Проблемы экологического здоровья водохранилищ

2/2006

ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ЗДОРОВЬЯ ВОДОХРАНИЛИЩ

Бестужева A.C.

а последние полвека на реках мира построено около 800 тыс. плотин, из которых 45 тыс. выше 15 метров. Ежегодно вступают в строй сотни гидроузлов, создающих большие и малые водохранилища.

В настоящее время водохранилища являются важнейшим практическим средством управления водными ресурсами. С их помощью решается одна из главных народохозяйственных задача -обеспечение водопотребителей и водопользователей водой заданного качества.

Водохранилища - творения рук человека становятся неотъемлемой частью природной среды, изменяют ее и живут по ее законам. Вместе с тем, высокая плотность населения, чрезмерная концентрация различных отраслей промышленности и сельскохозяйственного производства по берегам зарегулированных рек привели к чрезвычайно интенсивным антропогенным нагрузкам на экосистему как самих водохранилищ, так и всей водосборной площади.

Накопление наносов в водохранилищах нередко связано и с накоплением загрязнений. Твердые наносы, осаждающиеся в водохранилище, адсорбируют на себе мельчайшие частицы любой взвеси, в том числе и органику, содержащую загрязняющие вещества. В ходе жизнедеятельности мельчайших организмов-редуцентов (бактерий, грибов, водорослей) органические соединения подвергаются деструкции, происходит изменение их свойств. Трансформация веществ вместе с процессом механического вымы-

вания загрязнении являются сутью процессов «самоочищения» вод в водохранилищах.

Однако для того чтобы «самоочищение» работало необходимо, чтобы скорость процесса трансформации была выше, чем скорость аккумуляции загрязняющих веществ. Если это условие нарушается, то наступает момент, когда накопление загрязнении в донных отложениях достигает «критического» уровня и вместо трансформации включается механизм "размывания" осевшеИ массы. При этом в водную среду выносится дополнительно часть загрязнении, попавших туда ранее. ТакоИ процесс носит название «вторичного загрязнения» водоема. Во избежание опасности вторичного загрязнения на неглубоких водохранилищах в промышленно развитых раионах не следует допускать быстроИ и глубокоИ сработки.

Натурные наблюдения на водохранилищах Волжского каскада, выполненные ИВП РАН в 1982 г. показали, что в придонных слоях застоИных и слабопроточных зон приплотинных ча-стеИ водохранилищ формируются тонкодисперсные осадки с консистенциеИ геля в виде довольно значительных по площади ареалов с толщиноИ слоя от сантиметров до 2-х метров. Гелеобраз-ные массы, с концентрациеИ загрязняющих веществ в них на порядок превы-шающеИ ПДК, обладают большоИ подвижностью.

Одним из способов предотвращения вторичного загрязнения водоема может быть путь засыпки очагов дон-

ных загрязнений чистым песком русловой части водохранилища. Отсыпка может вестись слоем в несколько сантиметров по специально разработанной для этого технологии, учитывающей недопущение размыва самой засыпки /1/.

Уровень «критического» загрязнения для каждого водоема свой и определяется, исходя из параметров его объема, объема загрязняющих веществ в источнике загрязнения, скорости восстановления - самоочищения /2/.

Каждый водоем - сложная физико-биологическая система, в которой обитают бактерии и водоросли, высшие водные растения, различные беспозвоночные животные. Совокупная деятельность этих организмов является «движущей силой» механизма самоочищения водоемов.

Факторы самоочищения водоема условно можно разделить на три группы: физические, химические, биологические. Среди физических факторов первостепенное значение имеют разбавление, растворение, перемешивание и перенос поступающих загрязнений, при малых скоростях течений -оседание на дно нерастворимых осадков и отстаивание. Под влиянием ультрафиолетового солнечного излучения происходит разрушение части белковых коллоидных соединений, вода обеззараживается.

