CC BY
29УДК 502.7:574:628.33
многолетняя динамика процессов самоочищения как интегральный показатель для выбора управляющих воздействий (на примере реки москвы) *
© 2016 г. н.М. Щеголькова, Е.В. Веницианов, К.Ю. Рыбка, г.А. Эвезденкова, А.К. скрипчинский
ФГБУН«Институт водных проблем Российской академии наук», Москва, Россия
Ключевые слова: средние и малые реки, процессы самоочищения, скорость самоочищения, азот, органическое вещество, донные отложения, р. Москва, городские реки, антропогенная нагрузка на водотоки, снегосплавные пункты.
Н.М. Щеголькова Е.В. Веницианов Г.А. Звезденкова А.К. Скрипчинский К.Ю. Рыбка
Выделены основные регулирующие воздействия, оказавшие влияние на экологическое состояние р. Москвы за последние 15 лет: промывки дна (1998 г.), введение в строй системы снегосплавных пунктов (2005-2006 гг.). Оценено экологическое состояние реки по многолетним рядам наблюдения в створе ниже основного потока диффузного загрязнения с городской территории и по скоростям самоочищения на участке реки в 34 км ниже города. Показано, что функционирование системы снегосплавных пунктов значительно улучшило экологическое состояние реки на городском участке. Однако скорости самоочищения на участке ниже города в последнее время существенно снизились, а по отдельным компонентам наблюдается загрязнение воды от донных отложений. Проанализированы причины снижения скоростей самоочищения. Причиной ухудшения экологического состояния является недостаточная самоочищающая способность городской зарегулированной реки.
Предложены технологические решения для повышения самоочищающей способности реки: проведение промывок дна реки большими объемами воды из водохранилищ с интервалом в пять лет; формирование нитри-денитрифицирующих зон в районе активного протекания нитри-денитрификации; строительство фито-очистных сооружений в устьях выпусков самых загрязненных стоков; искусственное разведение гидробионтов, повышающих самоочищающую способность реки.
* Работа выполнена при поддержке гранта РНФ в рамках проекта «Новые факторы загрязнения водных объектов и меры по снижению его негативного воздействия на качество вод» № 14-17-00672
Водное хозяйство России № 4, 2016 г.
водное хозяйство России
ВВЕДЕНИЕ
Расположение крупного мегаполиса на средних или малых реках всегда предполагает чрезвычайно высокую нагрузку на эти водотоки. За последние десятилетия антропогенная нагрузка на городские реки, связанная с поступлением загрязненных сточных вод, значительно увеличилась в связи с ростом населения и соответствующим увеличением объема сбрасываемых стоков. Экологическое состояние главной водной артерии Москвы во многом влияет на общее благополучие городской экосистемы. Река Москва является примером зарегулированной городской реки, в полной мере испытывающей все многообразие антропогенных воздействий. Качество воды в городской реке - результат двух противоположно направленных процессов: поступление аллохтонных загрязняющих веществ (антропогенное воздействие) и природные процессы самоочищения реки, направленные на нивелирование этого воздействия.
Экологическое состояние водной среды может быть охарактеризовано «одномоментными» гидрохимическими, гидробиологическими и интегральными показателями (при сравнении их с эталонами). Гидрохимические показатели дают оценку состояния водной среды в момент отбора проб, гидробиологические и интегральные могут характеризовать направление (тренд) изменений состояния водной среды, в т. ч. - структурные и функциональные изменения [1]. Другим способом оценки функционирования водной экосистемы является многолетнее наблюдение за скоростями самоочищения водного объекта или анализ многолетних трендов по гидрохимическим показателям в конкретных створах реки.
Для каждой городской реки можно выделить зоны, которые испытывают максимальную нагрузку по загрязняющим веществам и поступающие на эти участки приоритетные загрязняющие вещества. Например, для р. Москвы ранее выделены зоны, отличающиеся качеством поступающих аллохтонных веществ [2]: зона городской черты реки - от входа реки в город до выпуска Курьяновских очистных сооружений (КОС); участок реки от выпуска КОС до выпуска Люберецких очистных сооружений (ЛОС); участок реки ниже ЛОС. Два последних участка характеризуются поступлением стоков с повышенными концентрациями биогенных элементов (Ы и Р), биоокисляемого органического вещества, СПАВ. Участок реки в городской черте отличается повышенным поступлением нефтепродуктов, тяжелых металлов, трудноо-кисляемых органических токсикантов. Главным источником этих загрязняющих веществ в течение многих лет был поверхностный сток с автодорог и несанкционированных свалок, в т. ч. с талыми водами и снегом.
