 1925. Bd.1.S.1-

255.