УДК 577.4 

Н.Г.Булгаков, А.П.Левич, В.Н.Максимов 

АННОТАЦИЯ

Определены гидрохимические факторы, ответственные за возник- 

новение экологического неблагополучия водных объектов Нижнего До- 

на. Приведены экологически допустимые уровни (ЭДУ) этих факторов. 

Выход за пределы ЭДУ переводит экосистемы из благополучного в 

неблагополучное состояние. Путем сравнения полученных ЭДУ с конк- 

ретными значениями факторов составляется прогноз экологического 

состояния данного водного объекта на ближайшую перспективу. 

Предсказанное экологическое неблагополучие на большинстве иссле- 

дованных створов наблюдения получило подтверждение на практике. 

Ключевые слова: состояние экосистем, абиотические факторы, 

экологически допустимые уровни факторов, экологический прогноз. 

Введение

Экологическое состояние водных биоценозов неразрывно связано 

с условиями неживой природы, в которой обитают гидробионты. В 

комплекс этих условий входят многие гидрохимические, гидрологи- 

ческие, климатические факторы, а также довольно обширная номенк- 

латура загрязняющих веществ, попадающих в водоем в результате де- 

ятельности человека. Нарушающие экологическое благополучие факто- 

ры в ныне действующей в России (и в странах бывшего СССР) системе 

экологического контроля определяются согласно концепции предельно 

допустимых концентраций (ПДК) веществ-загрязнителей. Иной подход 

к экологическому нормированию предполагает биотическая концепция 

контроля природной среды (Левич, 1994). Согласно этой концепции, 

оценки экологического состояния на шкале "норма-патология" должны 

проводиться по широкому комплексу биотических показателей, но не 

по уровням абиотических факторов. Последние должны рассматривать- 

ся как агенты воздействия на популяции организмов и на экологи- 

ческие связи между ними. В этом случае абиотические факторы выс- 

тупают потенциальными причинами экологического неблагополучия, а 

не непосредственными его симптомами. 

Решение задачи выявления факторов среды, сопряженных с неб- 

лагополучием экологического состояния фито-, зоопланктона, пери- 

фитона и зообентоса состоит из двух основных этапов. 

На первом этапе проводится диагностика экологического состо- 

яния гидробионтов в условных баллах с последующим проведением на 

шкале баллов границы между нормой и патологией состояния. На вто- 

ром этапе происходит обработка данных о полученных оценках эколо- 

гического состояния, а также о химических параметрах с целью по- 

иска детерминационных связей между живой и неживой частью экосис- 

темы. Алгоритмы обработки позволяют рассчитать экологически до- 

пустимые уровни (ЭДУ) абиотических факторов - пограничные значе- 

ния факторов, выход за которые означает переход биоты из благопо- 

лучного в неблагополучное экологическое состояние (Левич, Тере- 

хин, 1995). В работах Н.Г.Булгакова с соавт. (1994) и А.П.Левича 

с соавт. (1996) описаны особенности метода вычисления ЭДУ соот- 

ветственно по ихтиологическим и гидробиологическим показателям и 

приведены значения ЭДУ абиотических факторов для водных объектов 

Нижнего Дона. 

Дополнительная задача, которую можно решать, имея в своем 

распоряжении биотические оценки экологического состояния и ЭДУ

воздействующих на биоту факторов, - это прогнозирование экологи- 

ческого состояния природного объекта по заданным сценариям абио- 

тических факторов среды. В настоящей работе содержится технология 

составления экологического прогноза и его реализация на конкрет- 

ных данных по бассейну Нижнего Дона. 

Материалы и методы

Исходными данными для расчетов ЭДУ и последующего составле- 

ния экологического прогноза служили результаты наблюдений за гид- 

робиологией и абиотическими факторами на 31 створе наблюдения 

Цимлянского, Веселовского водохранилищ, рек Дон (от водохранилищ 

до г. Ростов-на-Дону) и Северский Донец в 1978-1991 гг. 

Гидробиологические данные включали в себя сведения о числен- 

ности и биомассе фито-, зоопланктона, перифитона и зообентоса 

(Ежегодники состояния экосистем..., 1978-1991). В качестве абио- 

тических факторов исследовали концентрацию азота аммонийного, 

азота нитритного, азота нитратного, нефтепродуктов, фенолов, син- 

тетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), меди, цинка, 

взвешенных веществ, кальция, магния, хлоридов, минерального фос- 

фора, общего железа, марганца, сульфатов, гексахлорана (?-ГХЦГ и 

?-?ХЦГ), ДДЭ, ДДТ, ДДД, растворенного кислорода, а также БПК5, и 

ХПК (Ежегодники качества поверхностных вод..., 1984-1991; Ежегод- 

ные данные..., 1990; Ежеквартальные бюллетени..., 1978-1983). 

