CC BY
56
УДК 504.45.05.06
ВЛИЯНИЕ ЗАТОПЛЕННЫХ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОСТАТКОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ ГИДРОХИМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ВОДОЕМА-ОХЛАДИТЕЛЯ БЕРЕЗОВСКОЙ ГРЭС-1. 1. ВЛИЯНИЕ ЗАТОПЛЕННОГО ТОРФА НА КАЧЕСТВО ВОДЫ ВОДОЕМА-ОХЛАДИТЕЛЯ
© О.Г. Морозова', С.М. Репях, С.В. Морозов
Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия) e-mail: repyakh@ sibstu.kts.ru
Наблюдения за показателями качества воды, проводимые с момента заполнения водоема-охладителя БГРЭС-1, позволили выявить особенности формирования гидрохимического режима в условиях мощного антропогенного воздействия на экосистему водоема. Среди различных факторов, воздействующих на формирование гидрохимического режима водоема в период заполнения, существенную роль играют процессы взаимодействия воды с затопленными растительными материалами - древесной, кустарниковой растительностью, торфяными почвами. Затопленный торф непосредственно влияет на качество воды, увеличивая концентрацию биогенных и растворенных органических веществ; косвенное влияние его на качество воды выражается в увеличении концентрации тяжелых металлов в воде, перешедших из донных отложений в водную фазу в процессе образования комплексных соединений металлов с гуминовыми веществами торфа, обладающими хелатной структурой.
Введение
Проблемы производства энергии и охраны окружающей среды являются самыми актуальными. Они взаимосвязаны, так как необходим экологически грамотный подход при планировании, сооружении и эксплуатации предприятий энергетики. Около 80% электроэнергии во всем мире вырабатывается тепловыми электростанциями, которые являются наиболее крупными промышленными потребителями воды. Общий объем потребляемой тепловыми электростанциями воды в России и СНГ превышает 100 км3 [1].
Проблемы рационального использования водных ресурсов приобрели особое значение в условиях современной экономической ситуации. Создание водоемов-охладителей требует, кроме больших капиталовложений, отчуждения плодородных пойменный земель, что для сельскохозяйственного производства Сибири имеет более тяжелые последствия, чем для Европейской части России. В таежных районах, которые занимают пространства Сибири, сельскохозяйственные угодья сосредоточены в основном в поймах рек и при сооружении водохранилищ затопляются. Поэтому зачастую под ложе водохранилищ отводят заболоченные пойменные территории, но в этом случае возникают серьезные проблемы с качеством воды водохранилищ и водотоков нижнего бьефа.
Целью настоящей работы является выявление особенностей формирования гидрохимического режима водоема-охладителя Березовской ГРЭС-1, который был заполнен без соблюдения требований
* Автор, с которым следует вести переписку.
“Санитарных правил по подготовке ложа водохранилища и каналов к затоплению и санитарной охране их” (утвержденных Главным Госсанинспектором СССР 19 мая 1956 г. №215-56). Недостаточная изученность природных условий района строительства дала ошибочную возможность проектировщикам считать благоприятным водный фактор при действительном остром дефиците водных ресурсов, вызванном неблагоприятным пространственно-временным распределением стока и значительном загрязнении малых рек этого района.
Характеристика водоема-охладителя Березовской ГРЭС-1
Водоем-охладитель создан зарегулированием стока р. Берешь, принадлежащей бассейну Верхнего Чулыма, расположен в лесостепной зоне юго-западной части Красноярского края, в предгорьях Восточного Саяна. Площадь зеркала водоема-охладителя при НПУ - 33,37 км2, полный объем - 193 км3, средняя глубина водоема - 5,79 м, максимальная - до 15 м; площадь мелководий с глубиной не более трех метров составляет около 19 км2 [2]. Характер регулирования стока - сезонный, водообмен в водохранилище в маловодные годы происходит всего один раз в год; такие условия водообмена являются наименее благоприятными для формирования гидрохимического режима по сравнению с условиями, которые реализуются на других действующих в стране водоемах-охладителях тепловых электростанций.
Ложе водохранилища не было подготовлено к заполнению, лишь с затопляемых сельскохозяйственных угодий частично снимался гумусовый горизонт. Не были проведены сводка древесной, кустарниковой растительности и выборка торфа. В результате в ложе водоема-охладителя было затоплено торфяное месторождение объемом 30,7 млн. м3, общая площадь торфяного месторождения в границе нулевой глубины залежи 4 358 га, затапливаемая площадь на границе нулевой глубины 2956 га [1].
