ВЫБОР ПРИОРИТЕТНЫХ ДЕЙСТВИЙ, НАПРАВЛЕННЫХ НА ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ РЕАБИЛИТАЦИЮ НЕПРОТОЧНЫХ И МАЛОПРОТОЧНЫХ ОЗЕР Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 556.5:502.3 DOI: 10.35567/1999-4508-2017-5-5

выбор приоритетных действий, направленных на экологическую реабилитацию непроточных и малопроточных озер

© 2017 г. А.Н. попов

ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт

комплексного использования и охраны водных ресурсов», г. Екатеринбург, Россия

Ключевые слова: экологическая реабилитация, фосфорная нагрузка, внешние источники загрязнения, внутренние источники загрязнения, удельная фосфорная нагрузка, показатель антропогенной нагрузки, озеро, лимитирующие показатели воздействия.

А.Н. Попов

Представлена методика выбора приоритетных действий при реабилитации непроточных и малопроточных озер, причиной неудовлетворительного состояния которых является либо высокая степень эвтрофикации, либо загрязнение техногенными компонентами, либо совокупность этих факторов. Методика применяется после принятия решения о необходимости проведения реабилитации конкретного водоема и позволяет на основании натурных и расчетных данных, полученных для водного объекта и его водосборной площади, рассчитать основные потоки загрязняющих и биогенных веществ в водное тело; ранжировать их по значимости влияния; определить оптимальный набор методов для эффективной реабилитации водного объекта и спрогнозировать его состояние при реализации этих мер.

Выбор деэвтрофикационных мероприятий основан на оценке потоков общего фосфора в водоем, лимитирующим биогеном для которого является фосфор, из внешних и внутренних источников с последующим ранжированием. Выбор мероприятий, связанных со снижением воздействия техногенных ингредиентов, проводится по тому же принципу. Предложены методы определения потоков общего фосфора или техногенных загрязнений в водное тело из внешних и внутренних источников. Представлен пример выбора реабилитационных мероприятий для эвтрофного непроточного озера и малопроточного водохранилища с низким трофическим статусом, но интенсивно загрязняемого техногенными ингредиентами.

Водное хозяйство России № 5, 2017 г

водное хозяйство России

Одна из наиболее сложных проблем современной водохозяйственной практики - реабилитация непроточных и малопроточных озер, которые, в силу различных причин (естественных - старение, антропогенных - загрязнение акватории и водосбора, в т. ч. и биогенами) либо эвтрофируют, что проявляется интенсивным «цветением» водорослей или зарастанием, либо эвтрофируют и теряют гидрохимический потенциал, что проявляется «цветением» или зарастанием и появлением в воде специфических загрязнений - отходов техногенеза.

Суть реабилитации: во-первых, определить направления воздействия, которые приведут именно к ликвидации причин возникшей в водоеме ситуации; во-вторых, спрогнозировать состояние водного объекта после реализации выбранных мероприятий, при необходимости скорректировать их и реализовать в соответствии с запланированным сценарием.

Анализ состояния малопроточных озер, прудов и водохранилищ высокой степени трофности (эвтрофных, политрофных, гипертрофных) и причин, вызывающих этот процесс, показал, что для 95 % таких водоемов лимитирующим биогенным элементом является фосфор во всех формах его существования в водоеме.

Планирование реабилитационных мероприятий начинается после заключения о том, что водный объект в них нуждается. Вывод о необходимости улучшения состояния водоема делается на основе данных о фактическом удельном потоке общего фосфора в г/м2 год [1], концентрации фитопланктона или хлорофилла «а» или на основе соотношения между фактическими концентрациями ингредиентов и соответствующими ПДК.

Для эвтрофирующих малопроточных озер следует определить фактический удельный поток общего фосфора и его составляющие на основании схемы Фолленвайдера [1] или данных о концентрации фитопланктона, выяснить его трофический статус и сравнить с критическим удельным потоком фосфора, определяющего переход в различные трофические статусы. Далее на основании этого сравнения и ранжирования источников поступления общего фосфора необходимо выбрать наиболее эффективные методы реабилитации конкретного водного объекта.

Биогенные элементы могут попадать из внешних источников (водосбор, локальные сбросы, эоловый перенос) и внутренних (донные отложения, распад отмершей биомассы и пр.). Из этих же источников могут поступать и техногенные ингредиенты (лимитирующие показатели действия), ухудшающие гидрохимическое состояние водного объекта.

Предлагается следующий порядок действий при выборе метода реабилитации рассматриваемых водоемов:

Водное хозяйство России № 5, 2017 г.

1. Проводится батиметрическая съемка водоема с определением глубин воды и донных отложений. Определяются средняя глубина, объем воды, объем донных отложений, зависимость площади и объема водоема от уровня воды.

2. Производится оценка химического состава донных отложений и вторичного загрязнения от них.

3. Для эвтрофирующих водных объектов, не обремененных загрязнением лимитирующими показателями вредности, определяется удельный поток фосфора (общего) в водное тело изучаемого водоема (Г ),

который равен:

П /5,

где П - суммарный поток общего фосфора в водоем;

П = П+ П+ П + П + П + П,

сум св дв д!в д1Б м1Б дм '

(1)

(2)

где Псв - организованное поступление фосфора с водосборной площади с русловым стоком в водоем (Ид, гР/год);

Пт1у - поток фосфора из донных отложений в воду (в пересчете на единицу площади водоема), обусловленный окислением нестойкого мертвого органического вещества макрофитного происхождения на дне; Пд1у - поток фосфора из донных отложений в воду (в пересчете на единицу площади водоема), обусловленный окислением нестойкой мертвой органики фитопланктонного происхождения на дне; Пдм - поток фосфора из донных отложений в макрофиты, пересчитанный на единицу площади водоема;

Пдв - поток фосфора из плавающей и затопленной древесины; Пд4в - поток фосфора из донных отложений в воду (в пересчете на единицу площади водоема) вследствие окисления стойкой мертвой органики на дне;

5 - площадь водоема при фактическом уровне воды, м2. Поступление фосфора общего в водоем с русловым стоком определяется по формуле:

и = I[рЩ + I[РЩ- £[Р]кок- I [Р]т0т,

(3)

/=1

где Q¡, Qj, Qk, Qm - годовой расход воды для г-го впадающего в изучаемый водоем водотока, /-го локализованного выпуска сбрасываемых в водоем сточных и дренажных вод, к-го вытекающего из водоема водотока, т-го водозабора, м3/год;

Водное хозяйство России № 5, 2017 г.

