Статья: Многомерный анализ параметров качества воды озера Иссык-Куль

Юго-западный Межрегиональный отдел Департамента пастбищ, животноводства и рыбного хозяйства Министерства сельского хозяйства, пищевой промышленности и мелиорации Кыргызской Республики

ФАО-Продовольственная и сельскохозяйственная Организация Объединенных Наций, GCP/KYR/012/FIN

Национальная академия наук Кыргызской Республики, Бишкек, Киргизская Республика;

Кафедра зоологии и природопользования, Университет Келания

Институт Аквакультуры Университета Стерлинга

МНОГОМЕРНЫЙ АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ВОДЫ ОЗЕРА ИССЫК-КУЛЬ

Алияскаров М., Сариева М., Дженбаев Б.М.

Упали С.А., Сунил Н.С.

Аннотация

В данной статье представлены результаты исследований многомерного анализа качества воды озера Иссык-Куль, проведенных в 2014-2015 годах с использованием статистического метода MINITAB (версия 16). С развитием технологии появилась возможность определить продуктивные зоны озера Иссык-Куль по участкам. Установлено, что озеро Иссык-Куль относится к группе олигощелочных водоемов, где pH в среднем составляет 8-9. Общая минерализация воды озера составила от 3,4 до 4,3 мг/л, по классификации В.И.Вернадского доказывет, что озеро Иссык-Куль может считаться солоноватым водоемом. По классификации П.Ф.Домрачева, озеро Иссык-Куль считается теплым водоемом, где в летнее время средняя интегральная температура воды озера Иссык-Куль составляет от 17,2 до 22,1 градусов Цельсия [1]. Температура воздуха выше 15 градусов в Иссык-Кульской области держится 106-120 дней в году [2].

Ключевые слова: Иссык-Куль, анализ основных компонентов (PCA- principal component analysis), электропроводность, минерализация, прозрачность, хлорофилл-«а», урбанизация.

Annotation

MULTIDIMENSIONAL ANALYSIS OF WATER QUALITY PARAMETERS OF ISSYK-KUL LAKE WATER

Aliyaskarov M., Sariyeva M., Dzhenbaev B.M., Upali S.A., Sunil N.S.

South-West Interregional Division of the Department of Pastures, Livestock and Fisheries of the Ministry of Agriculture, Food Industry and Melioration of the Kyrgyz Republic, Bishkek, Kyrgyz Republic;

FAO Project “Sustainable Development of Aquaculture and Fisheries in the Kyrgyz Republic”,

FAO-Food and Agriculture Organization of the United Nations, GCP/KYR/012/FIN, Bishkek, Kyrgyz Republic;

National Academy of Sciences of the Kyrgyz Republic, Bishkek, Kyrgyz Republic;

Department of Zoology & Environmental Management, University of Kelaniya, Kelaniya, Sri Lanka;

Institute of Aquaculture University of Stirling, Stirling, United Kingdom

This article presents the results of water quality multidimensional analysis of the water form Issyk-Kul Lake, conducted in 2014-2015 with the use of MINITAB statistical method (version 16). With the development of technology, it became possible to identify the productive zones of Issyk-Kul Lake by sites. It was found that Issyk-Kul Lake belongs to the group of oligo-alkaline reservoirs, where the average pH is 8-9. The total mineralization of water form this lake ranges from 3.4 to 4.3 mg/l, according to V.I. Vernadsky classification, it proves that Issyk-Kul Lake can be considered a saltish water basin. According to the classification of P.F. Domrachev, Issyk-Kul Lake is considered to be a warm water body, where the average integral water temperature in Issyk-Kul Lake is from 17.2 to 22.1°C in summer [1]. The air temperature above 15°C in Issyk-Kul region lasts 106-120 days a year [2].

Keywords: Issyk-Kul, PCA-principal component analysis, electrical conductivity, salinity, transparency, chlorophyll a, urbanization.

Актуальность

В современом мире увеличение роста численности населения сопровождается интенсивной урбанизацией. Данный процесс, помимо положительных сторон имеет ряд негативных последствий, таких, как изменение окружающей среды, загрязнение атмосферного воздуха, сокращение поверхностных и подземных вод, а также других, влияющих на природные ресурсы. Темпы развития инфраструктуры не успевают за темпами роста численности населения в мире [3. С.8].

