МНОГОМЕРНЫЙ АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ВОДЫ ОЗЕРА ИССЫК-КУЛЬ

МНОГОМЕРНЫЙ АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ВОДЫ ОЗЕРА ИССЫК-КУЛЬ

Научная статья

Алияскаров М.^1, *, Сариева М.², Дженбаев Б.М.³ Упали С.А.⁴, Сунил Н.С.⁵

¹ Юго-западный Межрегиональный отдел Департамента пастбищ, животноводства и рыбного хозяйства Министерства сельского хозяйства, пищевой промышленности и мелиорации Кыргызской Республики,

Бишкек, Киргизская Республика;

² ФАО-Продовольственная и сельскохозяйственная Организация Объединенных Наций, GCP/KYR/012/FIN,

Бишкек, Киргизская Республика;

³ Национальная академия наук Кыргызской Республики, Бишкек, Киргизская Республика;

⁴ Кафедра зоологии и природопользования, Университет Келания

Келания, Шри-Ланка;

⁵ Институт Аквакультуры Университета Стерлинга, Стирлинг, Объединенное Королевство

* Корреспондирующий автор (chotkaraev[at]mail.ru)

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. 

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

Research article

Aliyaskarov M.^1, *, Sariyeva M.², Dzhenbaev B.M.³, Upali S.A.⁴, Sunil N.S.⁵

¹ 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;

² 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;

³ National Academy of Sciences of the Kyrgyz Republic, Bishkek, Kyrgyz Republic;

⁴ Department of Zoology & Environmental Management, University of Kelaniya, Kelaniya, Sri Lanka;

⁵ Institute of Aquaculture University of Stirling, Stirling, United Kingdom

* Corresponding author (chotkaraev[at]mail.ru)

Abstract

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

	PC -1	PC -2	PC -3	PC -4
Собственное значение	3.382	2.817	1.9346	1.2167
Разница в процентах	0.307	0.256	0.176	0.111
Совокупная разница	0.307	0.564	0.739	0.850
Переменные
pH	-0.003	0.515	0.148	0.323
Растворенный кислород	-0.356	-0.206	-0.019	0.017
TDS (минерализация)	0.427	-0.101	0.324	-0.311
Соленость	0.419	-0.075	0.334	-0.361
Teмпература	-0.197	0.390	-0.100	-0.515
Общая щелочность	0.067	0.329	0.491	0.362
Общий фосфор	0.342	-0.331	-0.236	0.051
Растворенный фосфор	0.461	0.194	-0.091	0.111
Нитраты	-0.248	-0.386	0.296	-0.014
Прозрачность воды	-0.185	0.293	0.063	-0.508
Хлорофилл-«a»	0.217	0.184	-0.595	-0.004

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

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.

Благодарности Авторы выражают благодарность проекту Продовольственной и сельскохозяйственной Организации Объединённых Наций в Кыргызской Республике и Правительству Финляндии за финансовую поддержку в проведении исследовательских работ.	Acknowledgement The authors express gratitude to the project of the Food and Agriculture Organization of the United Nations in the Kyrgyz Republic and the Government of Finland for financial support in conducting research.
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

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
4. Маматканов Д.М. Водные ресурсы Кыргызстана / Маматканов Д.М., Бажанова Л.В., Романовский В.В. Бишкек, Илим. - 2006. 265 с.
5. Березина Н., Гидробиология / Березина Н. Москва, 1963. - С. 360.
6. Алияскаров М.А. Определение трофического состояния озера Иссык-Куль / Алияскаров М.А., Сариева М., Дженбаев Б.М. // Вестник Кыргызского Национального Аграрного Университета имени К.И.Скрябина, №2 (47). Бишкек 2018. – С. 256-262.
7. Fruh E.G. Measurements of eutrophication and trends / Fruh E.G., Stewart K.M., Lee G.F. // J. Water. Poll. Contr. Fed. 1966. V. 38. P. 1237–1258.
8. Национальный статистический комитет Кыргызской Республики. Демографический ежегодник Кыргызской Республики 2012-2016 г.г. – 2017. – 433 с.
9. Руководство по химическому анализу поверхностных вод. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1977.- С.541.
10. Hadrian P.Stirling with contribution from: Malcolm C.Beveridge, Lindsay G.Ross, Michael J.Phillips, 1985. Chemical and Biological Methods of Water Analysis for Aquaculture, Institute of Aquaculture University of Stirling, Stirling FK9 4LA Scotland. Р.119
11. Quinn G.P. Experimental design and data analysis for biologists / Quinn G P; Keough M J. Cambridge University Press; Cambridge, UK. 2002, 537 pp.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Kitaev S.P. Osnovy limnologii dlya gidrobiologov i ihtiologov [Basics of limnology for hydrobiologists and ichthyologists] / S.P Kitaev //- 2007. – 385 p. [In Russian]
2. Rybovodno-biologicheskie normy dlya ekspluatatsiya prudovyh hosyaistv v Kyrgyszkoi Respublike [Fisheries and biological standards for the operation of pond farms in the Kyrgyz Republic] - 2016 [In Kyrgyzstan]
3. Dmitriev V.V. Ecologicheskoe normirovanie i ustoichivost prirodnyh sistem Dmitriev V.V. Frumin G.T. [Ecological regulation and sustainability of natural systems] - 2004. pp. 294 [In Russian]
4. Mamatkanov D.M. Vodnye resursy Kyrgysztana [Water Resources of Kyrgyzstan] / Mamatkanov D.M., Bajanova L.V., Romanovskiy V.V. - 2006. p. 265 [In Kyrgyzstan]
5. Berosina N. Gidrobiologiya [Hydrobiology] / Berosina N. – 1963. - p. 360. [In Russian]
6. Aliiaskarov M.A. Opredelenie troficheskogo sostoianie osera Issyk-Kul [Determination of the trophic state of Lake Issyk-Kul] / Aliiaskarov M.A., Sarieva M., Dzhenbaev B.M. // Vestnic Kyrgyzskogo Natzionalnogo Agrarnogo Universiteta imeni K.I.Skriabina [Bulletin of the Kyrgyz National Agrarian University named after KI Scriabin], № 2 (47). – 2018 pp. 256-262. [In Kyrgyzstan]
7. Fruh E.G. Measurements of eutrophication and trends / Fruh E.G., Stewart K.M., Lee G.F. and others // J. Water. Poll. Contr. Fed. 1966. V. 38. P. 1237–1258.
8. Natzionalnyi statisticheskii comitet Kyrgyszkoi Respubliki / Demograficheskii ejegodnic Kyrgyszkoi Respubliki 2012-2016 [National Statistical Committee of the Kyrgyz Republic / Demographic Yearbook of the Kyrgyz Republic - 2012-2016 - 2017. – p. 433 [In Kyrgyzstan]
9. Rucovodstvo po himicheskomu analisu poverhnostnyh vod. Leningrad, Gidrometeoisdat, [Manual on chemical analysis of surface water. In: Gidrometeoizdat, Leningrad, - 1977. pp.541. [In Russian]
10. Hadrian P.Stirling with contribution from: Malcolm C.Beveridge, Lindsay G.Ross, Michael J.Phillips, 1985. Chemical and Biological Methods of Water Analysis for Aquaculture, Institute of Aquaculture University of Stirling, Stirling FK9 4LA Scotland. Р.119
11. Quinn G.P. Experimental design and data analysis for biologists / Quinn G P; Keough M J. Cambridge University Press; Cambridge, UK. 2002, 537 pp.