[Р]к, [Р]. , [Р]., [Р]т - среднегодовые взвешенные по расходу воды концентрации общего фосфора для соответственно ¿-го впадающего в изучаемый водоем водотока, /-го локализованного выпуска сбрасываемых в водоем сточных и дренажных вод; к-го вытекающего из водоема водотока, т-го водозабора, гР/м3;

N., N., Nk, Nm - количество всех впадающих в изучаемый водоем водотоков, всех (исключения допускаются лишь для выпусков ливневой канализации и дренажной сети полей орошаемого земледелия) локализованных выпусков сбрасываемых в водоем сточных и дренажных вод, вытекающих из водоема водотоков, всех водозаборов. Водовод, поставляющий в рассматриваемый водоем воду, следует приравнивать к впадающему водотоку.

Поступление общего фосфора со стоком ливневой канализации с гектара оборудованной городской территории:

а) отсутствие промышленности - 500 гР/га • год;

б) все население занято в промышленности - 3000 гР/га • год;

в) промежуточный случай рассчитывается интерполяцией.

Не учтенные в уравнении (3) составляющие поступления фосфора с территорий, не дренируемых впадающими в изучаемый водоем водотоками и дренажной сетью обследованных локализованных выпусков сбрасываемых в него ливневых и дренажных вод, следует определять как поступление с территории водосбора.

определение поступления фосфора с поверхностным стоком с водосборной площади в водоем, не имеющий притоков, выпусков сточных, ливневых и дренажных вод

Для определения поступления фосфора с поверхностным стоком с водосборной площади в водоем можно использовать два метода:

- более подробный, учитывающий состав и структуру почв, наличие процессов эрозии, способы внесения удобрений и пр.;

- упрощенный, основанный на осредненных необходимых для расчета величинах.

В первом методе поступление фосфора с водосборной площади в водоем с поверхностным стоком при отсутствии катастрофический эрозии предлагается определять по уравнению (4) [3]:

1=п

Я = [50С +к1Й +1 (Ь).] к2 кз к, к5 Б, (4)

¡=1 ~

где Нп - годовое поступление в водоем общего фосфора с рассматриваемой территории, гР/год;

Водное хозяйство России № 5, 2017 г.

С - средняя величина выноса фосфора из почв данного уровня естественной трофности, гР/га-год;

а - фосфор, вносимый на территорию с удобрениями, гР/га-год; Ь - количество фосфора, вносимого с загрязняющими веществами (неорганизованные свалки, поступление от населения, скота и пр.); к1 - коэффициент, учитывающий сроки и способ внесения удобрений; к2 - коэффициент проницаемости;

к3 - коэффициент обеспеченности фосфором по отношению к другим биогенам (с учетом внесенных удобрений и загрязнений); к4 - коэффициент уклона территории;

к5 - коэффициент удаленности рассматриваемой территории; Бп - площадь территории.

Средняя величина выноса фосфора из почв (С) определяется по формуле:

С = 2Б, (5)

где Б - бонитировочная оценка почвы в баллах по 160-балльной шкале, балл [2], коэффициент 2 имеет размерность «гР/га-балл-год». Значения коэффициентов к1, к2, к3, к4 определяются согласно табл. 1-4.

Таблица 1. Определение коэффициента к1 для удобрений

Сроки и способ внесения удобрений к1

для растворимых для нерастворимых

Зимой или весной диффузно или скоплениями на замерзшую почву или снег; в теплое время года на почву большими скоплениями 2,30 1,63

Весной диффузно на оттаявшую почву или летом диффузно на почву без заделки В любое время года на почву с немедленной заделкой культиватором или плугом без предплужника; заделка в почву на глубину не менее 10 см 1,63 0,97 0,97 0,36

В любое время года в почву на глубину 10 см и более на почву с немедленной заделкой плугом с предплужником 0,36 0,36

Определение коэффициента к2 производят согласно виду почвогрунтов и их проницаемости, определяемой по [4].

Водное хозяйство России № 5, 2017 г.

Таблица 2. Определение коэффициента к для различных почвогрунтов

Вид почвогрунтов

к

Плохо проницаемые глинистые, тяжелосуглинистые и среднесуглинистые, тяготеющие к тяжелосуглинистым почвы, за исключением обладающих водопрочной структурой рыхлого сложения; торфяные почвы, кроме горных

Среднепроницаемые легкосуглинистые и тяготеющие к ним среднесугли-нистые и супесчаные почвы, глинистые и суглинистые почвы, обладающие водопрочной структурой рыхлого сложения; торфяные, горные почвы

Хорошо проницаемые связнопесчаные и тяготеющие к ним супесчаные почвы, сильнохрящеватые и сильнощебнистые почвы

Очень хорошо проницаемые рыхлопесчаные почвы, маломощные сильнохрящеватые и сильнощебнистые почвы, подстилаемые рыхлой породой, почти лишенной мелкозема

0,01

0,05 0,07

Примечание: для расчета выноса фосфора с рассматриваемой площадки берется среднее значение для почвогрунтов, залегающих от центра этой площадки до уреза воды; классифицировать почвы по механическому составу следует по схеме Н.А. Качинского.

