Загрязнение речных русел на урбанизированных территориях и инженерные мероприятия по улучшению их экологического состояния

ЗАГРЯЗНЕНИЕ РЕЧНЫХ РУСЕЛ НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ И ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО УЛУЧШЕНИЮ ИХ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

POLLUTION OF URBANIZED RIVERS AND ENGINEERING CONCEPTION FOR RECLAMATION AND IMPROVEMENT OF

RIVER ECOLOGY

Т.Г. Богомолова, B.A. Курочкина T. Bogomolova, V. Kurochkina

ГОУ ВПО МГСУ

Установлена связь самоочищения речной воды с седиментацией взвесей. Рассмотрены факторы, влияющие на вторичное загрязнение воды, обоснована необходимость удаления загрязненных русловых отложений для улучшения экологического состояния водотоков.

In the article discussed correlation between river sediment process and natural self-purification of water. The factors, which treatment on secondary water pollution, are showed and argue the necessity of river bed sediments removal.

Нарастающие темпы урбанизации территорий РФ приводят к тому, что все большая часть населения России будет жить в городах или населенных пунктах городского типа. Эта тенденция определяют прогрессирующие загрязнение речных русел с одной стороны и повышение санитарно-экологических требований к состоянию водных объектов - с другой. При этом проблема обеспечения населения питьевой водой, приемлемого качества становится одной из первоочередных задач охраны окружающей природной среды и здоровья населения для большинства современных городов России.

Природный химический состав и свойства воды поверхностных водоемов формируются в зависимости от гидрологических, почвенных, климатических и других особенностей. Естественный характер изменения состава воды связан с сезонными колебаниями гидрометеоусловий и интенсивности биологических процессов.

В источниках воды имеются загрязнения как природного, так и техногенного характера, которая связана с хозяйственной деятельностью человека.

Согласно общепринятой в водоотведении классификации [5] стоки, поступающие с территории населенных мест (городов) в зависимости от источника их образования, подразделяются на:

• хозяйственно-бытовые сточные воды;

• промышленные сточные воды;

• поверхностные (ливневые, талые и поливомоечные) сточные воды;

• грунтовый сток от атмосферных осадков;

• дренажный сток, формирующийся из потерь в водонесущих коммуникациях, аварийных и технологических сбросов.

Отобранная для хозяйственного использования часть водного стока возвращается в реки в виде сбросных вод различной загрязненности.

В настоящее время среднемноголетний расход сточных вод в пределах города Москвы превышает 18 м3/с, что составляет около 50% естественного меженного расхода р.Москвы.

Для анализа количественных и качественных характеристик состояния воды предусматривается периодичность отбора проб на характерных участках реки до города, в пределах города и за его чертой. Частота отбора проб зависит от сезонности и возможности возникновения чрезвычайных экологических ситуаций.

По данным экологического мониторинга р. Москва в черте города может быть разделена на 3 участка, с характерным уровнем загрязненности:

• участок от входа в город до Крымского моста — являющийся наиболее чистым в городе Москве, по большинству показателей качество воды здесь стабильно в течение года и очень незначительно изменяется по течению реки. Несмотря на периодические повышения концентраций загрязняющих веществ в отдельных притоках и водовыпусках, в целом, на данном участке они не оказывают существенного влияния на качество воды в р.Москве.

• центральная часть водотока в пределах Садового кольца — на данном участке качество воды по нефтепродуктам, металлам очень нестабильно и существенно колеблется как в течение года, так и вдоль реки, что свидетельствует о влиянии наиболее загрязненных притоков и выпусков промышленных сточных вод на данном участке.

• участок нижнего течения реки — на данном участке заметное влияние оказывают сбросные воды завода им. Лихачева, наибольшее воздействие на экологическое состояние р.Москвы оказывает Курьяновская станция аэрации (КСА), после выпусков которой в р.Москве резко увеличивается концентрация биогенных элементов — ионов аммония, нитритов, фосфатов.

Воздействие урбанизированных территорий на качество воды, загрязненность речных русел и экологию водотоков определяется составом и количеством загрязнений, поступающих в водоток с урбанизированных территорий.