Проведенными изысканиями установлено, что основной массив торфяников, расположенный в западной части водохранилища, способен всплывать после наполнения водохранилища. Кроме основного торфяника, в ложе водохранилища находится еще 1 2 болот с торфяными залежами мощностью от 0,3 до 3,0 м. Пространства междуречий рек Берешь, Базыр, Кадат заняты залежами от 0,5 до 1,0 м. Минеральное дно торфяников сложено суглинками; почти вся поверхность торфяного месторождения покрыта древесной растительностью и кустарником (табл. 1 ).
В западной и восточной частях месторождения наибольшую площадь занимает торф низинного типа. Степень разложения торфа колеблется в больших пределах: от 10 до 45%. Зольность торфа невысокая, находится в пределах 8,0 - 12,0%, средняя влажность торфа 88,0%. В центральной и южной частях месторождения расположены залежи с мощностью до 3,3 метра преимущественно верхового типа. Степень разложения здесь низкая - от 7 до15%, средняя зольность 4,2 %, влажность 93%. В северной части месторождения находится торф переходного типа со средней степенью разложения 15%, зольностью от 1,8 до 23% и влажностью 91,2%.
Сооружение водохранилища требовало инженерного решения задачи удаления торфа из зоны затопления или снижения угрозы его массового всплывания. В качестве мер борьбы с потенциальным всплыванием торфа были рассмотрены варианты пригрузки торфа песчано-гравийным грунтом, отделение дамбой участка водохранилища, удаление из водохранилища всплывающего торфа в период
Таблица 1. Распределение отчуждаемой территории под водохранилище по составу угодий
Наименование Площадь, га
Пашня 204,0
Луг 196,0
Луг с редким кустарником и кочками 479,0
Кустарник 3,0
Болото с кустарниками 2683,0
Прочие 53,0
эксплуатации. Вариант выборки торфа из ложа водохранилища не был принят к рассмотрению, так как при подготовке этого вопроса выяснилось, что в стране отсутствует не только промышленное предприятие, способное осуществить работы по выемке торфа в условиях зыбунного торфяника, но и научно-исследовательского проектного института, способного выполнить проект данной работы.
ориентировочные расчеты показали, что время выборки торфа из ложа при существующих способах добычи растянется более чем на два десятилетия; к тому же торф месторождения был отнесен к категории непромышленного значения. Выполнение работ потребовало бы привлечения большого количества техники, устройства специальных дорог, что было признано экономически неоправданным.
Поверхность акватории водохранилища после заполнения его покрылась всплывшими древесиной и торфяными островами. Попадание плавающего торфа, проходящего через боковые заграждения в приплотинную часть акватории водоема, снижали пропускную способность плотины, требовали дополнительных затрат по очистке водоводов. Скопление затонувшего торфа в галереях щелевого водозабора электростанции изменяло гидравлический режим работы водозаборного сооружения, способствовало дополнительному выносу в подводящий канал мелких фракций торфа, которые беспрепятственно преодолевали решетки и вращающиеся сетки. Предусмотренные способы очистки в данной ситуации были неэффективны.
Беспрецедентный случай затопления огромного количества торфа в водохранилище Березовской ГРЭС создал ситуацию экологического риска для существования экосистемы водоема. При затоплении торфяных почвенных массивов всплывание торфа происходит при достижении определенных сумм эффективных средних суточных температур. Сроки всплывания ускоряются при сбросе в водоем подогретых вод ГРЭС. В условиях естественного термического режима в ложе водоема-охладителя БГРЭС-1 оттаивание вечномерзлых участков торфяников в первый год заполнения ориентировочно достигло 90-100 см глубины, в последующие годы процесс оттаивания торфяника несколько замедлился. Процесс оттаивания протекал также за счет механического разрушения всплывших торфяных островов под действием воды и движения водных масс.
Экспедиционными исследованиями, проведенными Горьковской геологоразведочной экспедицией на Горьковском, Рыбинском, Новосибирском, Хантайском водохранилищах, а также на водоемах-охладителях Сургутской, Рефтинской, Курганской ГРЭС, установлено, что причинами всплывания торфяных массивов являются как гидрометеорологические факторы, так и стратиграфическое строение торфяной залежи, морфометрические особенности водоема, растительный покров. они совместно влияют на силы сцепления с нижележащими слоями торфа и пород, приводя к всплыванию торфяных массивов.
