Экология/ 2. Экологические и метеорологические проблемы больших городов и промышленных зон.

К.т.н. Немцова А.А*., к.т.н. Пономаренко Е.Г.**

* Национальный фармацевтический университет

** Национальная академия городского хозяйства

Подходы к защите и восстановлению водных экосистем.

Высокий уровень антропогенной нагрузки на природную среду привел к тому, что ассимилирующая способность большинства водных объектов практически исчерпана, качество поверхностных вод, как правило, не отвечает нормативным требованиям для основных видов водопользования, водные экосистемы зачастую деградированы, что проявляется в обеднении видового состава сообществ, снижении биологической ценности гидробионтов, изменении основных экосистемных механизмов. Восстановление водных экосистем предусматривает решение программы минимум – обеспечение устойчивости экосистемы, и программы максимум – перевода экосистемы на новый трофический уровень, что является существенно более сложной задачей.

На сегодняшний день рассматриваются два подхода к проблеме защиты и восстановления водных экосистем: воздействие на внешние источники загрязнения водных объектов и воздействие на внутриводоемные процессы.

Первый подход более распространен, но не всегда позволяет достигнуть нормативных требований к качеству воды и обеспечить устойчивость водной экосистемы. Он предусматривает воздействие на аллохтонное поступление загрязняющих веществ в водный объект. Для определения меры этого воздействия определяются уровни допустимой нагрузки на водный объект с учетом его ассимилирующей способности. Для нормируемых веществ мера воздействия определяется установлением предельно допустимых сбросов веществ через организованные выпуски сточных вод. Для ненормируемых веществ целесообразно устанавливать экологические нормы нагрузки, например, для фосфора в этих целях можно использовать диаграмму Фолленвайдера, связывающую уровень трофности озера с годовой нагрузкой и глубиной озера.

Менее распространенными являются технологии, воздействующие непосредственно на внутриводоемные процессы. Практически все они построены на использовании цепочки абиотические факторы ® биотические факторы ® качество воды ½состояние экосистемы. Управляющим воздействием в таких технологиях являются абиотические факторы водной экосистемы, изменение которых непосредственно или через изменение биоты экосистемы, оказывает воздействие на качественные характеристики воды.

Поскольку характер внутриводоемных процессов существенно зависит от типа водного объекта, то и технологии воздействия на эти процессы существенно разнятся.

Для водотоков в основе непосредственного воздействия на ход внутриводоемных процессов лежит воздействие на гидрологические характеристики потока или создание специальных биоинженерных сооружений.

Для изменения гидрологических условий можно использовать следующие технологические решения: изменение скорости течения, формы русла, материала береговых откосов.

Ø       Скорость течения в водотоках влияет на все биотические компоненты экосистемы: планктон, бентос, макрофиты. Это влияние проявляется непосредственно за счет механического воздействия на гидробионты и косвенно через изменение химических и физических условий в водном объекте. Например, изменение скорости течения приводит к изменению кислородного режима, условий перемешивания, содержания взвешенных веществ в потоке.

Скорость является комплексным управляющим фактором и воздействует на следующие характеристики потока:

ü       Время пребывания примеси в водотоке, от которого зависит степень снижения концентрации загрязняющих веществ за счет их трансформации.

ü       Транспортирующую способность потока, которая определяет прозрачность воды. В свою очередь прозрачность воды влияет на ход продукционных процессов и тепловой режим водотоков

ü       Условия развития биотических сообществ. Для каждого типа водорослей существует лимитирующая скорость течения, при достижении которой развитие водорослей замедляется, и критическая скорость течения, при которой водоросли перестают развиваться. Например, для фитопланктона значения лимитирующей (vlim) и критической (vcr) скоростей принимают следующие значения

Доминирующие водоросли фитопланктона

vlim, м/с,

vcr, м/с

диатомовые

0,7

2,0

зеленые

0,5

1,5

Синезеленые аллохтонные

0,2

0,6

Синезеленые автохтонные

0,5

1,5

Ø       Форма сечения русла имеет большое значение для трансформации органических веществ в водном потоке. Изменяя форму русла, можно непосредственно влиять на процессы продукции и деструкции органических веществ за счет изменения соотношения трофогенного и трофолитического слоев. Кроме того, от формы русла зависит скорость течения потока, влияние которой на качество воды отмечено выше.