Таблица 3. Определение коэффициента обеспеченности фосфором почв по отношению к другим биогенам (с учетом внесенных удобрений и загрязнений), к3

Характеристика обеспеченности фосфором по отношению к другим биогенам с учетом внесенных удобрений и загрязнений к3

Фосфор является основным лимитирующим биогеном или близок к этому качеству 0,36

Фосфора больше, чем требуется для оптимального баланса основным лимитирующим биогеном 0,89

Фосфора значительно больше, чем требуется для оптимального баланса с основным лимитирующим биогеном 2,23

Таблица 4. Определение коэффициента уклона территорий, к4

Характеристика среднего уклона местности к4

Крутой склон, типичный уклон на средних и высотных частях гор 2,2

Склон умеренной крутизны, типичный уклон на нижних частях гор 1,5

Холмистый рельеф 0,75

Плоский рельеф 0,54

Примечание: для расчета выноса фосфора с рассматриваемой площадки берутся характеристики среднего уклона и среднего рельефа местности, расположенной от центра этой площадки до уреза воды.

Водное хозяйство России № 5, 2017 г.

Коэффициент к5 - коэффициент удаленности рассматриваемой территории - определяется по формуле:

к5= ае-Вх, (6)

где а - коэффициент, равный 3,28; В - коэффициент, равный 1,57 км-1; х - расстояние от центра рассматриваемой площадки водосбора данного водоема до ближайшего уреза этого водоема, км.

При признаках катастрофической эрозии поступление фосфора в водоем с 1 га водосбора может достигать 50-103 гР/год и более, определяется путем натурных наблюдений.

Необходимо также знать количественную оценку производимых на территории водосбора загрязнений, выраженную через массу содержащегося в них фосфора (величин Ь в уравнении (4)). В частности, количество фосфора, поступающего в водоем от одного жителя проживающего в неблагоустроенной застройке, 103 гР/год. [5] Поступление в водоем от населения, проживающего на канализованной территории, равно нулю, если канализационная система не впадает в рассматриваемый водоем, в обратном случае - учитывается формулой (3).

Таблица 5. Загрязнение продуктами жизнедеятельности скота (на 1000 кг живого веса) [6]

Виды животных Фосфор экскретов, гР/год

Лошади 19-103

Крупный рогатый скот 27-103

Свиньи 45-103

Овцы 20-103

Куры 31-103

Поступление от отдыхающих определяется из расчета, что за одно человеко-посещение в водоем в среднем вносится 0,12 г фосфора непосредственно и еще 0,12 г остается на прилегающей территории (смыв в водоем этого фосфора следует определять по формуле (4)). Круглосуточно проживающие в зоне водоема отдыхающие (в домах отдыха, санаториях и т. п.) приравниваются к жителям. Если лов рыбы идет при большом количестве прикормки, то вносимый с ней фосфор следует учитывать дополнительно. Вынос фосфора из водоема за счет вылова рыбы определяется из расчета, что содержание фосфора в вылавливаемой рыбе составляет примерно 0,345 % от ее сырого веса.

Поступление фосфора с атмосферными осадками, выпадающими непосредственно на акваторию водоема, принимается равным 0,005 гР/м2-год для

Водное хозяйство России № 5, 2017 г.

территорий со слабым, 0,015 гР/м2-год - с умеренным, 0,03 гР/м2-год - с сильным и 0,05 гР/м2-год и более - с очень сильным загрязнением воздуха [6].

Если на берегу водоема произрастает лиственный лес, то с листопадом в воду может поступать до 104 гР/год на 1 км облесенного берега. Если лес смешанный, эту цифру надо умножать на долю лиственных пород в составе леса [6].

На основе представленных данных рассчитывается суммарное годовое поступление фосфора с территории водосборной площади в водоем (Нсум). Эту величину следует разделить на площадь водоема в м2, что даст величину потока фосфора с суши на единицу площади водоема (Псв).

Более упрощенный, но менее точный способ определения поступления общего фосфора с водосборной территории можно провести по уравнению

Н = СкХБ ,

п 4 5 и'

где С - средний вынос фосфора в зависимости от вида и состояния водосборной площади (см. уравнение (5));

к4 - коэффициент уклона территорий, определение которого производят согласно табл. 4;

к5 - коэффициент удаленности рассматриваемой территории, определяется по формуле (6). Поступление фосфора с атмосферными осадками на акваторию водоема - см. выше.

определение поступления в водоем специфических загрязняющих ингредиентов из внешних источников

В случае, если помимо эвтрофирования в малопроточном водоеме возникли проблемы, связанные с ухудшением качества воды, поступлением загрязняющих веществ, вызывающих это ухудшение, необходимо определить поступление фосфора общего в водоем с русловым стоком.

Если поступление загрязняющих веществ отмечается не только с локализованным стоком и по гидрографической сети, но и с рассеянным стоком с территории водосбора, с атмосферными осадками и из донных отложений, необходимо проведение стоковых исследований, исследование жидких осадков.

определение поступления общего фосфора из внутренних источников

Наиболее упрощенными являются расчеты внутренней фосфорной нагрузки по балансовому уравнению:

П = ДП + П

внутр зап с'

П

(8)

где Пв

поступление фосфора из внутренних источников, г/год (при

отрицательных значениях параметра - 0);

Водное хозяйство России № 5, 2017 г.

ДПзап - изменение запаса фосфора в толще воды водоема за год, г/год; Псток - сток фосфора из водоема, г/год; Ппр - приход фосфора в водоем, г/год.

Внутренняя фосфорная нагрузка на единицу площади донных отложений водного объекта (гР/м2-год) равна:

Г

П„

где 5 - площадь донных отложений в водном объекте.

определение вторичного загрязнения при наличии в водоеме донных отложений, сформировавшихся под влиянием хозяйственной деятельности

Донные отложения, образовавшиеся в результате осуществляющегося в момент исследования сброса неочищенных или недоочищенных сточных вод (хозбытовые сточные воды).

Максимальное вторичное загрязнение ионом ЫИ4+ составит 700 мг/м2 сут. Максимальный выход фосфора из донных отложений в данной ситуации -13 мг/м2 сут [7].