К гидрометеорологическим факторам в первую очередь относится климат, который обусловливает сезонные колебания температур воздуха, воды, торфяной залежи. Стратиграфическое строение торфяной залежи, высокие летние температуры воды водоема-охладителя БГРЭС-1 благоприятствуют всплыванию торфяных слоев, которые находятся на глубинах, здесь процессы тепло- и массообмена протекают достаточно интенсивно; при этом в затопленном торфе развиваются процессы газообразования.
Взаимодействие указанных факторов, а также продолжительные штилевые условия в жаркий летний период благоприятны для развития микроорганизмов, которые участвуют в процессах газообразования в торфяном массиве. Как известно, в биохимических процессах превращения органического вещества торфа участвуют представители многих групп почвенных микроорганизмов. Всплывание торфа на водоеме-охладителе произошло еще по причинам, обусловленным спецификой месторождения «Сосняк-Казрак», а именно: низкого объемного веса вечномерзлых слоев торфа; поднятие зыбунных участков залежи и продуктов морозного выветривания поверхностных слоев торфа.
Гумусовые вещества, которые входят в состав торфа, обладают высокой комплексообразующей способностью благодаря своему химическому составу и строению [3]. Макромолекулы гумусовых веществ содержат многочисленные функциональные группы, они активно взаимодействуют с минеральными и органическими компонентами водной среды.
Гумусовые вещества способны сорбировать минеральные компоненты из водной среды; механизмы взаимодействия могут быть различными: ионный обмен, комплексообразование, хемосорбция.
Полифункциональность гуминовых соединений обуславливает их полидентатность; при взаимодействии с тяжелыми металлами образуются устойчивые комплексные соединения хелатного типа. По уменьшению прочности образуемого комплекса с фульвокислотами в качестве лигандов, при РН около 8,0 металлы можно расположить в следующий последовательный ряд [ 4 ]:
Н^+ > Си2+ > №2+ - ги2+ > Со2+ > Мп2+ - еа2+ > Са2+ >Ыя2+.
Таким образом, гуминовые соединения в природных водах способны связывать тяжелые металлы в прочные комплексы и таким образом влиять на их миграцию в гидросфере; при вхождении иона металла в координационную сферу изменяется его биологическое поведение в водных экосистемах. При переходе в форму металлокомплексов может происходить увеличение суммарной концентрации металлов в воде за счет перехода их в раствор из осадка; токсичность металла при этом может сильно изменяться. Мембранная проницаемость комплексных ионов, имеющих нейтральный заряд, может оказаться более высокой, чем у гидратированных ионов; повышенная мембранная проницаемость может усиливать эффект токсичности металла.
Затопленный торф является источником растворенных органических и биогенных веществ, которые поступают в водоем в результате процессов выщелачивания [5]. Особенно значительно поступление из торфяников соединений фосфора [6], вынос которого происходит благодаря накоплению фосфата закисного железа, отличающегося хорошей растворимостью в восстановительных условиях, реализующихся при затоплении торфяников.
Таким образом, затопление больших объемов торфа при сооружении водоема-охладителя БГРЭС-1 представляет серьезную экологическую проблему в плане ухудшения качества воды в водоеме и его
нижнем бьефе - реках, используемых в качестве источников питьевого водоснабжения городов и поселков.
Экспериментальная часть
В основу организации натурных наблюдений на водоеме-охладителе Березовской ГРЭС-1 положены принципы комплексности и систематичности наблюдений, согласованности сроков проведения с характерными гидрологическими фазами, определения показателей качества воды едиными стандартными методиками, обеспечивающими требуемую точность определения, качество и надежность информации. Наблюдения на водоеме осуществлялись в контрольных створах, определенных в соответствии с принятыми правилами [7] в характерные гидрологические фазы по программе, предусматривающей отбор и анализ проб воды по основным гидрохимическим и гидробиологическим показателям качества воды [8, 9].
На водоеме были установлены контрольные створы с вертикалями в верхней, центральной и приплотинной частях водоема, их местоположение выбиралось с учетом гидрометеорологических факторов и геоморфологических особенностей береговой линии водоема. Пробы воды, усредненные во времени, отбирали с поверхностного и придонного горизонтов; в центральной, самой глубоководной части водоема, отбор проб осуществлялся с пяти горизонтов. Отбор проб воды производили батометром Молчанова, пробы донных отложений отбирали дночерпателем Петерсена. В зимний период пробы отбирались из-подо льда; продолжительность ледового режима на водоеме составляет 5-6 месяцев, толщина льда колеблется от 0,7 м и более, а в холодные зимы достигает 1,4 м.