Прогноз проводился по сценариям факторов, т.е. по заданным 

значениям абиотических переменных в результате применения метода 

получали предсказание для состояния экосистемы в принятой шкале 

оценок. Практически метод прогноза сводится к выяснению того, по 

какую сторону границы нормального функционирования, или экологи- 

чески допустимого уровня, лежит каждое из прогнозируемых в сцена- 

рии значений абиотического фактора. 

Последовательность методических шагов при составлении прог- 

ноза следующая: 

1. Проведение оценки экологического состояния объекта по би- 

отическим показателям. Выбор на шкале оценок границы между нор- 

мальным и патологическим функционированием объекта. Для диагнос- 

тики экологического состояния использовали метод экологических

модификаций (Абакумов, 1991; Ecological Modification..., 1991), 

основанный на анализе данных по численности, биомассе, процентном 

соотношении отдельных групп фито-, зоопланктона, перифитона и зо- 

обентоса. Метод предусматривает также учет численности и сапроб- 

ности наиболее массовых организмов. На основе первичных данных 

устанавливали индекс сапробности для фито-, зоопланктона и пери- 

фитона, а также биотический и олигохетный индексы для зообентоса. 

Полученные индексы, в свою очередь, служили основой для присвое- 

ния каждой из четырех указанных экологических групп гидробионтов 

оценки экологического состояния по 5-балльной шкале, где 1 балл 

соответствует самому благополучному (фоновому) состоянию, а 5 

баллов - самому неблагополучному (состоянию метаболического рег- 

ресса). Из трех оценок, полученных для фито-, зоопланктона и пе- 

рифитона, выбирали самую худшую, которая характеризовала экологи- 

ческое состояние организмов водной толщи. Оценка для зообентоса 

соответственно описывала состояние организмов, обитающих на дне 

водоема. Граница нормы и патологии на шкале оценок для организмов 

водной толщи равна 2.75, для бентоса - 3.75. 

2. Маркировка пространства абиотических факторов полученными 

признаками благополучия и неблагополучия. Для этого на шкале 

"значение абиотического фактора - оценка экологического состоя- 

ния" каждому значению фактора присваивали знак благополучия 

(оценка ниже границы нормы и патологии) или неблагополучия (оцен- 

ка выше границы нормы и патологии). 

3. Поиск достоверных связей между гидробиологическими оцен- 

ками состояния экосисистем и абиотическими факторами. Для этого 

применяли метод экологически допустимых уровней (Левич, Терехин, 

1995), который позволяет выделить в пространстве факторов области 

нормального функционирования сообщества гидробионтов и рассчитать 

границы этой области по каждому из факторов, названные экологи- 

чески допустимыми уровнями (ЭДУ), выход за пределы которых влечет 

за собой экологическое неблагополучие (оценки 3, 4 и 5 для планк- 

тона и перифитона; 4 и 5 для зообентоса). Значимость того или 

иного фактора устанавливается при помощи конструкций точности и 

полноты, введенных С.В.Чесноковым (1982) для многомерного детер- 

минационного анализа данных. Под полнотой понимается отношение 

количества наблюдений с неблагополучным экологическим состоянием, 

совпавших со случаями выхода за пределы ЭДУ данного фактора, к 

общему количеству наблюдений с неблагополучным состоянием. Под 

точностью - отношение количества наблюдений с неблагополучным 

состоянием, совпавших со случаями выхода за пределы ЭДУ, к общему 

количеству несоблюдений ЭДУ. Значимыми факторами признаются те, 

которые отвечают некоторым заданным критериям точности и полноты. 

Сопряженность между биотическими и абиотическими показателями 

можно описать следующим утверждением: "если ЭДУ данного фактора 

превышено, то экологическое состояние будет неблагополучным с оп-

ределенной степенью достоверности, выраженной в терминах точности 

и полноты". 

Метод ЭДУ позволяет определить значимость не только индиви- 

дуальных факторов, но и целых наборов взаимодействующих между со-

бой абиотических переменных. Критерии значимости для таких набо- 

ров также задаются в терминах точности и полноты. Напомним, что 

суммарная точность для набора переменных А есть доля неблагопо- 

лучных наблюдений среди всех наблюдений, где ЭДУ превышен хотя бы 

по одной переменной, а суммарная полнота набора А - доля наблюде- 

ний, где ЭДУ превышен как минимум для одной переменной, среди 

всех неблагополучных наблюдений. 

