XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Применение методов дистанционного зондирования Земли и биоиндикации для обследования состояния малых рек

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Орлова А.В. 1

---

1МАОУ «Лицей 67 г.Челябинска»

Ватутина Е.А. 1

---

1МАЛУ «Лицей 67 г. Челябинска»

Работа в формате PDF

3.2 MB

Введение

В 70-х годах прошлого века были сформированы методологические принципы функционирования наблюдений за загрязнением объектов окружающей среды, которые преимущественно включали инструментальные измерения непосредственно в полевых условиях, а также отбор проб и проведение испытаний в лабораториях [4].

Одним из важных методов определения состояния окружающей среды, в том числе и водных объектов, является биоиндикация. Биологические методы основаны на поведенческих, физиологических и биохимических реакциях организмов на тот или иной вид загрязнения. Биоиндикация позволяет обнаружить воздействия на водоем, предшествующие времени анализа, последствия разового или прерывистого загрязнения, тогда как результаты физико-химического метода относятся лишь к моменту взятия проб. Состав же водных сообществ характеризует качество среды за длительное время. Данные о видовом составе и количественном развитии гидробионтов позволяют судить не только о степени и продолжительности загрязнения водоема, но и о его способности к самоочищению [1].

В XXI веке современные подходы к исследованиям включают не только полевое обследование и лабораторные испытания, но и дистанционные методы. Дистанционное зондирование Земли (далее – ДЗЗ) в настоящее время является наиболее интенсивно развивающимся способом получения актуальных и объективных данных о происходящих процессах и явлениях. Дешифрирование космических снимков становится одним из важнейших методов получения данных о состоянии окружающей среды, в том числе водных объектов [5].

Однако, на данном этапе развития науки данные ДЗЗ не способны в полной мере заменить натурные данные. В том числе с помощью космоснимков не возможно провести осмотр растений – биоиндикаторов и получить некоторые количественные характеристики.

В данной работе выполнено обследование состояния малых рек Зюзелга и Биргильда, расположенных на территории Челябинской области. Загрязнение водных объектов, в том числе малых рек (длиной до 100 км) являются одной из главных проблем региона. Малые реки в значительной степени выполняют функцию регулятора водного режима территории, осуществляя перераспределение влаги. Малые реки наиболее восприимчивы к антропогенному воздействию. Важно своевременно выявлять ухудшение их состояния.

В целях корректной оценки экологического состояния водных объектов использован комбинированный подход, объединяющий данные полевого обследования и ДЗЗ. По результатам выполнения работы получены сведения о состоянии рек и предложены мероприятия для их экологической реабилитации.

Объекты исследования:

- река Зюзелга;

- река Биргильда.

Методы исследования:

- визуальное обследование водных объектов;

- определение преобладающего вида ряски;

- определение удельной массы погруженной растительности (ряски);

- вычисление общей массы ряски на участке реки с помощью космоснимков.

Цель выполнения работ:

Ведение наблюдений за состоянием рек Зюзелга и Биргильда. Определение экологического состояния водотоков с помощью визуального осмотра, методов биоиндикации и данных дистанционного зондирования Земли. Разработка мероприятий по оздоровлению рек.

Задачи выполнения работ:

- выезд на место и описание состояния рек по результатам осмотра;

- отбор погруженных в воду растений с определением вида;

- определение веса погруженной растительности в мокром и сухом состоянии;

- определение площади распространения ряски на участке реки с помощью дешифрирования космоснимков;

- разработка мероприятий по оздоровлению водотоков;

- разработка предложений по использованию ряски в народном хозяйстве.

Личный вклад автора состоял в изучении литературы по вопросу исследования, непосредственное участие в проведении обследования водотоков, работу с определителем видов растений, проведении измерений веса ряски, расчете площади распространения ряски и массы ряски с использованием общеизвестных формул, участие в анализе результатов работы.

1 Характеристика объектов исследования

Река Зюзелгавпадает в реку Миасс ниже города Челябинска. Длина реки составляет 65 км [2]. Место обследования реки расположено в селе Долгодеревенское Сосновского муниципального района (рис. 1 Приложение 1).