Ø       Материал береговых откосов влияет на такие процессы как размывание берега, его обрастание, процессы фильтрации. Например, облицовка откосов щебнем или бетоном приводит к усиленному их обрастанию, увеличению продукции и автохтонному загрязнению воды.

Технологии, связанные с воздействием на гидрологические характеристики потоков, являются, в основном трудоемкими и требуют вложения существенных материальных ресурсов. Менее затратными представляются технологии, направленные на создание различных биоинженерных сооружений. Одним из наиболее распространенных сооружений такого типа для водотоков является биологическое плато, то есть специально созданное экологическое сообщество высшей водной растительности искусственного или естественного происхождения. Принцип очистки поверхностных вод на биологическом плато аналогичен очистке сточных вод на биофильтрах. Очистку воды осуществляют все элементы сообщества: бактериальное население зарослей, донные эпифитные водоросли, планктонные водоросли и беспозвоночные животные. Основным деструктором органического вещества в этом случае является бактериоперифитон - бактериальная пленка, развивающаяся на подводной части растений. Минеральные и органические взвешенные вещества задерживаются и осаждаются погруженными макрофитами. Биогенные элементы ассимилируются высшей водной растительностью, накапливаются в надводной биомассе и корневой системе, что позволяет надолго исключить их из водной среды. Ежегодная осенняя уборка биологического плато позволяет удалить их из водной среды навсегда. На биологических плато осуществляется также эффективное окисление нефтепродуктов до минеральных веществ, извлечение из воды пестицидов, тяжелых металлов, радиоактивных веществ.

Специфической проблемой для водоемов является евтрофирование, поэтому большинство технологий восстановления состояния водных экосистем в водоемах направлены именно на их деевтрофирование, то есть понижение уровня трофности. К таким технологиям относятся.

1.       Изменение условий экологической зональности. Возможны следующие технические решения этой задачи:

Ø       Углубление водоемов, которое уменьшает взмучивание донных отложений ветровыми течениями. При этом уменьшается поступление органических веществ и биогенов из донных отложений. При значительном углублении может сформироваться термоклин, полностью препятствующий поступлению биогенов из гиполимниона в эпилимнион. Недостатком такой технологии является высокая стоимость.

Ø       Удаление донных отложений, в которых откладывается большое количество загрязняющих веществ, в том числе биогенов. Содержание биогенных элементов обычно увеличивается от нижних слоев донных отложений к верхним слоям. Поэтому удаление верхних слоев донных отложений приводит к обнажению слоев, обедненных биогенами, и снижению их поступления в водную толщу за счет обмена с донными отложениями. Недостатком такой технологии является высокая стоимость и возможность повторного заиливания.

Ø       Экранирование донных отложений, которое создает физическую преграду между донными отложениями и водной массой. В качестве экранов обычно используются пластиковые пленки, песок или глина. Недостатком такой технологии также является высокая стоимость и возможность повторного заиливания.

Ø       Аэрация донных отложений направлена на создание в них аэробных условий. В анаэробных условиях наблюдается усиленное поступление фосфора из донных отложений. Аэрация снижает интенсивность этого процесса. Недостатком такой технологии является высокая стоимость.

Ø       Отвод воды из гиполимниона целесообразно применять в стратифицированных водоемах с большим временем водообмена. При этом методе из озер извлекаются богатые биогенами воды.

2.       Химические методы деевтрофирования водоемов основаны на добавлении в воду химических веществ, способствующих осаждению биогенов или их преобразованию в плохо усвояемую микроорганизмами форму. Чаще всего в этих целях используется сульфат алюминия, хорошо осаждающий фосфаты. Осаждение фосфатов можно производить также хлоридом железа или гидроокисью кальция, но гидроокись кальция увеличивает pH водной среды, а железо в анаэробных условиях способно восстанавливаться.

Ø        Изменение условий среды обитания микроорганизмов за счет искусственного затемнения водоема, обеспечивающего снижение первичной продукции. Для затемнения можно использовать красители, избирательно пропускающие солнечный свет, светонепроницаемые плавающие покрытия, высшую водную растительность на берегах, повышение мутности воды.