При добавлении к набору А еще одной переменной увеличение 

или снижение суммарной полноты для дополненного набора не зависит 

жестко от индивидуальной полноты добавляемой переменной, а зави- 

сит от того, насколько переменные из всего набора А и новая пере- 

менная независимы друг от друга. Суммарная полнота возрастает, 

когда превышающие ЭДУ значения новой переменной сопутствуют зна- 

чениям прежних переменных ниже их ЭДУ. Если превышения ЭДУ новой 

переменной совпадают с превышениями ЭДУ старыми переменными, то 

суммарная полнота никак на меняется. Назовем существенностью пе- 

ременной X по отношению к набору А увеличение суммарной полноты 

набора А при добавлении к нему переменной X. 

Из списка значимых переменных (для каждой гидробиологической 

оценки) составляли различные наборы и для вновь добавляемой пере- 

менной вычисляли существенность, т.е. увеличение суммарной полно- 

ты набора переменных при добавлении к нему данной переменной. 

Для всех гидрохимических характеристик анализировали влияние 

на биоту как среднегодовых, так и экстремальных значений (мини- 

мальных для растворенного кислорода и максимальных для всех ос- 

тальных переменных) с 1978 по 1990 г. 

Для взвешенных веществ использовали относительные величины в 

виде отношения абсолютного значения переменной к среднемноголет- 

нему для данного створа значению. Выбор этой относительной харак- 

теристики объясняется ее явной "створоспецифичностью". Остальные 

переменные участвовали в анализе в виде своих абсолютных значе- 

ний. 

Для концентрации основных биогенных элементов (нитратов, ам- 

мония, фосфора, сульфатов, магния, железа, кальция, марганца) до- 

пустимые границы искали как в области высоких, так и низких (ли- 

митирование развития) значений. Для остальных переменных, кроме 

содержания кислорода, допустимыми считали любые малые значения, а 

границу недопустимости устанавливали для высоких значений. Для 

кислорода, наоборот, недопустимыми считали только низкие значения 

его содержания. 

Из всего списка абиотических переменных отобраны те, которые 

дают наибольший вклад в возникновение экологического неблагополу- 

чия. Эти переменные, названные значимыми, выбраны по следующим 

критериям: 

- точность детерминации между уровнем абиотического фактора

и биотической оценкой, не меньшая 80%; 

- максимальная полнота детерминации; 

- высокая существенность фактора при небольшой полноте; 

- достаточное (более 8) количество наблюдений с благополуч- 

ным и неблагополучным состоянием; 

- некоторые экспертные соображения о способности или неспо- 

собности данного фактора среды влиять на экологическое состояние 

планктона, перифитона или бентоса. 

4. Формирование сценария факторов среды, нарушающих экологи- 

ческое благополучие исследуемого объекта, на интересующий иссле- 

дователя период. Для этого были взяты не использованные при рас- 

четах ЭДУ значения абиотичесих факторов в водных объектах Нижнего 

Дона за 1991 г. 

5. Сравнение значений факторов из сценария с их ЭДУ. Предс- 

казание состояния экосистемы по правилу: состояние объекта небла- 

гополучно, если значение хотя бы одного из факторов сценария вы- 

ходит за пределы ЭДУ этого фактора; состояние благополучно, если 

значения всех факторов сценария находятся в пределах ЭДУ. 

Результаты

Для планктона и перифитона значимыми факторами экологическо- 

го неблагополучия оказались максимальная концентрация ?-ГХЦГ 

(0.093 мкг/л), минимальная концентрация растворенного кислорода 

(4.03 мг/л). Для зообентоса значимые факторы таковы: минимальная 

концентрация кислорода (5.25 мг/л), верхний уровень среднегодовой 

концентрации нитратного азота (1.179 мг/л), среднегодовая кон- 

центрация цинка (0.01 мг/л), максимальная концентрация ?-ГХЦГ 

(0.025 мкг/л), максимальная и среднегодовая концентрации ?-ГХЦГ 

(соответственно 0.039 и 0.011 мкг/л), максимальная и среднегодо- 

вая концентрации ДДЭ (соответственно 0.012 и 0.002 мкг/л). 