Ранее было показано, что скорости самоочищения могут служить универсальным интегральным показателем функционального состояния реки
Водное хозяйство России № 4, 2016 г.
средней и малой водности при условии рассмотрения участка реки как проточного реактора с чередованием различных по функциональности зон очистки [2-4]. При этом рекомендовано проводить анализ долговременных рядов наблюдений при разных нагрузках на водоприемник, т. к. городские реки и водоемы, как правило, испытывают на себе переменную нагрузку [5, 6].
Изучение процессов самоочищения р. Москвы началось еще в XIX в. В работе «Опыт систематических наблюдений над колебанием химического и бактериологического состава воды Москва-реки за 1887-88 гг.» доктор М.Б. Коцын исследовал скорость самоочищения реки до города и в пределах городской черты по коэффициенту изменяемости кислорода. В XX в. проводились исследования по регулированию процессов самоочищения в водоприемниках [7]. Исследования по влиянию биологически очищенных вод, поступающих в р. Москву, на процессы самоочищения проводила Н.М. Козлова [8]. В последнее время уделяется большое внимание роли микроорганизмов и высшей водной растительности в процессах самоочищения [9-13].
Одним из важных факторов, формирующих качество речной воды в зарегулированной реке, где скорости течения значительно меньше естественных, является формирование донных отложений. Объемы накапливаемых донных отложений - это результат взаимовлияния двух основных процессов: поступления в реку аллохтонного органического вещества (ОВ) с точечными и диффузными стоками и его разложения биоценозом реки.
Основным мероприятием по очистке дна от накопившихся донных отложений являлась регулируемая промывка русла (посредством спуска части накопленной весной воды из москворецких водохранилищ). Последний раз такая промывка проводилась в 1998 г. За прошедшие после этого годы в водной системе города произошли изменения: в 2005-2006 гг. введена в строй система снегосплавных пунктов, которая позволяет очищать диффузные загрязнения и снижать тем самым поступление аллохтонного вещества; проведена модернизация основных очистных сооружений Москвы (Курьяновских и Люберецких - КОС и ЛОС), очистка стоков на них стала производиться не только от органических веществ, но и от биогенных элементов, а вся очищенная вода обеззараживается ультрафиолетовым облучением.
Рассмотрим подробнее роль двух из названных управляющих мероприятий, влияющих на качество воды в реке на участке более 100 км (начиная с пункта входа реки в город до устья): организация снегосплавных пунктов и промывка дна.
В Москве достаточно остро стоит проблема очистки улиц от снега и его утилизации. До 2002 г. снег, убираемый с городской территории (в т. ч. и с проезжей части), сбрасывался в реки Москву и Яузу. До 2004 г. большая часть загрязняющих веществ, задерживаемых ныне снегосплавными пунктами
Водное хозяйство России № 4, 2016 г.
(ССП), поступала в реку на участке выше выпуска КОС по коллекторам ГУП «Мосводосток». Это негативно сказывалось на экологическом состоянии реки (до устья) и прибрежной зоны на всем протяжении русла. Для улучшения экологической ситуации и исключения сброса снега в водоемы Москвы построено и введено в эксплуатацию 35 ССП, расположенных во всех административных округах столицы, общей производительностью 140 тыс. м3/сут [14]. Технологический процесс переработки (плавления) снежной массы осуществляется за счет подачи в снегоприемные бункеры сточной воды из городских канализационных каналов и коллекторов. При контакте со сточной водой (зимняя температура которой составляет 18 °С) снег плавится и сбрасывается обратно в канализационные каналы. Для измельчения снежной массы и отсеивания крупного мусора в приемных бункерах установлены сепараторы-дробилки. Поскольку московские очистные сооружения обеспечивают высокую эффективность очистки от взвешенных веществ и нефтепродуктов, экологический ущерб от поступления загрязненного снега в городские водоемы почти полностью предотвращается. В 2014 г. на стационарных ССП утилизировано 9,4 млн м3 снега, который в виде талой воды поступил на очистные сооружения, где совместно со сточными водами подвергся полной биологической очистке и обеззараживанию перед сбросом в водоприемники. Средний объем принимаемого снега составляет в последние годы около 10 млн м3 за зиму. Это означает, что первичной очистке подвергается 4,5 млн м3 воды (средняя плотность снега 0,45 кг/дм3), ранее поступавшей в р. Москву без очистки, что составляет около 0,5 % от расхода реки.