Кыргызская Республика - страна, не имеющая выхода к морю, однако обладающая большим разнообразием внутренних водных ресурсов, истоки которых полностью формируется на собственной территории [4].

На территории Кыргызской Республики расположено прекрасное озеро Иссык-Куль, которое в настоящее время все больше привлекает к себе внимание, как зона рекреации. Озеро Иссык-Куль - это бессточное, высокогорное озеро тектонического происхождения [5.С. 360].

Изменение трофического состояния водоемов стало серьезной глобальной экологической проблемой всего мира. С увеличением численности населения и усилением антропогенного воздействия на водные ресурсы, трофическое состояние водных объектов ухудшается, при этом повышается продуктивность озер, и процессы эвтрофирования приобретают глобальный характер [6].

Гидрологические циклы влияют на микроклимат, усиливая эстетическую красоту ландшафта, предоставляя возможности для отдыха всему человечеству. В настоящее время с повышением продуктивности водных экосистем, преимущественно под действием антропогенных факторов, проблема изменения трофического состояния водных объектов становится актуальной [7].

С целью сохранения природного и культурного наследия, в 1998 году Правительством Кыргызской Республики было принято решение о создании в пределах административных территорий Иссык-Кульской области, биосферной зоны «Иссык-Куль». В состав Иссык-Кульской области входят 5 районов и 3 города. Все районы и города области расположены вокруг озера. Начиная с 2013 года численность постоянно проживающего населения Иссык-Кульской области увеличилось на 11,3 тысяч человек. В непосредственной близости от озера проживают 470,1 тыс. человек [8].

Озеро Иссык-Куль в период плановой экономики использовалось как основной рыбопромысловый водоем страны, на сегодняшний день больше всего используется, как объект рекреации. Из-за достаточных запасов лечебных грязей, геотермальных минеральных источников, с каждым годом увеличивается число туристов, в результате активно развивается туристический бизнес вокруг озера Иссык-Куль. Вокруг озера ускоренными темпами строятся курортно-оздоровительные комплексы, пансионаты и гостиницы.

Рост количества курортно-оздоровительных инфраструктур, в свою очередь, увеличивает антропогенную нагрузку на озеро Иссык-Куль.

Учитывая вышеизложенное, цель проведенного нами исследования на озере Иссык-Куль состояла в изучении биологических, химических и физических параметров воды озера.

Материалы и методы исследований

Для исследования были отобраны 11 участков озера Иссык-Куль и работы проводились в течение каждого сезона 2014-2015 годов.

Учитывая основные притоки рек в озеро, а также согласно характеристикам среды обитания (наличие заповедных территорий, зон рекреации) озеро Иссык-Куль условно было разделено на четыре зоны, и таким образом были определены 11 участков для отбора проб воды на анализ (рис. 1).

Рис. 1 Географическая карта озера Иссык-Куль Участки отбора проб воды по участкам: 1 - Кутургу, 2 - Михайловка, 3 - Боз-Бешик, 4 - Жениш, 5 - Тамга, 6 - Кажди-Сай, 7 - Оттук, 8 - Балыкчы, 9 - Чок-Тал,10 - Бостери, 11 - Семеновка

Стратегия выборки включала сбор проб воды на опредление физико-химических и биологических параметров озера Иссык-Куль. Анализ воды проведен по единой программе исследований с использованием общепринятых методик и правил по отбору и анализу.

Быстроменяющиеся физические и химические параметры воды измерялись непосредственно в воде на каждом отведенном участке полевыми портативными приборами, такими, как «OAKTON» DO 110, «OAKTON» PH 11, «Orion Star» A 322. Прозрачность воды определялась с использованием диска Секки.

Общий и растворенный фосфор определялся методом фотометрического определения с молибдатом аммония [9].

Хлорофилл-«а» определялось спектрофотометрическим методом в лабораторных условиях по методу Стирлинга Х.П. [10].

Анализ качества воды озера Иссык-Куль проведен с помощью многомерного анализа основных компонентов (PCA - principle component analysis).

Анализ основных компонентов (PCA) - это метод классификации для анализа большого объема полученных данных. Для выполнения PCA использовался статистический программный пакет MINITAB (версия 16).