В табл. 1 и 2 представлен прогноз экологического состояния 

водных экосистем Нижнего Дона на 1991 г. в виде сопоставления 

значений вычисленных ЭДУ значимых факторов и сценариев этих фак- 

торов в прогнозируемом году по всем створам наблюдения. Рядом с 

прогнозируемыми оценками экологического состояния (благополучие 

или неблагополучие) приведены реальные оценки, полученные по дан- 

ным гидробиологических наблюдений в 1991 г. 

Достоверность прогноза может быть выражена количественными 

критериями суммарных точности и полноты. Суммарная точность для 

набора значений факторов равна доле неблагополучных наблюдений 

среди всех наблюдений, где ЭДУ превышено хотя бы для одной пере- 

менной из набора, а суммарная полнота набора есть доля наблюде- 

ний, где ЭДУ превышено хотя бы для одной переменной, среди всех 

неблагополучных наблюдений. Низкая суммарная полнота означает, 

что основные причины экологического неблагополучия лежат вне исс- 

ледованного набора факторов. Суммарные точность и полнота предс- 

казания экологического неблагополучия для состояния планктона и 

перифитона составляют соответственно 100 и 43 %. Для зообентоса 

эти величины равны соответственно 89 и 89 %. Высокие значения 

точности свидетельствуют о достоверности прогноза. Невысокая пол- 

нота для планктона и перифитона, вероятно, связана с отсутствием 

в 1991 г. данных по водности и температуре, которые были в числе

значимых переменных. 

Заключение

Результаты экологического прогнозирования показывают, что в 

подавляющем большинстве случаев предсказанное путем сопоставления 

ЭДУ и реальных значений значимых факторов экологическое неблаго- 

получие водных объектов реализуется на практике. Поэтому можно 

говорить о чрезвычайно высокой эффективности экологического прог- 

ноза. 

При этом необходимо отметить, что вся концептуальная и тех- 

ническая тяжесть применения метода биотического прогноза выпадает 

на долю формирования банка данных, диагностики состояния экосис- 

тем и расчета ЭДУ. Следует заметить, что формирование банка дан- 

ных, диагностика состояний и нормирование по ЭДУ проводятся не 

специально для целей прогноза, а независимо от них, как самостоя- 

тельные этапы системы контроля природной среды. Поэтому, если 

границы ЭДУ известны и сценарии нарушающих воздействий заданы,

сам метод биотического прогноза становится элементарной, рутинной 

и тривиально алгоритмизируемой процедурой. Если область нормаль- 

ного функционирования экосистемы в пространстве факторов среды 

однажды вычислена, то впоследствии она рутинно используется для 

получения многочисленных прогнозов по различным вариантам сцена- 

риев. 

ЛИТЕРАТУРА

Абакумов В.А. Экологические модификации и развитие биоценозов // 

Экологические модификации и критерии экологического нормиро- 

вания. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. С. 18. 

Булгаков Н.Г., Дубинина В.Г., Левич А.П., Терехин А.Т. Метод по- 

иска сопряженностей между гидробиологическими показателями и 

абиотическими факторами среды (на примере уловов и урожай- 

ности промысловых рыб) // Известия РАН. Сер. биол., 1995. N 

2. С.113. 

Ежегодники качества поверхностных вод и эффективности проведенных 

водоохранных мероприятий. Северо-Кавказское территориальное 

управление по гидрометеорологии, 1984-1991. 

Ежегодники состояния экосистем поверхностных вод СССР (по гидро- 

биологическим показателям). Обнинск: ВНИИГМИ-МЦД, 1978-1991. 

Ежегодные данные о качестве поверхностных вод суши. Северо-Кав- 

казское территориальное управление по гидрометеорологии, 

1990. 

Ежеквартальные бюллетени качества поверхностных вод суши. Севе- 

ро-Кавказское территориальное управление по гидрометеороло- 

гии, 1975-1983. 

Левич А.П. Биотическая концепция контроля природной среды // Док- 

лады РАН, 1994. 337. N 2. С.280. 

Левич А.П., Терехин А.Т. Метод расчета экологически допустимых 

уровней воздействия на экосистемы (метод ЭДУ) // Водные ре- 

сурсы, 1995 (в печати). 

Чесноков С.В. Детерминационный анализ социально-экономических 

данных. М.: Наука, 1982. 168 с. 

Ecological Modification and Criteria for Ecological Standartiza- 

tion. Proceedings of the International Simposium. Ed. D-r 

V.A.Abakumov. S.-P.: Gidrometeoizdat, 1982. 232 p.