В период после прекращения сброса сточных вод и стабилизации накопленных донных отложений происходит интенсивное выделение газов (метан, углекислота, сероводород и пр.) в течение 40-43 недель до 42 л/м2. При этом в воду выделяется взвесь в виде всплывающих донных отложений до 25 кг с м2. С поровой водой ионов аммония поступает до 1390 мг с м2, фосфора - 5Q ^ - объем взмученных донных отложений, ~ 25 кг/м2). Из донных отложений, образовавшихся при поступлении в водный объект ливневых сточных вод наблюдаемое вторичное загрязнение нефтепродуктами составляет 4,4х 10-4 г/м2 сут [7].

Донные отложения, образовавшиеся при поступлении в водный объект сточных вод предприятий черной металлургии и машиностроения, вызывают вторичное загрязнение нефтепродуктами до 80 % от первоначально содержащихся в донных отложениях. Происходит это в первые два часа после поступления взвеси в донные отложения. Из стабилизировавшихся донных отложений поступление нефтепродуктов достигает 7 мг/м2 сут [7].

Донные отложения, образовавшиеся при поступлении в водный объект сточных вод предприятий цветной металлургии, перерабатывающих сульфидные руды, являются источником поступления в водное тело водоема сульфатов, ионов железа, цинка, меди, мышьяка: поступление сульфат-ионов - 3190 мг/м2 сут, железа (2+) - 1835, цинка (2+) - 30, мышьяка (5+) -0,3, - 3,1 мг/м2 сут.

Водное хозяйство России № 5, 2017 г.

определение трофического уровня водоема

Если для водного объекта основной причиной неудовлетворительного состояния является эвтрофирование, то трофический уровень водоема определяется на основе данных о суммарном потоке фосфора в водное тело водоема и средней глубине с применением схемы Фолленвайдера (рис. 1). Эта схема может быть использована для определения трофического уровня (и, соответственно, для выбора метода деэвтрофирования) практически любого эв-трофного водоема. Помимо этого, трофический уровень водоема может быть определен по концентрациям хлорофилла «а» и фитопланктона (см. табл. 6).

10

Рис.

0,1

Эвтрофный

Олиготрофный

1 5 10 50 100

Средняя глубина водоема, м

1—I мни 500

Трофическое

переходное

состояние

1. Схема связи между нагрузкой общим фосфором, средней глубиной и уровнем трофии водоема.

Кроме эвтрофных, в проведении восстановительных мероприятий нуждаются дистрофные водоемы. Однако схема Фолленвайдера непригодна для оценки трофического уровня таких водоемов, а также для выбора методов восстановления дистрофных и переходных к дистрофным водных объектов. Рекомендации по их восстановлению изложены ниже.

Таблица 6. Показатели трофического статуса водоемов по концентрации хлорофилла «а» и биомассы фитопланктона (средние за лето величины)

Трофический тип Концентрация хлорофилла «а», мг/м3 Биомасса фитопланктона мг/дм3

Олиготрофный < 5-10 < 0,1-0,5

Мезотрофный 11-20 0,6-2,0

Эвтрофный 21-75 2,1-10,0

Политрофный 76-150 10-50,0

Гипертофный 150-250 и > > 50-100

Водное хозяйство России № 5, 2017 г.

1

выбор методов реабилитации

Для водоемов высокой степени трофности, без поступления внешнего загрязнения специфическими ингредиентами (лимитирующими показателями воздействия), на основании имеющейся информации по схеме Фолленвайдера определяется, насколько необходимо снизить нагрузку эвтрофирующегося водоема общим фосфором (Побщ), либо увеличить его глубину с сохранением прежней нагрузки, чтобы снизить его трофность до нужного уровня.

Далее по нижеприведенным уравнениям рассчитывается, какому снижению величины Псум эквивалентна реализация на водоеме того или иного из представленных ниже методов восстановления:

Создание проточности.

Создание проточности эквивалентно снижению величины Псум на величину С1.

С, = (Р - [О

Кб V

(10)

где [Р1] и [Р2] - концентрация общего фосфора в заменяемой и в замещающей воде соответственно, гР/м3; Уо6 - обмениваемый за год объем водоема, м3/год;

- площадь зеркала водоема, м2. Удаление донных отложений.

Полное удаление донных отложений (и макрофитов вместе с ними) снижает величину общего потока фосфора (С1) на величину С2.

(11)

С = П - П .

2 сум св

Кроме того, увеличение глубины водоема в связи с удалением донных отложений повысит величину Пкрит - пороговую величину потока фосфора, при достижении которой водоем переходит из эвтрофного состояния в ме-зотрофное. Величина Пкрит является функцией средней глубины водоема и определяется по графику Фолленвайдера (рис. 1).

Предотвращение внешнего загрязнения фосфором.

Предотвращение внешнего загрязнения фосфором снижает величину

П на величину С,.

сум ' 3

С = П .

3 св

(12)

Химическая коагуляция фосфора.

Химическая коагуляция фосфора в случае, если в водоеме не возникают условия для периодического выхода выпавшего в осадок фосфора обратно в раствор (явление достаточно типичное для высокоэвтрофных водоемов),

Водное хозяйство России № 5, 2017 г.

эквивалентна снижению величины П на величину С,, иначе внесение ко-

сум ' 4

агулянта бессмысленно. Величина С4 определяется следующим образом:

С. = к В , 0 < к В < ( П - П ),

4 Р Р Р Р сум дм'

(13)

где Вр - количество коагулянта, вносимого за год на 1 м2 акватории, г;

кр - отношение массы фосфора, связанного внесенным коагулянтом, к массе последнего (определяется экспериментально, зависит от вида коагулянта, концентрации фосфора в воде и концентрации коагулянта). Техническое изъятие фитопланктона.

Техническое изъятие из водоема фитопланктона эквивалентно снижению величины потока фосфора на величину С5:

С5 " Афп (Вфп1 - Вфп2) -ТТ-,

фп2'

(14)

где Вфп1 - Вфп2 - концентрация биомассы фитопланктона (сухой вес) в воде, соответственно, до и после ее очищения от фитопланктона, г/м3; Афп - концентрация фосфора в биомассе фитопланктона (сухой вес); Уоч - очищаемый за год объем воды, м3/год. Техническое изъятие продукции макрофитов.

Ежегодное полное техническое изъятие продукции макрофитов из водоема эквивалентно снижению величины Пс м на величину С6.