К химическим факторам самоочищения относятся процессы окисления органических и неорганических веществ. Интенсивность окислительных процессов зависит от количества растворенного в воде кислорода. Кислород в воду поступает главным образом из атмосферы, чему способствует волновое перемешивание водных масс, а также в ходе жизнедеятельности фотосин-тезирующих растений.

Максимальная насыщающая концентрация кислорода в холодной воде составляет около 9мг/л, однако при дополнительной аэрации воды может по-

вышаться в 1.5-2.5 раза. В глубоких и малопроточных водохранилищах развиты явления температурной и кислородной стратификации, проявляющиеся в том, что концентрация кислорода в нижних слоях падает до 3-5% максимального насыщения. Кроме того, если содержание органических веществ в водоеме велико, то для их окисления бактериями и простейшими может израсходоваться почти весь имеющийся запас кислорода, и в водоеме наступают анаэробные условия. Немногие виды способны выжить в подобных условиях, хотя анаэробные формы жизни достаточно широко распространены на планете. Вместо кислорода анаэробные бактерии могут использовать серу, содержащуюся в органических отходах. Их жизнедеятельность сопровождается образованием сероводорода и метана. На некоторых крупных тропических водохранилищах, где не были в должном объеме проведены мероприятия по очистке ложа от растительности, разложение огромной растительной биомассы вызвало появление обширных сероводородных зон.

К биологическим факторам самоочищения относятся механизмы, выработанные самой природой. Водные сообщества растений, животных, ихтиофауна, бактерии, грибки, донный бентос являются звеньями пищевых цепей водоемов и обеспечивают круговорот веществ в экосистеме.

Чрезвычайно велика роль растений - водорослей, высшей водной растительности и лесов в формировании качества поверхностных вод и защите водоемов от загрязнения и истощения.

Важнейшая водоохранная функция лесов связана с их сглаживающим влиянием на внутригодовое распределение стока. Лес обеспечивает перевод части склонового стока в почвенный и грунтовый, что связано с очисткой воды от загрязняющих веществ в ходе фильтрации. Снежный покров на лесных терри-

ториях формируется со значительно большими запасами воды, чем на открытых пространствах, причем наиболее мощный - в лиственных лесах. От мощности снежного покрова зависят глубина промерзания почвы и интенсивность ее оттаивания. Сильнопро-мерзшие почвы (безлесые) характеризуются замедленным оттаиванием, во время снеготаяния их водопроницаемость минимальна, что ведет к увеличению кратковременного половодного стока с большим объемом продуктов эрозии берегов.

Согласно Водному Кодексу РФ, для поддержания водных объектов в состоянии, соответствующем экологическим требованиям, для предотвращения загрязнения, истощения поверхностных вод, для сохранения среды обитания животного и растительного мира устанавливаются водоохранные зоны. Минимальная ширина водоохраной зоны для водохранилищ определяется с учетом прогнозов изменения береговой линии во время эксплуатации, но не менее 500 м. Прибрежные защитные полосы должны быть заняты древесно-кустарниковой растительностью. По берегам сибирских водохранилищ рекомендуется оставлять водоохранную лесную зону шириной не менее 3 км.

Везде, в каждой капле воды можно обнаружить тех или иных представителей водорослей. Мир водорослей огромен. В настоящее время известны тысячи их видов, составляющих основную часть биомассы фитопланктона на Земле. В пресных водоемах чаще всего обитают зеленые, сине-зеленые, диатомовые водоросли.

Особенностью питания водорослей является то, что они способны усваивать из водной среды растворенные минеральные элементы и использовать их при синтезе аминокислот, белков, витаминов, фитогормонов. Некоторые виды водорослей способствуют расщеплению высокомолекулярных органических со-

единениИ на органические составляющие, быстро разрушаемые далее бактериями. Они связывают в комплексы некоторые металлы, такие как ртуть и свинец, что уменьшает их подвижность и ускоряет процесс осаждения.

Бактерицидная активность водо-рослеИ проявляется в выделении ими биологически активных веществ - фи-тогормонов, которые подавляют жизнедеятельность патогенноИ микрофауны, что также способствует оздоровлению водоемов.