Результаты исследований и обсуждение. В таблице 1 приведены данные о качестве воды озера Иссык-Куль, которые усреднялись по сезонам и определялись их средние значения по индивидуальным параметрам. Для того, чтобы минимизировать влияние больших значений на конечные результаты, все значения параметров качества воды были преобразованы в четвертом корне [11]. Трансформированные данные затем были подвергнуты анализу PCА.

Таблица 1

Физико-химические и биологические параметры озера Иссык-Куль ( 2014-2015 г.г.)

Примечание: pH - кислотно-щелочной баланс воды, Conductivity - электропроводность, Dissolved Oxygen - содержание растворенного кислорода, TDS - общая минерализация воды, Salinity - соленость, Temperature - температура, TA -общая щелочность, TP - общий фосфор, DP - растворенный фосфор, No-3 - нитраты, SDD - прозрачность воды по глубине диска Секки, Chl-a - хлорофилл-«а»

При анализе полученных данных выявлено, что показатели по электропроводности и солености были значительно взаимосвязаны, на озере Иссык-Куль, наблюдалось положительное соотношение между проводимостью и соленостью (рис. 2).

Таким образом, в анализе PCA электропроводность и соленость нами не рассматривалась во избежание двойного влияния двух параметров на конечные результаты.

Рис. 2 Взаимосвязь между электропроводимостью и соленостью в течение всех четырех сезонов в 11 участках отбора проб на озере Иссык-Куль

Результаты PCA данных по качеству воды озера Иссык-Куль приведены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты PCA параметров качества воды в озере Иссык-Куль

Примечание: в приведенной таблице, жирным шрифтом указаны значения указывающие положительную нагрузку на оси основного компонента PC, жирные курсивные значения указывают на отрицательную загрузку баллов PC

Первые четыре основных компонента (PC1, PC2, PC3 и PC4) поясняют 85% совокупной дисперсии в количестве данных. Поскольку, первые два компонента поясняют более 56% совокупной дисперсии, полученный двухмерный график PC является доказательным для того, чтобы описать характеристику участков отбора проб, имея данные о качестве воды.

Двухмерная оценка PCА показана на рис. 3. На первой оси PC положительная нагрузка была обусловлена высокой минерализацией (TDS), высокой соленостью, высоким содержанием фосфора, высоким содержанием растворенного фосфора и высоким содержанием хлорофилл-«а». Соответственно, на основе двухмерной оценки, для участков “Оттук”, “Балыкчи” и “Бостери” характерны данные, описывающие лимнологические параметры. С другой стороны, участки “Кутургу”, “Михайловка”, “Боз-Бешик” и “Жениш” на основе РС-2 были охарактеризованы высоким содержанием растворенного кислорода, высоким содержанием нитратов и высоким показателем прозрачности. Другими словами, последние участки были биологически менее продуктивными, чем те, которые были положительно загружены на первую основную ось компонента.

Рис. 3 Двухмерная оценка PC на 11 участках отбора проб воды на озере Иссык-Куль по параметрам качества воды

Примечание: Ku - Кутургу, Mi - Михайловка, BB - Боз-Бешик, Je - Жениш, Ta - Тамга, KS - Каджи-Сай, Ot - Оттук, Ba - Балыкчы, Ch - Чоктал, Bo - Бостери, Se - Семёновка

Выводы

вода озеро иссык куль

На основе многомерного анализа получена количественная оценка параметров качества воды озера, которая подверждает некоторые изменения в лимнологических параметрах озера Иссык-Куль. В отдельных участках юго-западной зоны и в северной части (участок Бостери) присутствует фосфорная нагрузка, которая составляет около 0,033 мг/л.

Озеро Иссык-Куль, являясь большим, глубоководным водоемом, на основной части своей акватории продолжает сохранять свой олиготрофный статус. Однако в теплые сезоны года отдельные участки озера переходят в мезотрофный водоем.

Список литературы

1. Китаев С.П. Основы лимнологии для гидробиологов и ихтиологов / Китаев С.П. 2007. 385 с

2. Рыбоводно-биологические нормы для эксплуатации прудовых хозяйств в Кыргызской Республике. 2016

3. Дмитриев В.В. Экологическое нормирование и устойчивость природных систем / Дмитриев В.В., Фрумин Г.Т. 2004. 294 с