(а Р - П - П . )П .

4 gm т дм д1в' м1в

С = П . + а Р

6 м1в gm т

(П - П - П ).

сум дм м1в

(15)

Создание экосистемы с высокой продукцией рыб-макрофитофагов и рыб-фитопланктонофагов и их интенсивный вылов.

Создание экосистемы с высокой продукцией рыб-макрофитофагов и рыб-фитопланктонофагов и их интенсивный вылов эквивалентны снижению величины П на величину С .

сум ' 7

С7 < П . + П . + 0,00033 -р- [Р + -¡г Е [Ф(Т2 - Т.)]], (16)

7 м1в д1в Горг т 4 2 1'"' 4 '

где Н4 - средняя глубина водоема, м;

Ф - усредненная по времени от Т1 до Т2 и по объему водного тела скорость фотосинтеза фитопланктона в воде, г 02/м3сут.

Водное хозяйство России № 5, 2017 г.

Повышение уровня водоема.

Повышение уровня водоема изменяет суммарный поток фосфора в его водное тело. Этот поток в первые годы после повышения уровня (П ) будет равен:

П , = П +П t (*;)</Ш°)Л + (П . +П ) А)+П . +П . ,(17)

сум1 св С д!в /7 Г V ' 4 м1в дм О О /0\ д.в м1в 4 '

где 5вн - площадь акватории после повышения уровня водоема, м2;

qпн - концентрация кислорода у дна после повышения уровня водоема, пн гОл/м3;

£и - температура у дна после повышения уровня водоема, С; Д - величина подъема уровня, м;

5В(3) и 5ВН(3 - Д) - площадь акватории (до подъема уровня), занятой глубинами от 0 до 3 м и, соответственно, от 0 до (3 - Д) м, м2. Через 8-10 лет после повышения уровня суммарный поток фосфора в водное тело (Псум 2) будет равен:

Псв ^ +Пд, ^ур(0^^+(Пм1В+Пдм)5в5вн(3)

П

сум2

дм ^ВН ^ (3)

+П . +П . , (18)

лт мт 4 '

5в(3) - площадь акватории, занятой глубинами от 0 до 3 м после подъема уровня водоема, м2.

Кроме того, вследствие изменения средней глубины водоема при повышении его уровня изменится величина Пкрит. Следует отметить, что при повышении уровня некоторых водоемов может увеличиваться доля занятой мелководьями площади в общей акватории и, соответственно, уменьшаться его средняя глубина. В таком случае величина Псум 2 (а иногда и Псум1) превысит П , а величина П будет уменьшаться: повышение уровня такого

сум крит 1 г

водоема не приведет к его восстановлению.

Таким образом, необходимо определить, применение какого из рассмотренных методов на изучаемом эвтрофном водоеме даст эффект, эквивалентный необходимому снижению нагрузки водоема фосфором, либо увеличит его глубину до необходимого уровня (при сохранении прежней нагрузки).

Для методов реабилитации, применение которых изменяет и величину Псум и глубину изучаемого эвтрофного водоема, эффективность рассчитывается следующим образом:

- необходимо установить, какую глубину будет иметь водоем после реализации данного метода восстановления. Для этой глубины и существующей нагрузки фосфором с помощью схемы Фолленвайдера опреде-

Водное хозяйство России № 5, 2017 г.

ляется, насколько следует уменьшить нагрузку, чтобы снизить трофность водоема до желаемого уровня. Далее оценивают, насколько реализация метода обеспечивает необходимое снижение нагрузки изучаемого эв-трофного водоема фосфором.

Что касается дистрофных водных объектов, их загрязнение биогенными элементами осуществляется по принципиально иному механизму, нежели загрязнение эвтрофных, что обусловливает существенные различия в подходах к выбору методов восстановления.

Эвтрофные водоемы характеризуются высокой интенсивностью потоков фосфора и загрязняются органическим веществом, новообразующимся в текущем биотическом круговороте. Дистрофные водоемы характеризуются низкой интенсивностью потоков фосфора, загрязняются органическим веществом давнего или даже древнего происхождения. Очевидно, что искусственно уменьшать потоки фосфора в дистрофных водоемах бессмысленно, это не может привести к их восстановлению. Для таких водоемов умеренный приток фосфора с водосбора или из внутренних источников играет даже положительную роль, ускоряя процесс сработки водного гумуса в биотическом круговороте. Поэтому искусственное снижение внешнего или внутреннего поступления фосфора, благотворно сказывающееся на состоянии эвтрофных озер, способно существенно ухудшить качество воды переходных к дистрофным водоемов, резко сдвинув их в сторону дистрофии.

Для восстановления качества воды дистрофных и переходных к дистрофным водоемов могут быть предложены радикальные методы ликвидации источников водного гумуса: полное (до материнской породы) удаление донных отложений, удаление сплавин, отведение от водоема наиболее загрязненной гуминовыми веществами части поверхностного стока (сток с торфяников). В качестве паллиативных методов эффективны аэрация, создание интенсивного круговорота воды (например, включением данного водоема в систему охлаждения тепловой электростанции), а для некоторых дистрофных водоемов и умеренное увеличение поступления фосфора с водосбора. Эти методы, не ликвидируя источники гуминовых веществ, усиливают биотическое окисление поступающего в воду гумуса.

Выбор метода реабилитации не подверженных процессам эвтрофирования малопроточных водных объектов, качество воды которых не соответствует нормативным показателям вследствие антропогенной нагрузки

Если качество воды в озере или другом малопроточном водоеме ухудшается вследствие поступления загрязняющих веществ со сточными водами производств, бытовыми сточными водами, вторичного загрязнения, необходимо определить по каждому источнику для каждого лимитирующего показателя действия его суммарное количество, поступающее в водный

Водное хозяйство России № 5, 2017 г.

объект за год, показатель антропогенной нагрузки (ПАН.) за каждый отбор проб, определить суммарное значение ПАНс для каждого отбора пробы воды, которое равно сумме ПАН.. Суммарный ПАНпн для источника загрязнения определяется суммированием ПАНс за период наблюдения.