Количество кислорода, выделяемого различными видами водорослеИ, изменяется под влиянием многих факторов - интенсивности освещения, времени года, температуры воды, численности, видового состава.

Избыточное поступление биогенных элементов в водоемы, в особенности нитратов и фосфатов, служащих источником питания для фотосинтезиру-ющих водорослеИ, замедленныИ водообмен и теплые воды - факторы, способствующие бурному развитию отдельных видов фитопланктона - «цветению» водоемов. При этом затраты кислорода на биохимическое разложение отмершеИ биомассы вместе с ночным снижением кислорода за счет дыхания растениИ могут привести к тому, что в условиях нехватки кислорода типичное водное сообщество деградирует. ТакоИ процесс носит название эвт-рофизацией водоемов.

Цветение водоемов в первые годы их существования наблюдается практически повсеместно в самых разных климатических зонах и географических поясах. В холодных водохранилищах цветение воды связано с разрастанием диатомовых водорослеИ. В более теплых и прогреваемых водохранилищах бурно размножаются сине-зеленые водоросли. В тропических и экваториальных - разрастается водныИ гиацинт «голубая чума», которыИ за считанные годы может вызвать зарастание всего

водохранилища. «Цветут» сегодня даже такие некогда чистые олиготрофные горные озера как Женевское и Боденское. Главная причина этому - избыточное поступление в водоемы сточных вод, изменение термического режима и естественное «старение» озер при накоплении в них детритных осадков.

Интересно отметить, что среди всех прочих видов водной растительности сине-зеленые водоросли выделяются абсолютной простотой своего клеточного строения. Это одноклеточные растения, не имеющие оформленного ядра, за что их часто объединяют с классом бактерий и относят к разделу прокариотов, т.е. доядерных организмов. Подобно азотофиксирующим бактериям у сине-зеленых водорослей существует способность связывать атмосферный азот и синтезировать на его основе азотистые вещества своего тела. Поэтому бурное размножение сине-зеленых водорослей не связано с присутствием в воде нитратов, как у других растений, для них - лимитирующим фактором являются фосфаты. Кроме того, при нехватке солнечного света (в пещерах, на глубине), в их клетках происходят изменения пигментного состава, и они переходят к гетеротрофному питанию, т.е. используют присутствующие в водоемах органические вещества в качестве источника питания. Сине-зеленые водоросли - старейшая группа авто-трофных растений, приспособившаяся к жизни в самых неблагоприятных условиях.

Как же помочь восстановлению эв-трофных водохранилищ? Если водоем стал эвтрофным, то простого прекращения новых поступлений в него фосфатов недостаточно, хотя это несомненно надо сделать. Фосфаты, попавшие в донный ил, могут оставаться там годами. Пути решения этой проблемы связаны с изъятием, захоронением, разложением или нейтрализацией этих соединений.

В некоторых случаях можно увеличить ироточность в застойных зонах водохранилищ, что поможет смыть избыток питательных веществ и водоросли.

Для осаждения фосфатов на водопроводных станциях используются различные реагенты, однако, обработка поверхности водного зеркала водоема может оказаться слишком дорогим мероприятием. Летучая зола тепловых станций также может приметаться для осаждения фосфатов, к тому же она «склеивает» донные осадки, предотвращая их дальнейшее растворение. Однако зола ТЭС содержит множество других загрязняющих веществ и в том числе элементы тяжелых металлов.

Уже несколько лет на некоторых эв-трофированных озерах и водохранилищах Европы и США используется метод непосредственной подачи кислорода в донные слои воды. Такая принудительная аэрация активизирует окислительные процессы и препятствует высвобождению фосфора из озерного ила.