Количественный вклад ССП в улучшение качества речной воды может быть оценен по массовым балансам загрязняющих веществ, проходящих через снегосплавные пункты. В настоящее время в год система снегосплав-ных пунктов удаляет свыше 100 тыс. тонн взвешенных веществ и около 4 тыс. тонн нефтепродуктов (25 тыс. тонн взвешенных веществ и около 1 тыс. тонн нефтепродуктов в один зимний месяц). Учитывая, что ежемесячно в зимний период через створ «Выше КОС» проходит около 600 т взвешенных веществ и около 10 т нефтепродуктов, внедрение технологии снегоочистки снижает общую загрязненность реки по этим показателям на 4,2 и 6,6 %. Следует также отметить, что на взвешенных веществах, удаляемых со снегом, сорбированы наиболее токсичные органические соединения (бензо-пирен, ПАВ, фенолы), тяжелые металлы, что делает вклад СПП в очистку реки еще более значимым.
С течением времени на дне городской зарегулированной реки накапливаются попадающие с поверхностными сточными водами, смывами с полей, коммунальными и канализационными стоками отложения, в т. ч. токсичные. В результате в донных отложениях идет накопление азота, фосфора, цинка, свинца, меди, никеля, ртути, мышьяка и других веществ в
Водное хозяйство России № 4, 2016 г.
концентрациях, в десятки раз превышающих ПДК, что может привести к неблагоприятным экологическим последствиям - гибели рыб и растений, ухудшению общей экологической ситуации. Для решения этой проблемы предложены систематические промывки русла реки путем выпуска больших объемов воды [15, 16]. В процессе промывки происходит перемещение и размыв речных наносов, причем в городской части русла этот процесс более эффективен, чем на участках реки ниже города. Весенние промывки дна проводились в 1947, 1951, 1962, 1966, 1970, 1979, 1980, 1981, 1982, 1986 и 1998 гг. До 1966 г. регулируемые половодья проходили за счет естественного стока реки, после - за счет сброса накопленной в водохранилищах воды. В последние годы в связи с трудностями накопления значительных объемов воды снижается максимальная скорость и время промывок (рис. 1).
1 Максимальные скорости, м/с
Длительность промывки, час.
•Количество взвешенных веществ, перенесенных через Перервинскую плотину, тыс .т
3,5 3,0 2,5
о
2,0
I-
о
1,5 & о
1,0 О
0,5
0,0
1947 1951 1962 1966 1970 1979 1980 1981 1982 1986 1998
Годы проведения промывок дна
Рис. 1. Характеристика промывок дна по воздействию на реку [15, 16].
Применение этого управляющего мероприятия в ряде случаев давало однозначный положительный эффект на экологическое состояние реки. Например, в исследовании московских ихтиологов отмечается увеличение видового разнообразия рыб после промывки [17].
Механические перемещения донных отложений достаточно широко используются для изменения протекающих процессов в системе «вода-донные отложения» [12, 13, 18], они способствуют формированию денитрифицирующих донных сообществ и интенсифицируют трансформацию органических веществ в донных отложениях. В работе [2] показано, что для р. Москвы осуществление промывок рекомендовано проводить не чаще, чем 1 раз в пять лет, этот интервал должен увеличиваться по мере снижения нагрузки на реку по биогенным элементам и определяться по снижению скоростей самоочищения (по органическому веществу и азоту).
Водное хозяйство России № 4, 2016 г.