После проведения подобных операций в отношении каждого источника загрязнения производится их ранжирование по степени влияния, выбираются источники загрязнения с наибольшим ПАН, которые и должны быть устранены в первую очередь. При этом можно провести внутреннее ранжирование (определение доли ПАН каждого ингредиента от общего) ПАН каждого источника загрязнения, намеченного к инактивации, что даст возможность определить, какой (какие) из ингредиентов оказывают наибольшее негативное влияние на водный объект.

Расчет ПАН. производится по следующей схеме:

ПАН = С. / ПДК - 1,

(19)

где С. - концентрация ингредиента в сточных водах, поступающих в озеро,

мг/дм3;

ПДК - рыбохозяйственная ПДК ингредиента.

Рх

При расчете ПАН. фактическая концентрация ингредиента сравнивается с соответствующим целевым показателем (ПДК), если концентрация ингредиента превышает значение ПДКрх, то производится расчет ПАН. по формуле (19), в противном случае значение ПАН. принимается равным 0.

Исключение - расчет показателя антропогенной нагрузки при закисле-нии природных вод - т. е. если значение рН < 6,5, либо рН > 8,5 (ПАНзакисл, ед.) выполняется по формулам (20, 21):

ПАНрН = (6,5 - рНСВ) / 0,1 при рНСВ < 6,5, ПАНрН = (рНСВ - 8,5) / 0,1 при рНСВ > 8,5,

(20) (21)

где рНСВ - значение водородного показателя сточной воды, ед. рН.

При совокупном результате воздействия антропогенной деятельности (эвтрофирование и несоответствие нормативным показателям качества воды) выполняются обе процедуры.

пример оценки эффективности некоторых методов реабилитации малопроточных эвтрофных озер

В качестве примера практического выполнения расчетов и логических операций по вышеизложенной программе выбора наиболее эффективного метода реабилитации малопроточного водоема приведена оценка эф-

Водное хозяйство России № 5, 2017 г.

фективности различных методов восстановления для высокоэвтрофного оз. Шарташ, находящегося в черте г. Екатеринбурга.

При изучении оз. Шарташ для вегетационного периода 1996 г. были получены следующие значения необходимых для расчета параметров: qn (средняя за период концентрация растворенного в воде кислорода) = 8,1413 г02/м2; Р(Од (температурная поправка) = 0,7667; (Т2 - Т1) (длительность вегетационного периода) = 132 сут; (биомасса фитопланктона) = 0,4574 г/м3(сухой вес).

При расчетах для осенне-зимне-весеннего периода 1996 г. было принято: Р(Од = 0,193; (Т2 - Т1) = 233 сут; величина qn принята такой же, какова была в течение вегетационного периода; В^ принята равной нулю.

Общие для всего года значения необходимых для расчета параметров оз. Шарташ составили: Нд (средняя глубина) = 3,65 м; 5в (площадь акватории) = 7,15 • 106 м2; поступление фосфора в оз. Шарташ с водосборной площади с русловым стоком в водоем составило 0,150 гР/м2 • год; биомасса высшей водной растительности = 342 г/м2, 4,3 % приходится на ряску, остальное -на макрофиты третьей группы; поток фосфора из плавающей и затопленной древесины = 0; поток фосфора из донных отложений в воду (в пересчете на единицу площади водоема) вследствие окисления стойкой мертвой органики на дне) = 0,096 гР/м2-год; поток фосфора из донных отложений в воду (в пересчете на единицу площади водоема), обусловленный окислением нестойкой мертвой органики фитопланктонного происхождения на дне = 0,014 гР/м2 • год; поток фосфора из донных отложений в воду (в пересчете на единицу площади водоема), обусловленный окислением нестойкой мертвой органики макрофитного происхождения на дне) = 0,789 гР/м-год; поток фосфора из донных отложений в макрофиты, пересчитанный на единицу площади водоема) = 1,007 гР/м2 • год; суммарный поток фосфора в водоем = 2,056 гР/м2 • год.

Согласно модели Фолленвайдера, водоем со средней глубиной Шарта-ша (3,65 м) становится эвтрофным, начиная с годовой нагрузки фосфором в 0,11 гр/м2 • год (Пкрит). Фактическая нагрузка на Шарташ почти в 19 раз выше, т. е. озеро является высокоэвтрофным.

Рассмотрены следующие методы реабилитации оз. Шарташ:

Создание проточности.

Среднегодовое содержание общего фосфора в воде Шарташа 0,35 гР/м3.

При создании проточности Уо6 = 2,6-106 м3/год (~ 10 % от объема озера) и [Р2] = 0 величина С равна 0,128 гР/м2 • год. Это составляет лишь 6 % от Псум и меньше Псв. Следовательно, проточность при V = 2,6 • 106 м3/год не вызовет существенного улучшения состояния оз. Шарташ.

Водное хозяйство России № 5, 2017 г.

Полное удаление донных отложений.

При полном удалении донных отложений из оз. Шарташ суммарный поток фосфора в его водное тело снизится на 1,906 гР/м2 • год (С2), средняя глубина озера увеличится до 6 м, за счет чего величина Пкрит увеличится с 0,11 гР/м2 • год до 0,145 гР/м2 • год. Таким образом, полное удаление донных отложений для оз. Шарташ является эффективным методом его реабилитации, поскольку переводит озеро практически в мезотрофное состояние.

Предотвращение внешнего загрязнения фосфором.

Предотвращение внешнего загрязнения оз. Шарташ фосфором уменьшит суммарный поток фосфора в его водное тело всего на 7,3 % (на 0,15 гР/м2-год), что заметно не скажется на уровне его трофности.

Регулярное проведение химической коагуляции фосфора.

Регулярное проведение химической коагуляции фосфора в оз. Шарташ может снизить суммарный поток фосфора не более чем до 1,007 гР/м2 • год. Следовательно, при реализации этого метода реабилитации Шарташ будет оставаться высокоэвтрофным водоемом.

Метод технического изъятия фитопланктона.