Биологические методы очистки относятся к группе методов, предусматривающих изменение типа и количества различных организмов, населяющих водоем, с тем, чтобы контролировать процесс эвтрофизации. Такие методы могут включать изменение значения рН воды в озере с тем, чтобы благоприятствовать росту зеленых, а не сине-зеленых водорослей, с этой же целью в «цветущие» зоны водохранилищ может подкачиваться холодная вода подземных источников. Воды водохранилищ следует заселять растительноядными породами рыб. К слову сказать, зеленые и диатомовые водоросли являются элементом питания для растительноядных рыб, поэтому их разрастание ограничивается численностью рыбного стада, в то время как среди сине-зеленых водорослей почти нет видов, которые употреблялись бы другими организмами в пищу и более того, после своей гибели они выделяют некоторые ядовитые вещества.

Значительную роль в оздоровлении водоемов играет высшая водная растительность (макрофиты). В народе тростник называют хранителем «живой» воды. Для очистки поверхностных вод от углеводородов на мелководьях весьма эффективны камыш озерный, тростник обыкновенный, рогоз, роголистник темно-зеленый. Основная роль в процессах очищения вод макрофитами принадлежит их симбиозу с нефтеокис-ляющими бактериями, в котором высшие водные растения играют роль активного субстрата.

Анализ многолетних комплексных наблюдений за водным, химическим, биологическим режимом искусственных водоемов показал, что, в охраняемых экосистемах водохранилищ, за счет поглощаемой водорослями солнечной энергии происходит интенсивное самоочищение вод одновременно с ростом рыбопродуктивности зарегулированных участков речной сети.

Охраняемые экосистемы водохранилищ предполагают как минимум соблюдение норм очистки сточных вод от загрязнений, проведение агротехнических мероприятий по уменьшению склоновой эрозии, выносу минеральных удобрений с обрабатываемых полей, засорению и замусориванию стокообра-зующих территорий.

Наиболее ярко выраженным недостатком водного режима водохранилищ являются неизбежные при регулировании стока колебания уровней воды, приводящие в фазе сработки к осушению больших пространств акватории, чаще всего в верховьях долинных водохранилищ. При этом на берегах остаются разлагающиеся водные растения и животные, на осушенной части происходит гибель донного бентоса, на мелководных и заболоченных участках создаются благоприятные условия для размножения насекомых и т.п. Экологически негативные последствия глубокой сработки водохранилищ проявля-

ются в снижении самоочищающей способности водоемов, в сокращении нерестовых площадей, в ухудшении условий зимовки рыбного стада в период ледостава.

Современные требования по экологическому обустройству водохранилищ предполагают реконструкцию отдельных участков акватории и прилегающей береговой зоны в целях повышения рыбопродуктивности водоемов и сохранения нормативного качества воды. Главной задачей такой реконструкции должно стать управление не только внешним водообменном водохранилищ по узаконенным диспетчерским графикам, но и управление внутренним водообменном.

Комплекс инженерно-технических мероприятий включает в себя, прежде всего, мероприятия по отчленению части мелководий от открытой акватории и обустройству защищенных мелководий, а также работы по дноуглублению, отсыпке подводных рифов и островных массивов /3/.

Роль мелководий на водоемах огромна. Это те части акватории водохранилищ, где происходит размножение рыб, инкубация икры, вырост личинок и молоди, нагул части воспроизводителей. Имеющийся пока небольшой опыт показывает, что на мелководных участках с глубинами до 2-х метров и колебаниями уровней воды 0.5-1.0 метр создаются наиболее благоприятные условия для получения высоких и устойчивых, не зависящих от погоды, урожаев кормовых трав. Мелководья водохранилищ используются также для искусственного разведения рыбы, раков, водоплавающей рыбы, нутрии и ондатры.

Оптимальная доля мелководий в общей площади акватории водохранилищ составляет 10- 15% (рис 1).

Определенный успех в плане разработки конкретных мероприятий по защите мелководий имеется в европейских странах, в США. Так, на водохранилищах р. Миссисипи были отсыпаны

из крупногабаритных камнеИ искусственные острова, защищающие мелководья от ветра, создающие специфические местообитания по типу «искусственные рифы». Они доказали свою эффективность в улучшении структуры рыбного сообщества.