Целью данной статьи является выявление трендов качества речной воды на городском участке, а также исследование динамики скоростей самоочищения реки за 15 лет для оценки современного экологического состояния р. Москвы и эффективности названных выше регулирующих мероприятий.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Анализ состояния реки проводился на основе данных экологического мониторинга, осуществляемого АО «Мосводоканал» в средней и нижней частях русла (рис. 2). Рассматриваемая база данных отличается периодичностью измерений (на большинстве створов гидрохимические показатели измеряются раз в месяц), преемственностью пунктов отбора проб и схожестью методик определений.
Диффузное
загрязнение с Выпуск КОС Выпуски ЛОС
Рис. 2. Пункты экомониторинга АО «Мосводоканал» на р. Москве, по которым рассчитывались скорости самоочищения: «Выше КОС», «Выпуск КОС» и «Заозерье» - пункты ежемесячного контроля качества речной воды.
Проанализирована база данных гидрохимических показателей (содержание растворенного кислорода, взвешенных веществ, азота аммонийного, БПК5, ХПК, плотного остатка) в створе «Выше КОС» за период 19982012 гг. Рассчитаны скорости самоочищения для показателей: содержание азота (общего, Ы-ЫИ4, Ы-Ы02, Ы-Ы03), содержание органического вещества (по ХПК и БПК5), фосфатов.
Для створа «Ниже КОС» качество воды рассчитывали по формуле:
С
пниже КОС
= (С ■ О + С„п
4 река ^-река КОС
окос) / (о + окод
где Сп С
п ниже КОС
- концентрация вещества п в реке ниже выпуска;
концентрация вещества п в реке выше выпуска;
Орека - расход воды реки;
СКОС - концентрация вещества п в выпуске;
ОКОС - расход воды выпуска.
(1)
Водное хозяйство России № 4, 2016 г.
Скорости самоочищения для участка реки «Ниже КОС-Заозерье» рассчитывали следующим образом:
АР=С,1- С«)/-^ (2)
где АРуЫ- скорость самоочищения по веществу N мг/л-сут; - концентрация вещества N в створе «Ниже КОС»; СЫ2 - концентрация вещества N в створе «Заозерье»; т1-2 - время движения воды между створами.
Время движения воды между створами «Ниже КОС» и «Заозерье» рассчитывали по формуле: ьдг
Т1-2=Ё (Б • т) (3)
¡=1
где Qt - расход реки на г-ом участке в период времени £ (гидрологические данные получали ежедекадно), м3/с;
Б. - площадь поперечного сечения реки для г-го участка русла длиной от 100 до 500 м (участки были выделены последовательно от створа «Ниже КОС» до створа «Заозерье» по однородности площади сечения: створ № 1 - первый после выпуска КОС, N - створ - последний перед створом «Заозерье», м2; Ь - длина г-го участка русла, м.
Боковой приточностью, которая составляет не более 15 % от расхода реки, пренебрегали, т. к. эффект от разбавления в этом случае не превышает ошибки определения качества воды по химическим показателям.
Кроме того были рассчитаны скорости течения реки на разных участках
V = Qt Б. (4)
результаты и обсуждение
Данные по изменению качества речной воды в пункте «Выше КОС», который характеризует качество воды после поступления значительного количества поверхностных стоков с городской черты, загрязненных выпадающими на автотрассах аэрозолями, приведены на рис. 3. Особенно высокой была нагрузка от этих стоков в период снеготаяния или попадания в реку загрязненного снега. До пуска снегосплавных пунктов большая часть загрязненного снега поступала непосредственно в реку. На рис. 3 отчетливо видно, что качество воды имеет тренд на улучшение по всем приведенным показателям. Годы пуска системы снегосплавных пунктов в эксплуатацию (2005-2006 гг.) являются «переломным» моментом на всех графиках. В речной воде содержание взвешенных веществ снизилось в среднем за 15 лет на 75 %, содержание органического вещества (по ХПК и БПК) - на 50 %, содержание аммонийного азота - на 90 %.
Водное хозяйство России № 4, 2016 г.