Река Биргильдавпадает в реку Миасс до города Челябинска, вблизи Шершневского водохранилища – единственного источника питьевой воды города Челябинска. Длина реки составляет 36 км [2]. Место обследования реки расположено в деревне Бутаки Сосновского муниципального района (рис. 2 Приложение 1).

2 Описание результатов исследований

2.1 Описание состояния водных объектов

Визуальное обследование выполнено в сентябре 2022 года.

Река Зюзелга

Река протекает по застроенной территории. Рядом с местом обследования расположен пешеходный мост, жилые дома и школа (рис. 3а Приложение 2). Берега реки заросли кустарником и высшей водной растительностью (рис. 3б Приложение 2). Большая часть водной поверхности покрыта ряской (рис. 3в Приложение 2). Вода в реке прозрачная (рис. 4 а, б Приложение 2).

Река Биргильда

Река протекает по застроенной территории. Берега реки заросли кустарником и высшей водной растительностью. Большая часть водной поверхности покрыта ряской (рис. 5 а, б Приложение 2). В воде замечена дохлая рыба. Вода более мутная, чем в реке Зюзелга.

2.2 Определение вида ряски в реках Зюзелга и Биргильда

Ряска представляет собой водное, свободно плавающее, многолетнее травянистое растение. Она встречается в хорошо прогреваемых поверхностных водных объектах с пресной, стоячей или медленно текучей, богатой органическими веществами водой. Часто рясковые образуют большие скопления – сплавины, сплошь покрывающие поверхность стоячих неглубоких поверхностных водных объектов. Рясковые играют достаточно важную роль как в природных экосистемах (это корм для многих рыб, околоводных птиц и млекопитающих), так и непосредственно для человека [6]. В поверхностных водных объектах умеренного климатического пояса встречается четыре вида ряски (рисунок 6 Приложение 3).

Обилие ряски трехдольной говорит о большом количестве в среде биогенных веществ, развитие ряски маленькой и многокоренника свидетельствует о сельскохозяйственном загрязнении. Многокоренник способен развиваться на концентрированных стоках животноводческих комплексов. Локальное интенсивное развитие рясковых указывает на места поступления биогенных веществ в водоемы [6].

По внешним признакам было определено, что на реке Зюзелга получила распространение ряска горбатая, так как она имеет округлый щиток, с нижней стороны отчетливо выражено вздутие (рис. 7 Приложение 3). На реке Биргильда определена ряска малая.

По результатам обследования установлено следующее:

в реке Биргильда – мутная вода, дохлая рыба, водоем полностью покрыт ряской малой;

в реке Зюзелга – вода чистая и прозрачная, часть водоема покрыта ряской горбатой.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что река Зюзелга находится в более благоприятном экологическом состоянии, чем река Биргильда.

2.3 Отбор ряски и определение массы

Ряска может служить кормом для домашних животных и птиц. В том числе ее добавляют в корм уткам [3]. Однако ряска должна быть выращена в экологически чистом водоеме. По результатам визуального обследования данному условию удовлетворяет река Зюзелга. Поэтому дальнейшее обследование ряски выполнялось именно на этом водотоке.

Отбор ряски на реке Зюзелга выполнялся сачком с водной поверхности площадью 0,5 м². Непосредственно на берегу вся масса ряски взвешивалась на переносных весах. Предварительно ряска вручную очищалась от мусора и листвы. Отбор и взвешивание ряски представлено на рисунках 8, 9 в Приложении 4.

По результатам эксперимента:

Масса мокрой ряски, собранная с 0,5 м² реки составила 0,7 кг. Масса просушенной ряски с данного участка составила 59 г. Таким образом:

1,4 кг мокрой ряски можно собрать с 1 м² реки.

118 г сухого веса ряски можно собрать с 1 м² реки.

2.4 Расчет площади участка зарастания и определение общего веса ряски

При рассмотрении космических снимков территории было выявлено, что водная растительность (в том числе ряска) хорошо визуализируется из космоса. Поэтому было принято решение выполнить определение площади участка по космическому снимку. Для определения площади зарастания ряской использован космический снимок от 01.09.2022 г., наиболее близкий к дате обследования. Космический снимок и расчет площади показан на рисунках 10, 11 в Приложении 4.

Площадь участка зарастания реки составила ~52 000 м².