В верховьях водоема расставлены точки 1 , 2, 3 в районе устьев рек Базыр, Берешь, Кадат соответственно, они находятся в левобережье, середине и правобережье водоема и контролируют качественный и количественный состав загрязняющих веществ, поступающих с речным стоком. Второй створ установлен в центральной, самой глубоководной части водоема, где происходит усреднение качества воды рек, формирующих водоем. В правобережье этого створа установлена точка 4, расположенная в устье сбросного канала, она контролирует качество сбрасываемой теплоэлектростанцией воды; в левобережье осуществляется контроль качества воды в районе основного торфяного месторождения (точка 5). В нижней части водоема контролируется качество воды в районе водозабора ГРЭС (точка 7) и в приплотинной части водоема (точка 8). Контроль качества воды в нижнем бьефе водоема-охладителя осуществляется в точке 9, расположенной в 500 м от водосбросной плотины.
Таким образом, контроль параметров качества воды в этих точках позволяет оценить на качественном и количественном уровнях аллохтонное и автохтонное поступление органических, биогенных веществ в воду, получить статистический ряд данных по показателям качества воды для выявления факторов и закономерностей процессов самоочищения водного объекта.
Обсуждение результатов
В первые два года после наполнения водохранилища на качество воды решающее влияние оказывали процессы взаимодействия воды с затопленными растительностью, торфяными почвами ложа и поступление с речным стоком, особенно со стоком р. Кадат, химических и микробиологических загрязнений.
В последующие годы процессы разложения торфа в ложе стали оказывать большее влияние на качество воды, так как в результате всплывания, размельчения торфяных массивов, диспергированности частиц торфа увеличилась поверхность контакта торфа с водой, и таким образом увеличилась скорость процессов разложения веществ торфа.
Таблица 2. Содержание растворенного кислорода и органического вещества в пробах воды водоема-охладителя
Год Район устья р. Базыр Район основного торфяника
цветность, градусы О2, мг/л ПО, мг О/л цветность, градусы О2, мг/л ПО, мг О/л
80 1,8 13,6 40 8,4 13,8
70 3,8 20,0 20 12,6 11,0
70 6,0 48,9 40 11,0 12,4
1989
80 8,5 48,9 40 6,9 14,4
80 4.0 75,5 40 10,8 30,5
80 3,2 110,2 30 10,4 36,8
120 6,8 32,0 60 7,0 12,2
80 4,2 28,4 30 11,4 10,2
100 6,6 65,0 50 11,8 16,0
1990
100 5,4 58,4 50 12,0 18,4
120 6,6 52,3 60 11,8 18,3
120 6,4 56,2 60 11,6 16,0
120 1,2 32,0 60 11,4 12,4
100 1,2 32,0 30 12,4 10,2
110 6,4 43,8 40 10,8 19,4
1991
120 3,8 47,0 40 10,4 21,4
140 7,2 50,3 50 12,4 30,4
140 3,8 68,3 60 11,2 32,2
Влияние затопленных торфяников на содержание органических и биогенных веществ в первые годы заполнения водоема-охладителя БГРЭС-1 особенно явно наблюдалось в районе основной залежи торфа (точка 5), где в этот период содержание растворенного органического вещества (РОВ) было более высоким по сравнению с содержанием РОВ в районах устья рек. Повышенные значения цветности воды в этой точке свидетельствуют о гуминовой природе определяемого органического вещества в данной части акватории водоема. Величина цветности воды коррелирует с содержанием гуминовых и фульвокислот, выделяемых торфом, поэтому она является косвенным показателем их содержания в воде. В таблице 2 приведены данные по содержанию растворенных кислорода, органического вещества (по перманганатной окисляемости) и цветности проб воды, отобранных в период 1989-1991 гг., в характерные гидрологические фазы (шесть раз в год, начиная с января) с поверхностного горизонта акватории водоема-охладителя.
Присутствующие в воде растворенные гуминовые вещества влияют на физико-химическое состояние соединений тяжелых металлов в воде. Как показывают данные таблицы 3, повышенные содержания металлов наблюдаются в районе устья рек, особенно Кадат (точка 3) и Берешь (точка 2). Таким образом,
соединения металлов поступают в водоем в основном со стоком рек Кадат и Берешь, в меньшей степени с речным стоком Базыра, это объясняется меньшей освоенностью территории водосбора р. Базыр.