А %
90 80 70 60 50 40 30 20 10
-Растворенный кислород, дефицит Содержание растворенного кислорода
мг/л 14 12 10 8 6 4 2
Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Б
хпк бпк5,
Даты
бпк5, мг02/л 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель АпрельАпрель АпрельАпрель Апрель Апрель Апрель 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
0
Даты
В
мг/л 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Азот аммонийных солей -Азот нитратов
Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель
Апрель Апрель 2005 2006
Апрель Апрель 2011 2012
Даты
Плотный остаток, мг/л 700 600 500 400 300 200 100
Плотный остаток -Взвешенные вещества Взвешенные вeщecтвa,
мг/л 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель Апрель
2005 2006 2007
Апрель Апрел| 2011 2012
Даты
Рис. 3. Многолетняя динамика показателей качества воды выше выпуска Курьяновских очистных сооружений.
Водное хозяйство России № 4, 2016 г.
0
Г
Особенно стоит отметить, что данное снижение оценено по средним годовым значениям. Тогда как максимальные значения этих показателей наблюдались как раз в зимне-весенний период и если оценивать снижение по этому периоду года, то улучшение качества воды еще заметнее. Одним из признаков улучшения качества воды и донных отложений на городском участке реки стало разрастание макрофитов (кубышка желтая и кувшинка белая) в период после 2006-2007 гг. между Карамышевским и Перервинским гидроузлами, чего ранее не наблюдалось.
Проведенная оценка скоростей самоочищения на участке ниже КОС показала иную картину (рис. 4). По таким показателям, как ХПК, БПК5, содержание минеральных форм азота и фосфора скорости самоочищения были максимальными в период 1999-2006 гг. и снизились по всем показателям за 15-летний период. Так, скорость самоочищения по Ы-ЫИ4 снизилась с 1999 по 2005 гг. с 1,5 до 0 мг/л-сут и стала иметь отрицательные значения после 2010 г. Скорость самоочищения по биоокисляемому органическому веществу сохранялась достаточно стабильной в течение последних лет после промывки 1998 г. - около 0,5 мг/л-сут, что свидетельствует о стабильном функционировании бактериопланктона на данном участке реки в этот период. Однако после 2010 г. скорость по трудноокисляемому веществу снизилась до 0 и стала также иметь отрицательные значения. Аналогичные тренды наблюдались по остальным показателям.
Таким образом, с 2006-2010 гг. река утратила способность к самоочищению по всем веществам на изучаемом участке. Более того, в р. Москве стали преобладать процессы загрязнения от донных отложений. Это означает, что возможность седиментации взвешенных частиц в местах расширения русла и переработки органического вещества бентосным сообществом за этот период были исчерпаны. Получается, что если на городском участке реки произошло улучшение экологического состояния (по интегральным оценкам), то на участке ниже КОС такого не наблюдается. При этом за 2006-2010 гг. значительно улучшилось качество очищаемых бытовых стоков. На КОС введена новая система очистки стоков с удалением биогенных элементов. На этот период приходится также начало функционирования одного из названных выше регулирующих мероприятий: введение в строй системы снегосплавных пунктов, которое значительно снизило поступление загрязняющих веществ в реку. Однако к моменту запуска этой системы донные илы уже накопились и возможность их переработки бентосным сообществом маловероятна.
Еще одним важным фактором, влияющим на процессы самоочищения в последние 15 лет, является изменение скоростей течения р. Москвы за счет уменьшения обводнения волжской водой по каналу и уменьшения городского водопотребления (отражающегося в расходах очистных станций бытовых стоков).
Водное хозяйство России № 4, 2016 г.
Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
мг/(л сут) 2,0 ■
Азот аммонийный
щ 'шам нашм
у рг
Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Азот нитритов
Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Рис. 4. Скорости самоочищения на участке от выпуска Курьяновских очистных сооружений до пункта Заозерье (БПК6, ХПК, азот аммонийный,
азот нитритов).
Водное хозяйство России № 4, 2016 г.
Азот суммарный минеральный
Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Фосфор фосфатов
' Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль Июль 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Рис. 4. Скорости самоочищения на участке от выпуска Курьяновских очистных сооружений до пункта Заозерье (азот суммарный минеральный,
фосфор фосфатов).