Средняя за вегетационный сезон концентрация биомассы фитопланктона в воде для оз. Шарташ равна 0,46 г/м3. При объеме очищаемой воды (Уч) 2 • 106 м3/год снижение нагрузки составит 0,001 гР/м2 • год, что несопоставимо с Псум. Поэтому метод технического изъятия фитопланктона эффективен лишь в периоды интенсивного цветения водоема, когда на его поверхности образуются скопления отмирающих водорослей, да и то лишь в качестве меры, призванной устранить замор рыбы, либо улучшить эстетическое восприятие акватории.

Ежегодное изъятие макрофитов.

Для оз. Шарташ полный поток фосфора, связанный с макрофтитами, равен 1,880 гР/м2 • год, поэтому полное ежегодное изъятие макрофитов является эффективным методом его восстановления и повышения качества воды до уровня слабоэвтрофного водоема (но по критерию продуктивности макрофитов Шарташ будет оставаться высокоэвтрофным водоемом).

Создание экосистемы с высокой продукцией рыб-макрофитофагов.

При создании в оз. Шарташ экосистемы с высокой продукцией рыб-макрофитофагов и рыб-фитопланктонофагов и их интенсивном вылове не перехваченный восстановительными мероприятиями поток фосфора в водное тело озера будет не менее 1,02 гР/м2 • год, т. е. при реализации этого метода реабилитации Шарташ будет оставаться высокоэвтрофным водоемом.

Водное хозяйство России № 5, 2017 г.

Повышение уровня водоема.

Если повысить уровень Шарташа на 2,5 м при сохранении прежней площади зеркала (что возможно лишь при устройстве кольцевой дамбы на его берегах), величины Псум1 и Псум2 будут равны 0,56 гР/м2 • год, а величина Пкрит увеличится с 0,11 до 0,15 гР/м2 • год. Повышение уровня Шарташа на 2,5 м при сохранении прежней площади зеркала является средним по эффективности методом его реабилитации, поскольку переводит озеро в умеренно эвтрофное состояние.

Таким образом, наиболее эффективным мероприятием является удаление донных отложений, при этом можно рассчитать необходимое и достаточное удаляемое количество для получения любого трофического уровня озера (от мезотрофного до эвтрофного). Результативно и повышение уровня водоема. Однако в данной конкретной ситуации и при существующих ландшафтных и воднобалансовых условиях реализация этого мероприятия практически невозможна.

Выбор метода реабилитации малопроточного водоема низкой степени эвтрофикации, загрязняемого техногенными компонентами

Северское водохранилище - небольшой водоем (12 млн м3) многолетнего регулирования с малой проточностью, низкой степени эвтрофикации (на уровне мезотрофного водоема) - в значительной степени загрязнен фторидами, ионами цветных и черных металлов, сульфат-ионами.

В табл. 7 представлен пример рассчитанных по фактическим гидрохимическим данным суммарного годового количества лимитирующих показателей действия и показателей антропогенной нагрузки (ПАН) для впадающих в Северское водохранилище водотоков, являющихся внешними источниками его загрязнения. Наиболее значимое воздействие из внешних источников загрязнения, согласно рассчитанным ПАН, оказывают: Мертвая река, р. Железянка (старое русло), р. Зюзелька, р. Железянка (новое русло). Вода первых трех источников загрязнения характеризуется пониженной величиной рН, значительным содержанием соединений цветных металлов, сульфат-ионов, фторидов (за исключением р. Зюзельки).

Внутренние источники (донные отложения) не оказывают заметного влияния на гидрохимический режим Северского водохранилища. Рекомендуемые мероприятия должны быть направлены на снижение воздействия Мертвой реки, р. Зюзельки, старого и нового русла р. Железянки.

Водное хозяйство России № 5, 2017 г.

Cd

о >

x

о го

X О CÖ SQ

s<

о

1-3

и о

^э

о

о

о

5

5

ч

сп ю

Таблица 7. Пример расчета по фактическим гидрохимическим данным величины ПАН и определения лимитирующих показателей действия в воде притоков, впадающих в Северское водохранилище

Номер Показатель Месяц ХПАН за период наблюдений/% от суммы ХПАН

створа, название май июнь июль август сентябрь октябрь ноябрь

1 - водосток из Штангового пруда ХПАН за месяц, усл. м3/м3 Лимитирующие показатели воздействия 3,95 ХПК, ^"^общ' Си2+ 1,55 Cu2+, Mn2+, ^"^общ 7,34 ХПК, Mn2+, Al3+ 12,7 pH, ХПК, Cu2+, Mn2+ 20,9 Мп2+, ^"^общ' Си2+ 16,2 Мп2+, ^"^общ' АР+ 14,05 Мп2+, ^"^общ' АР+ 76,7 / 0,013 %

2 - новое русло р. Железянки ХПАН за месяц, усл. м3/м3 Лимитирующие показатели воздействия 31,4 Взв. вещ., Мп2+, ХПК, pH, F" 70,1 N(NO;), Mn2+, N(NH4) 50,3 N(NO;), AI3+; Mn2+ 157 ХПК, Mn2+, N(NCr), Al3+, Fe - , ' общ' 37,3 N(N0;), Мп2+, Р - , общ м(мн;) 173 Мп2+, взв. вещ., АР+, N(NH4), ^"^общ' 74,3 АР+, Мп2+, N(NH4), ^общ 593 / 0,101 %

3 - старое русло р. Железянки ХПАН за месяц, усл. м3/м3 Лимитирующие показатели воздействия 5631 Mn2+, Си2+, Fe - , Zn2+ общ' 2502 Mn2+, Cu2+, Fe - , Zn2+ общ' 1608 Mn2+, Al3+, Fe - ' общ 1498 Mn2+, Al3+, Fe - ' общ 516 Мп2+, АР+, Ре - ' общ 1115 Мп2+, АР+, Cu2+, Fe - ' общ 2527 Mn2+, Fe . , общ АР+, Си2+ 15 397/ 2,62 %