В России разработаны проекты по экологическоИ реконструкции Рыбинского и КуИбышевского водохранилищ. В них предусмотрены мероприятия по искусственному изменению рельефа дна, прибрежных зон в целях рекреационного использования акватории, обвалование мелководиИ для получения до-полнительноИ сельскохозяИственноИ продукции, создание прудовых комплексов, рыбоводных ферм, искусственных рифов и нерестилищ и т.п.

Превращение водохранилищ с глу-бокоИ сработкоИ в полисекционные водоемы с выделением водоохранных, мелководных секциИ и главноИ - регу-лируемоИ емкости, позволит поддерживать постоянным уровень воды на мелководьях и защитит главную часть водохранилища как источника питьевого и технического водоснабжения от излишнего загрязнения и эвтрофизации.

Для уменьшения отрицательного влияния колебания уровня водохранилища на санитарно-гигиеническое состояние побережиИ широкое распространение в европеИских странах получили буферные водохранилища. Эти водоемы создаются в зонах выклинивания подпора на главноИ реке, а нередко и на ее притоках. ПостоянныИ уровень воды в верховьях водохранилища способствует сохранению ландшафта речноИ долины, позволяет увеличить глубину сработки основного водохранилища, а значит и его регулируемую емкость. Буферные водохранилища перехватывают большую часть твердого стока реки, в них происходит первичное отстаивание и очищение речноИ воды, что самым благотворным образом сказывается на качестве воды в главном водохранилище.

Рис. 1 Мелководья на водохранилищах

В первые годы существования водохранилища большое значение в формировании качества воды имеют выполненные санитарно-технические мероприятия по подготовке ложа к затоплению (вырубка леса, уборка мусора, обеззараживание нечистот и захоронениИ, снятие торфяников). До настоящего времени среди специалистов нет единого мнения по поводу сводки дре-весно-кустарниковоИ растительности в зоне будущего водохранилища.

В большинстве европеИских стран, где нет крупных водохранилищ, производится сплошная лесоочистка ложа и некоторых участков берегов, т.к. считается, что осложнения, вызванные невы-рубленноИ и плавающеИ древесиноИ, обходятся впоследствии дороже, чем стоимость лесоочистки.

Наибольшие проблемы с качеством воды наблюдаются на водохранилищах в тропическом и экваториальном поясах. Из-за больших технических слож-ностеИ и из-за недостатка средств в некоторых развивающихся странах производилась лишь частичная очистка ложа водохранилищ. Много невырублен-ного леса осталось на водохранилищах Кариба, Брокопондо, Каинджи, Вольта, Косу, Тукуруи, Капанда (рис.2) и др. Во

Рис. 1. Ложе водохранилища Капанда перед затоплением

многих случаях из-за разложения затопленной растительности на водохранилищах появились сероводородные зоны. Затопленный лес создал проблемы для судоходства, рыболовства, уменьшил возможности рекреационного использования водохранилищ.

Вместе с тем неполная лесоочистка водохранилищ имела место на многих водохранилищах в Канаде, в США, в России. Например, при подготовке ложа водохранилища Норрис в бассейне р. Теннеси лесоочистка проводилась лишь в зоне сработки, ниже осуществлялась только срезка деревьев, выступающих над водой при УМО. На ряде водохранилищ США вырубаемая древесина даже не вывозилась, а оставлялась на месте, закрепленной к кортам деревьев.

Вместе с тем опыт эксплуатации ряда сибирских и канадских водохранилищ показал, что влияние древесины, оставленной без вырубки на больших площадях, сказалось на качестве воды значительно меньше, чем предполагалось. Под действием ледовых, гидродинамических, гидрохимических процессов, невырубленная лесная растительность постепенно разрушается, разлагается, всплывает, частично выбрасывается на берег, особенно во вре-

мя сработки водохранилищ, частично заиливается на дне. Кое-где затоплен-ныИ лес сдерживает разрушение берегов и перемещение наносов, создает особые безопасные условия для размножения рыб, птиц, водоплавающих животных.