В городской реке всегда происходит формирование специфических биотопов под влиянием антропогенно обусловленных гидрологических факторов. Если любая равнинная река снижает скорость к устью, то река, обводненная водой из другого бассейна, имеет тенденцию к убыстрению скорости течения (рис. 5). В верхней, не зарегулированной части, р. Москвы скорости течения составляют 0,1-0,3 м/с, в среднем течении (где сказывается влияние плотин и существенно изменено русло) скорости течения 0,05-0,20 м/с. После поступления в реку очищенных вод скорости возрастают до 0,80 м/с на некоторых участках (рис. 5).
Как известно, скорости течения важны для формирования в реке условий для удаления азота и токсичных органических веществ [2, 11]. В период 2000-2005 гг. на участке реки ниже КОС сложились оптимальные скорости течения, которые формировали условия для удаления половины поступающего в реку азота и органического вещества [2]. Важной частью функционирования речного бактериоценоза являлся придонный взмучиваемый слой, богатый бактериями нитри- и денитрификаторами.
В последние 15 лет наблюдается уменьшение расхода реки по причине снижения водопотребления города и, соответственно, расходов бытовых сточных вод, а также снижение обводнения волжской водой. Так, для
Водное хозяйство России № 4, 2016 г.
м/с
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
Участокреки, длякоторого измерялись скорости самоочищения
5544
9988
км от устья
Рис. 5. Изменение средних скоростей течения в межень по руслу р. Москвы.
0
участка от выпуска КОС до Заозерья с 1995 по 2012 гг. время движения воды увеличилось почти вдвое (от 60-80 до 80-100 ч). С одной стороны, это приводит к тому, что пребывание воды в однородных геоэкологических зонах увеличивается, что повышает потенциальные возможности к автоселекции специфических бактериальных сообществ в биотопах и возможность самоочищения. Вместе с тем, снижение скорости реки приводит к расширению зон седиментации и нарушает сложившееся равновесие процессов обмена в системе «вода-донные отложения», что потенциально может увеличить вторичное загрязнение от донных отложений (по биогенным элементам, металлам). Кроме того, снижение скорости течения уменьшает мощность придонного взмучиваемого слоя, что снижает скорости самоочищения по азоту на нижнем участке реки [11].
Так, в районе расширения русла Братеево-Беседы скорости течения снизились значительно ниже критической скорости размывания глинистых частиц (0,08 м/с) и составляют с 2006 г. в среднем 0,06 м/с (рис. 6). А это значит, что «мощность» взмученного слоя, который играет важную роль в самоочищении реки от азота, заметно снизилась, что может быть одной из основных причин снижения скоростей самоочищения от общего азота.
Таким образом, причиной ухудшения экологического состояния реки является недостаточная ассимиляционная возможность речной экосистемы, низкий потенциал самоочищения. Это связано с тем, что нынешний расход р. Москвы вместе с подаваемыми в город волжскими водами (через водопроводно-канализационную систему и для обводнения) более чем в два раза превышает ее естественный расход: увеличение скоростей течения уменьшило время пребывания воды в речных зонах, где происходит самоочищение. Гранитные набережные не позволяют развиваться прибрежной растительности вдоль берегов, наличие гидротехнических сооружений привело к изменению естественных местообитаний речных
Водное хозяйство России № 4, 2016 г.
м/с ♦ Скорость течения реки в местах седиментации в городской черте (Братеево-Беседы), м/с —(^Скорость течения реки в местах седиментации ниже городской черты, м/с ^^—Критическая скорость для размывания глинистых частиц
0,19 0,17 0,15 0,13 0,11 0,09 4 1 1 1 4 ■а гт* 1 и ; ■ ■■ 1 1 43 1 я # ^ ! -
0,07 0,05 «яиц?