13 - «Мертвая ХПАН за месяц, усл. м3/м3 6836 6882 112 084 129 556 103 135 90 270 119 606 568 369196,7$ %

Лимитирующие показатели воздействия Fe - , Mn2+, общ' ' Cu2+, F-, Zn2+ Fe - , Cu2+, общ' ' Mn2+, Zn2+ Al3+, Fe - , ' общ' F-, Mn2+, Cu2+ Al3+, Fe - , ' общ' F-, Mn2+, Cu2+ АР+, Ре - , ' общ' Р, Мп2+, Си2+ АР+, Р, Fe - , Cu2+, общ' ' Мп2+ АР+, Р, Fe - , Мп2+, общ' ' Си2+

£

я о

03

ф

Я з с з к

а ср

ё <

о и

О)

о «

и

3

X

<

С

к я

я

<

« Ср

< м

к и 5 « 5 й

2

л <

л

С

«

«

о «

3 «

и

(V

3

О

р

< н

3

[-4

3 р

С

О) <

_ О

<и я я

3 «

и

3

л и

•е £

о

С <и

5 <

н > з

? С

и си

л н

а л

£ *

Щ «

3 о

3 с

£ *

£ i 11

8

ю с«

н

01

к

О)

К ё

3

н

к

и <

и

£ПАН за период наблюдений/ % от суммы ХПАН 2196 / 0,374 % 69,5 / 0,012 % 219,2 / 0,037 % 537/ 0,091 % 587 457,4

ноябрь ЧО о со и д 8,84 , ъ л и Рч 64,4 а" б о + <и ^ Ъ и

октябрь чо 2 , "22 и д 4,36 ъ и I о си и* 7,12 б о + 2 ^ ^ Ъ и

сентябрь 1 ю 3 +- 53 й + - и ъ 2 6,55 + + ? С2 ю с ° 2 ^ 8,82 +" а по пе

август 3 Оч 1 ъ ъ 2 " 23,28 ю о + си 2 ^ ^ Ъ и 85,59 + ~ а по пе 2 Ун

июль 00 00 4 2н Р- с + - Л - "й ¿2 2 11,78 Мп2+, ХПК, Бе й общ 23,43 щ б , о + (и Ъ Ун

июнь 7 3 ¿з 1 9,21 Мп2+, Бе , Р общ общ 21,88 +" а по е 2 Ун

май ю со 2 ¿з 1 5,49 М | С си° X ^ 7,99 , п2 е- Х 7 со 5 , щН бо р е, -Ун Р-

Показатель =? я с е СО 3 Н м/3 р," и >у Лимитирующие показатели воздействия я с е СО 3 Н /м3 Пл Пс и ^ Лимитирующие показатели воздействия я с е СО 3 Н /м3 Пл Пс и ^ Лимитирующие показатели воздействия =? я с е з п Н /м3 Пл Пс и Лимитирующие показатели воздействия

Номер створа, название 14 - р. Зюзелька 17 - р. Гремиха 18 - р. Северушка 11 - Ручей 2 3 X и и

си С

Водное хозяйство России № 5, 2017 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В водохозяйственной системе России в целом сложилась ситуация, при которой необходимость проведения мероприятий по реабилитации водных объектов очевидна и не вызывает сомнений.

В настоящее время разработаны разнообразные технические и биологические методы реабилитации водных объектов, но ни один из них не является универсальным. Каждый может быть использован в какой-то конкретной ситуации. В водохозяйственной практике чаще всего наблюдается совокупность воздействующих на водный объект внешних и внутренних факторов, выделить долю влияния каждого из них без проведения специальных исследований не представляется возможным, следовательно, весьма затруднительно выбрать оптимальный спектр воздействия для достижения реабилитационных задач. При очевидной необходимости решения таких задач на единой методологической основе в Российской Федерации в настоящее время отсутствует инструктивно-методическая база, которая бы позволяла выбирать оптимально направленные реабилитационные действия для конкретного водного объекта.

В данной статье представлена методология решения задачи выбора приоритетных действий, направленных на экологическую реабилитацию непроточных и малопроточных озер, основанная на определении баланса веществ, поступающих в водный объект из разных источников с последующим их ранжированием, показан пример выбора реабилитационных мероприятий. Представленный подход, как показывает практика, может быть распространен и на иные типы водоемов с коррекцией взаимосвязей в экосистемах и учетом гидроморфологических и гидрологических данных, что, зачастую, требует дополнительных исследований.

Реабилитация поверхностных водоисточников должна осуществляться на основе глубокого понимания процессов на водосборе и в водном объекте, апробированного практического опыта управления и принятия технических решений, водного и материального баланса, технологических приемов, экологических, экономических и организационно-правовых критериев, обеспечивающих планируемое качественное состояние восстанавливаемых водных объектов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Vollenweider R.A. Input-output models with special reference to the phosphorus loading concept in limnology. Schweiz. Z. Hydrol., 1975. Bd. 37. Р. 53-83.

2. Соболев С. С., Полянский Н.А. Бонитировка почв. М.: Изд-во ВАСХНИЛ, 1965. 414 с.

3. Временные рекомендации по выбору метода восстановления и мелиорации водоема. Свердловск, 1986. 24 с.

Водное хозяйство России № 5, 2017 г.

4. Качинский Н.А. Механический и микроагрегатный состав почвы, методы его изучения. АН СССР. 1958 г. 193 с.

5. Строительные нормы и правила. СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения. Государств. комитет СССР по делам строительства. М., 1986.

6. Общая экология. Биоценология. Гиобиология. Т. 2. ВИНИТИ. М., 1975. 124 с.

7. Попов А.Н. Прогноз и регулирование качества поверхностных вод (на примере региона Урала): автореф. дис. ...д-ра техн. наук. Свердловск, 1996. С. 88 - 122.

Сведения об авторе:

Попов Александр Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий отделом научно-методического обеспечения восстановления и охраны водных объектов, ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов» (ФГБУ РосНИИВХ), Россия, 620049, г. Екатеринбург, ул. Мира 23; e-mail: [email protected]

Водное хозяйство России № 5, 2017 г.