В пробах донных отложений были обнаружены повышенные концентрации металлов по сравнению с их содержанием в воде (табл. 4), что говорит об аккумуляции соединений металлов в донных отложениях. В процессе комплексообразования металлов с гуминовыми веществами, содержание металлов в воде водоема повышается за счет извлечения их из донных отложений. Таким образом, донные отложения являются источником вторичного загрязнения водоема металлами.
Таблица 3. Концентрации металлов (мг/л) в пробах воды водоема-охладителя БГРЭС-1, июль 1987 г.
№ точки А1 V Мп 7п Си Мо N1 Нё
1 0,008 0,001 0,021 0,012 0,003 0,001 0,001 0,000
2 0,008 0,001 0,021 0,013 0,003 0,002 0,001 0,000
3 0,003 0,001 0,024 0,017 0,012 0,001 0,001 0,000
4 0.003 0,001 0,008 0,021 0,008 0,001 0,001 0,000
5 0,000 0,001 0,024 0,021 0,005 0,001 0,001 0,000
5 дно 0,000 0,001 0,011 0,008 0,002 0,001 0,000
6 0,000 0,001 0,016 0,012 0,005 0,002 0,001 0,000
6 дно 0,012 0,002 0,021 0,006 0,002 0,001 0,000
7 0,010 0,001 0,018 0,014 0,007 0,002 0,002 0,000
7 дно 0,000 0,002 0,004 0,007 0,002 0,001 0,000
8 0,000 0,001 0,018 0,016 0,005 0,002 0,001 0,000
8 дно 0,000 0,002 0,015 0,010 0,001 0,001 0,000
Таблица 4. Концентрации металлов (в мг/л) в пробах донных отложений на водоеме-охладителе БГРЭС-1, июль 1987 г.
№ точки А1 V Мп Си Мо N1 Ее
1 0,000 0,002 0,001 0,006 0,002 - -
2 0,003 0,002 0,050 0,007 0,003 0,002 - 0,106
3 0,040 0,003 0,027 0,007 0,005 0,001 0,010 0,120
6 - 0,001 0,080 0,010 0,002 0,002 - 0,024
8 - 0,001 0,080 0,010 0,002 0,002 - 0,020
Выводы
Таким образом, проведенные наблюдения в первые годы наполнения водоема-охладителя БГРЭС-1 позволили выявить особенности формирования гидрохимического режима, которые обусловлены комплексом природных и антропогенных факторов. В первую очередь сказывается влияние почв и растительности ложа, процессы взаимодействия воды с затопленными растительными материалами -древесной, кустарниковой растительностью, торфяными почвами. Влияние затопленного торфа непосредственно проявляется в ухудшении качества воды, увеличении концентрации биогенных и растворенных органических веществ. Увеличение концентрации тяжелых металлов в воде, извлеченных из донных отложений в водную толщу в ходе процессов комплексообразования металлов с гуминовыми веществами торфа, также негативно сказывается на качестве воды.
Список литературы
1. Авакян А.Б., Широков В.М. Рациональное использование и охрана водных ресурсов: Учеб. для вузов. Екатеринбург, 1994. 319 с.
2. Березовская ГРЭС-1. Технический проект. Часть IV. Техническое водоснабжение (пояснительная записка). Ростов/Дон, 1976. 140 с.
3. Почвоведение: Учеб. для вузов / Под ред. И.С. Кауричева. М., 1989. 719 с.
4. Лапин И. А., Красюков В.Н. Роль гумусовых веществ в процессах комплексообразования и миграции металлов в природных водах // Водные ресурсы. 1986. № 1. С. 134-144.
5. Топачевский А.В., Цееб Я.Я., Сиренко Л.А., Макаров А.И. «Цветение» воды в результате нарушения процессов регуляции в биоценозах // Биологическое самоочищение и формирование качества воды. М., 1975. С. 41-49.
6. Кондратьев К.Я., Коплан-Дикс И.С. Эволюция круговорота фосфора и эвтрофирование природных вод. Л., 1 988. 204 с.
7. Методические указания по принципам организации системы наблюдений и контроля за качеством воды водоемов и водотоков. Л., 1984. 40 с.
8. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши. Л., 1984. С. 172.
9. Руководство по гидробиологическому анализу поверхностных вод суши. Л., 1984. 172 с.
Поступило в редакцию 22 февраля 2001 г.