о от 99 99 О .0 ^ О со а со Г I С СК оч-очсо^юаэг-сооточ-сч 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0000000000000 <4<4<4<4<4<4<4<4<4<4<4<4<4 .0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0-0.0 С1С1С1С1С1С1С1С1С1С1С1С1С1 сососососососососососососо СОСОСОСОСОСОСОСОСОСОСОШСО ххххххххххххх Рис. 6. Многолетняя динамика скоростей течения выше и ниже выпусков в зонах седиментации. Январь 2013 -
сообществ. Значит, экологическое состояние реки должно поддерживаться за счет искусственных мероприятий: необходимо либо регулярно проводить промывку дна аналогично последней промывке 1998 г., либо стимулировать разложение донных илов биологическими методами. Такие методы давно используются в мире. Это, например, заселение дна реки двустворчатыми моллюсками или видами рыб, которые предпочитают питаться бентосными организмами. Сейчас плотины р. Москвы являются, по сути, непреодолимыми препятствиями для ряда гидробионтов и участки реки между плотинами можно условно рассматривать как отдельные водоемы. Известны способы создания специфических местоообитаний в зонах поступления наиболее грязных стоков за счет строительства биоплато или фито-очистных сооружений [20, 21].
Учитывая все вышеназванные причины снижения скоростей самоочищения, можно утверждать, что промывка дна должна улучшить экологическое состояние реки и повысить ее самоочищающую способность. Однако долговременным решением проблемы является увеличение самоочищающего потенциала реки за счет строительства искусственных местообитаний для перифитонных и бентосных сообществ по руслу и на выпусках загрязненных стоков. Поэтому предлагаются следующие меры для улучшения экологического состояния р. Москвы:
- проведение промывок дна реки большими объемами воды из водохранилищ с интервалом в пять лет (при существующем режиме обводнения реки и без строительства биоплато);
Водное хозяйство России № 4, 2016 г.
- строительство фито-очистных сооружений в устьях самых загрязненных стоков;
- искусственное разведение гидробионтов, повышающих самоочищающую способность реки в разных геоэкологических зонах (между плотинами).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполненные по оценке скоростей самоочищения исследования указывают на наличие в р. Москве чрезмерного органического загрязнения. Гидробионты, получающие развитие в экосистеме реки, не могут включить в биотический круговорот поступающее количество растворенного и взвешенного органического вещества. В результате оно накапливается в донных отложениях в виде детрита, что приводит к вторичному загрязнению.
Показано, что для оценки экологического благополучия реки может быть использована в качестве интегрального показателя скорость самоочищения по биогенным элементам, ХПК и БПК5. Судя по скоростям самоочищения, на участке р. Москвы ниже выпуска КОС наблюдается вторичное загрязнение соединениями азота, фосфора и органическими веществами с 2006-2010 гг.
Отмечено, что улучшение качества воды возможно путем промывки дна, регулирования процессов самоочищения через создание биоплато, фито-очистных сооружений, а также целенаправленного разведения специфических гидробионтов в реке. Экомониторинг является основой для регулирования состояния реки и его информативность должна повышаться в результате оценки функционирования экосистемы реки и интенсивности процессов самоочищения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шитиков В.К., Розенберг Г.С., Зинченко Т.Д. Количественная гидроэкология: методы системной идентификации. Тольятти: ИЭВБ РАН, 2003. 463 с.
2. Щеголькова Н.М., Веницианов Е.В. Охрана загрязненной реки: интенсификация самоочищения и оптимизация водоотведения. М.: РАСХН, 2011. 388 с.
3. Бигон М., Харпер Дж., Таунсенд К. Экология. Особи, популяции и сообщества. Т. 1. М.: Мир, 1989. 667 с.
4. Крылов А.В. Зоопланктон равнинных малых рек / отв. ред. В.Т. Комов. М.: Наука, 2005. 263 с.
5. Кузнецов В.А. Изменение экосистемы Куйбышевского водохранилища в процессе ее формирования // Водные ресурсы. 1997. Т. 24. № 2. С. 228-233.
6. Алексевнина М.С., Преснова Е.В. Многолетняя динамика развития зообентоса Воткинского водохранилища и изменение кормовой базы рыб // Рыбные ресурсы Камско-Уральского региона и их рациональное использование. Пермь: Изд-во ПГИ, 2001. С. 11-13.
7. Францев А.В. Некоторые вопросы рациональной конструкции и эксплуатации водохранилищ и каналов // Технология очистки природных и сточных вод. Вып. 1. М.: Московский рабочий, 1977. 176 с.
Водное хозяйство России № 4, 2016 г.
8. Козлова H.M. Процессы самоочищения и определение необходимой степени очистки сточных вод (на примере р. Москвы) // автореф. дисс. ... канд. техн. наук. М., 1976 (МИСИ им. В.В. Куйбышева). 17 с.
