Ecotoxicological status and prognosis of the state of an urbanized hydroecosystem (on the example of the reservoir "Ternopil pond")

Abstract

As a result of a complex hydroecological research on the reservoir “Ternopil Pond”and comparison of these data with environmental and quality water standards we assessed the environmental threat posed by the content of certain substances, and the ecotoxicological state of the pond in general. A high concentration of HCO3- was found, but the critical factor of water pollution is the significant concentration of ammonia, as well as the excess over the permissible levels of sodium ions. Moreover, we found polymetallic contamination of the bottom sediments with a high ratio of biologically dangerous mobile forms, with the exception of iron, and the excess over permissible levels (MPS), which in some places was ten times higher than the norm. The high level of the content of mobile metals forms was found at sampling areaswith a considerable sedimentation.The content of the mobile form of copper exceeded the norm by 24-86 times, nickel - from 2 to 17 times, cobalt – 4-8 times. The content of the mobile form of cadmium exceeded the permissible norm by 5-80 times, and lead – by 4.5-12 times. It was established that the content of the metals of the essential group in the water of the reservoir wasbelow the permissible values, and in the places where active flushing waters are flowing high concentrations of copper wasfound. Among the nonessential metals, cadmium and lead were found with fairlyhigh cadmium content , which is biologically dangerous because of the toxicity of this metal. In case of changes in the hydrochemical balance, the mobility of metals may increase, which will substantially worsen the almost disastrous pollution of the reservoir with highly toxic and biologically hazardous metals. Economic-mathematical modeling and statistical methods based on correlation-regression analysis using Matlab software were used to investigate the influence of ammonium content on the water pH index. The correlation index is ststistically significant and amounts to 0.86. This research will allow us to predict pH index of the water depending on the content of ammonium. The calculated elasticity coefficient shows that with an increase in ammonia by 10%, the pH index of the water will vary by 8%. In order to study the environmental situation in the near future, namely the content of metals in the bottom sediments, a forecast of the content of such metals as magnesium and cobaltfor the next two seasonal periods according to the theory of Markov chains has been made. This theory allows us to make predictions of the factor, taking into account the possibility of random effects on the environment, and investigates the greatest probability of presence of a factor in a certain numerical parameter.

У результаті комплексного гідроекологічного дослідження водосховища «Тернопільський став» шляхом порівняння отриманих показників з екологічними нормативами та стандартами якості навколишнього середовища оцінено екологічну небезпеку вмісту окремих речовин та екотоксикологічну ситуацію в цілому. Виявлено накопичення НСO3- і, критичним фактором у водоймі є накопичення аміаку у значних концентраціях, а також засолення за рахунок перевищення допустимих рівнів для йонів натрію, встановлено поліметалічне забруднення мулу з високою і біологічно небезпечною, крім заліза, часткою рухомих форм металів та переважанням допустимих рівнів у окремих місцях у десятки разів проти норми, відмічено високий рівень вмісту рухомих форм металів, які встановлено у точках з значним замуленням. Інструментарієм економіко-математичного моделювання та статистичних методів на основі кореляційно-регресійного аналізу з використанням сучасних інформаційних систем типу Matlab досліджено міру впливу вмісту амонію на кислотність води – показник кореляції є досить вагомий та становить 0,86. Проведене дослідження дозволить прогнозувати кислотність води через вміст амонію. Розрахований коефіцієнт еластичності свідчить, що при збільшенні амонію на 10% значення рН води буде змінюватись на 8%. Для дослідження екологічної ситуацій на найближчу перспективу, а саме вмісту металів у донних відкладах, здійснено прогноз ситуації по вмісту металів на найближчі два сезонні періоди згідно теорії ланцюгів Маркова. Дана теорія дозволяє здійснювати прогнози чинника, враховуючи можливість випадкових впливів на середовище, та досліджується найбільша ймовірність перебування чинника в певному числовому параметрі.