Таким образом с данного участка можно собрать:

1,4 кг*52000 м² = 72 800 кг (72,8 тонн) мокрой ряски.

118 г*52000 м² = 6 136 кг (6 тонн) сухой ряски.

В соответствии с рекомендациями [3] при выращивании уток на фермах используют порядка 300 г сухой ряски в день для подкормки птиц.

6136 000:300:365 = 56 уток.

Следовательно, ряской, собранной с реки Зюзелга, можно подкармливать 56 уток ежедневно в течение одного года, если добавлять в их рацион по 300 г сухой ряски.

Более точные расчеты можно выполнить после определения реальной площади зарастания реки ряской. Для этого необходимо выполнить пеший маршрут вдоль реки или выполнить съемку с помощью квадрокоптера.

Кроме того, необходимо дообследовать участок реки Зюзелга с помощью лабораторных методов в целях более точного определения экологического состояния реки.

Заключение

По результатам обследования можно сделать следующие выводы:

1. Космические снимки возможно использовать для мониторинга зарастания малых рек водной растительностью.

2. Данные ДЗЗ хорошо дополняют полевые обследования и позволяют оценить масштаб зарастания водных объектов, в том числе погруженной растительностью.

3. Для малых рек Зюзелга и Биргильда характерно обильное зарастание водной поверхности ряской, что может свидетельствовать о поступлении в них загрязняющих веществ.

2. Река Зюзелга находится в более благоприятном экологическом состоянии, чем река Биргильда.

3. Необходимо провести мероприятия по оздоровлению рек.

4. Собранная ряска может быть использована в качестве корма для птиц. С акватории реки Зюзелга возможно кормить 56 уток в течение одного года. Следует предварительно оценить безопасность ряски с помощью специальной лаборатории.

С учетом сделанных выводов подготовлены Предложения по оздоровлению рек:

1. Ликвидация источников поступления загрязняющих веществ в реки Зюзелга и Биргильда.

2. Частичная очистка реки Зюзелга от ряски с возможностью использования ее в народном хозяйстве.

3. Продолжение мониторинга зарастания водотоков с использованием данных ДЗЗ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Биоиндикация и биотестирование в пресноводных экосистемах: учебное пособие для высших учебных заведений. – СПб.: РГГМУ, 2019. – 140 с.

2. Государственный водный реестр https://textual.ru/gvr/ (дата обращения: 20.10.2024).

3. Интернет портал о фермерстве https://vseoferme.com/ (дата обращения: 20.10.2024).

4. РД 52.24.309-2016. Организация и проведение режимных наблюдений за состоянием и загрязнением поверхностных вод суши.

5. Тематическое дешифрирование и интерпретация космических снимков среднего и высокого пространственного разрешения: учебное пособие / А.Н. Шихов, А.П. Герасимов, А.И. Пономарчук, Е.С. Перминова; Пермский государственный национальный исследовательский университет. – Электронные данные. – Пермь, 2020. – 49,6Мб; 191 с.

6. Экологические методы оценки качества водоемов с помощью гидробионтов [Электронный ресурс]: практикум / А. А. Шайхутдинова; Оренбургский гос. ун-т. – Оренбург : ОГУ, 2019.

Приложение 1

Местоположение участков обследования

Рисунок 1 – Место обследования реки Зюзелга

Рисунок 2 – Место обследования реки Биргильда

Приложение 2

Состояние рек Зюзелга и Биргильда в сентябре 2022 года

Рисунок 5 – Покрытие акватории реки Биргильда ряской в сентябре 2022 года

Приложение 3

Определение видов ряски на реках Зюзелга и Биргильда

Рисунок 6 – Виды ряски: а – многокоренник обыкновенный, б – ряска малая, в – ряска тройчатая, г – ряска горбатая

Приложение 4

Определение массы ряски на реке Зюзелга

Рисунок 8 – Отбор ряски на реке Зюзелга

Рисунок 9 – Просушивание ряски с реки Зюзелга

Приложение 5

Использование актуального космоснимка для мониторинга зарастания реки Зюзелга

Рисунок 10 – Космический снимок участка реки Зюзелга в с. Долгодеревенское от 01.09.2022 г.

Рисунок 11 – Расчет площади участка реки Зюзелга, подверженного зарастанию ряской