9. ^нельников B.E. Механизм самоочищения водоемов. М.: Стройиздат, 198G. 111 с. 1G. Решетняк, O.C., ^каноров A.M., Костенко Л.О Антропогенная трансформация
водной экосистемы нижней Волги // Водные ресурсы. 2G13. Т. 4G. № б. С. 623-632.
11. Щеголькова H.M., Козлов M.H., Данилович A.A., Mойжес О.В. Роль московских очистных сооружений в самоочищении р. Москвы по азоту // Экология и промышленность России. 2GG7. № 3. С. 4G-43.
12. Mélanie Raimonet, Lauriane Vilmin, Nicolas Flipo, Vincent Rocher, Anniet MLaverman. Modelling the fate of nitrite in an urbanized river using experimentally obtained nitrifier growth parameters // Wat. Res., IWA Publishing. 2015, 73, Р. 373-387.
13. Fenchel T., King G.M., Blackblrn T.H. Bacterial Biogeochemistry: ^e Ecophysiology of Mineral Cycling. Second Edition. San Diego: Elsevier Academic Press, 1998. 3G7 p.
14. АО «Мосводоканал» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.mosvodokanal.ru.
15. Бочаров В.В., Быков Л.C, Даценко Ю.C. и др. Канал им. Москвы: 50 лет эксплуатации / под ред. Л.С. Быкова и А.С. Матросова. М.: Стройиздат, 1987. 24G с.
16. Храменков CB., Загорский В.A., Курятникова И.В., Вандергюхт Л.E, Ллексеева Г.К., Деменкова Т.П. 1GG лет канализации Москвы. М.: Прима-Пресс, 1998. 504 с.
17. Шатуновский, MM., Огнев E.H, Cоколов Л.И., Цепкнн E.A. Рыбы Подмосковья. М.: Наука, 1988.143 с.
18. Hiscock K.M., Lloyd J.W., Lemer D.N. Review of natural and artificial denitrification of groundwater // Wat. Res. IWA Publishing. 1991. Ш. 25. № 9. P. 1G99-1111.
19. DoriozJ.M. Phosphorus storage, transport and transformations in river systems of the Lake Leman basin // Sediment and phosphorus, NERI Technical Report 178, 199б. Р. 81-88.
2G. Рыбка К.Ю., Щеголькова H.M., Aлмашин Д.C., ^рипчинский A.К.. Использование фито-очистных систем для очистки от ксенобиотиков в климатических условиях России // Вода: химия и экология. 2015. № 7. С. 29-38. 21. Щеголькова H.M., Диас В., Криксунов E.A., Рыбка К.Ю. Фито-системы для очистки сточных вод: современное решение экологических проблем // Наилучшие доступные технологии водоснабжения и водоотведения. 2015. № 2. С. 46-55.
Сведения об авторах:
Щеголькова Наталия Михайловна, д-р биол. наук, ведущий научный сотрудник, ФГБУН «Институт водных проблем Российской академии наук» (ИВП РАН), Россия, 119333, Москва, ул. Губкина, д. 3; e-mail: [email protected]
Веницианов Евгений Викторович, д-р физ.-мат. наук, заведующий лабораторией охраны вод, ФГБУН «Институт водных проблем Российской академии наук» (ИВП РАН), Россия, 119333, Москва, ул. Губкина, д. 3; e-mail: [email protected] Рыбка Ксения Юрьевна, аспирант, ФГБУН «Институт водных проблем Российской академии наук» (ИВП РАН), Россия, 119333, Москва, ул. Губкина, д. 3
Звезденкова Галина Александровна, младший научный сотрудник, лаборатория охраны вод, ФГБУН «Институт водных проблем Российской академии наук» (ИВП РАН), Россия, 119333, Москва, ул. Губкина, д. 3; e-mail: [email protected] Скрипчинский Арсений Константинович, аспирант, ФГБУН «Институт водных проблем Российской академии наук» (ИВП РАН), Россия, 119333, Москва, ул. Губкина, д. 3; e-mail:[email protected]
Водное хозяйство России № 4, 2G16 г.