На Братском водохранилище было затоплено 12 млн. м3 леса, на Усть-Илимском - 5.4 млн. м3. Большие площади нетоварного леса были затоплены при создании водохранилища на КуреИскоИ ГЭС. Плавающие поля древесины причиняют неудобства и трудности в работе водного транспорта, затрудняют условия подхода судов и катеров к берегу, снижают эстетическое впечатление и рекреационную ценность водохранилища.

На Саяно-Шушенском водохранилище была проведена частичная лесо-очистка, из 3,7 млн. м3 древесины в зоне затопления осталось 2.2 млн. м3 , из них 1.0 млн. м3 остались в зоне ежегод-ноИ сработки. С момента начала наполнения водохранилища в 1978 году и до сегодняшнего дня на его акватории происходит образование плавника. По данным аэрофотосъемки в 1989 г.было выявлено на плаву около 1 млн.м3 древесины, что составляет 0.2 % от полного объема водохранилища. Образование плавника происходит за счет всплытия валежника и сухостоИноИ древесины, от вывала и срезки деревьев в результате ледовых явлениИ при ежегодных зимних сработках на 30-80 м при толщине льда 100-130 см.

Для очистки водохранилища от пла-вающеИ древесины были установлены запани, организован сбор плавника в кошели и доставка их к месту складирования. Однако, проблема переработки плавающеИ древесины до сих пор не решена. Лес теряет свою ценность, оседая на берегах водохранилища, увеличивает пожароопасность. Непрерывные работы по локализации и сбору плавника требуют людских ресурсов, а собран-

ные, более 300тыс. м3 плавника не находят до сих пор своего применения.

Исследовательские работы, выполненные в 1885-1996 г. на биологическом факультете Красноярского университета, показали, что процессы химического и биологического разрушения древесины в суровых климатических условиях с низкими среднегодовыми температурами воздуха и воды протекают крайне медленно и не отражаются на удовлетворительном качестве воды, которая в основном объеме водохранилища характеризуется как «достаточно чистая», олиготрофная.

В настоящее время действующие санитарные нормы, регламентирующие требования к подготовке зон водохранилищ (СанПиН 3907-85), допускают возможность затопления части древес-но-кустарниковой растительности в зоне мертвого объема (ниже УМО) на водохранилищах с объемом более 10 млн. м3 и с водообменном более 6.

Учитывая, что проблема лесосвод-ки и лесоочистки разделяется на две части - экономическую (реализация на рынке товарного леса) и экологическую (обеспечение качества воды) в современных проектах гидротехнических объектов может быть принята следующая схема решения проблемы:

- на базе лесоинвентаризации в затапливаемой зоне определяются объемы товарной древесины, подлежащие лесосводке;

- определяются объемы древесины, подлежащие лесоочистке на спецучастках: зона сработки, судовые хода, уча-

стки дна вблизи населенных пунктов, места промышленного лова рыб и т.п.;

- в предположении, что вся оставшаяся древесина будет затоплена, составляется прогноз всплывания древесины и изменения качества воды, рассматривая оставшуюся древесину как источник загрязнения;

- если объем плавающей древесины или прогнозируемое качество воды не отвечают нормативным требованиям или затрудняют условия эксплуатации, то объемы лесоочистки увеличивают.

Изложенный подход к решению проблемы лесоочистки позволяет сбалансировать экономическую и экологическую стороны проблемы /4/.

Список литературы

1. Дебольский В.К. Проблема предотвращения вторичных загрязнений водохранилищ // Гидротехническое строительство. 1996. № 11.

2. Алтунин Г. С. Оценка критического загрязнения водоемов // Гидротехническое строительство. 1996. № 7.

3. Авакян А.Б., Герасимов Ю.В., Поддубный С.А. Актуальные проблемы экологического обустройства водохранилищ // Гидротехническое строительство. 1999. № 6.

4. Новоженин В.Д., Троицкий А.В. Оценка воздействия на окружающую среду и мероприятия по подготовке зон водохранилищ в современных проектах гидроэлектростанций // Гидротехническое строительство. 2001. № 12.