Хозяйственно-бытовой сток Москвы отводится в полном объеме на городские очистные сооружения. Такая организация сбора, транспортировки и очистки хозяйственно-бытовых сточных вод предполагает наличие возможности контролировать качество воды и предотвращение возможности попадания неочищенных сточных вод в поверхностные водотоки, являющиеся прямыми приемниками очищенных хозяйственно-бытовых сточных вод. Промышленные сточные воды также подвергаются как локальной, так и централизованной очистке.

Поверхностный сток с территории Москвы, вследствие значительной неравномерности, не подается на городские очистные сооружения, а собирается и отводится водосточной сетью в р.Москву и малые реки города, которые выполняют роль приемников поверхностных сточных вод. По данным ГУП "Мосводосток" более половины водовыпусков не имеют никаких устройств очистки сбрасываемых вод.

Предпринятые в последние годы меры по очистке поверхностного стока в системе отстойных сооружений, построенных на малых реках (притоках р.Москвы) позволило уменьшить объем загрязнений, поступающих в р.Москву и ее притоки, и привело к некоторому улучшению качества воды в пределах города. Однако до 2007 года наблюдалось значительные превышения загрязненности над допустимыми концентрациями (ПДК) содержания вредных веществ в поверхностном стоке. Так результаты измере-

ний, проведенных лабораторией ГУП "Мосводосток" в 2001 году выявили, что из 21 показателя загрязненности содержание вредных веществ, было отмечено по следующим 7 показателям: взвешенные вещества, нефтепродукты, марганец, железо, азот аммиака, ХПК, БПК. Данные по оценке качества поверхностных сточных вод приведены в таблице 1.

Таблица 1

Бассейн Взвешенные вещества, мг/л Эфирорастворимые вещества, мг/л БПК20, мг/л ХПК, мг/л Нефтепродукты, мг/л

пдк 0,25 мг/л+Ср* - 3 15 0,05

I 440 44 40 600 17,6

II 440 44 40 600 17,6

III 520 35 - - 14,0

IV 2200 44 - - 17,6

V 1100 57 80 650 22,8

*Ср-концентрация взвешенных веществ в воде водоприемника

Часть сильнозагрязненного поверхностного стока представляет собой небольшие рассредоточенные, не увязанные в единую систему водостока потоки с территорий открытых стоянок, АЗС, гаражных комплексов, производственных площадок и т. д. Этот сток часто отводится непосредственно в водоприемники неорганизованно и, как правило, без очистки, что ставит задачу строительства эффективных локальных очистных сооружений. Поверхностные сточные воды с территорий строек, жилых массивов и дорог, образующихся в результате выпадения дождей, таяние снега и поливо-моечных работ, характеризуется неоднородностью состава, чрезвычайно сильно загрязненные и также не подвергаются очистке вместе с хозяйственными и промышленными сточными водами. Они поставляют в водоток примеси в виде взвешенных, эмульгированных и растворенных веществ неорганического и органического характера различной крупности и различных физико-механических свойств, связанных с их искусственным происхождением. Попадание химических примесей и искусственных взвесей в русловые грунты изменяет их физико-механические свойства, повышает связность, затрудняет или вовсе исключает их размыв в период половодий.

Поступающие с территории населенных мест - грунтовые воды и дренажные стоки - также отрицательно сказываются на состоянии водотоков.

Часть загрязнений попадает на водосборные площади из воздуха, поскольку загрязненная атмосфера содержит твердые частицы пыли, сажи, аэрозоли, газы, являющиеся инициаторами «кислотных дождей» - оксиды и диоксиды серы, азота, углерода. Они попадают в атмосферу с выбросами дымовых труб промышленных и энергетических предприятий, а также с выбросами двигателей внутреннего сгорания автомобилей.

Таким образом, сильно загрязненные сточные воды различного происхождения оказывают существенное негативное воздействие на экологическое состояние городских водных объектов.

Сильное влияние на качественные и количественные характеристики отводимых поверхностных вод оказывает состояние территории города. Особое место среди проявлений антропогенного воздействия на почвы мегаполисов принадлежит загрязнению городской территории тяжелыми металлами, поскольку быстрое самоочищение почв от такого загрязнения до требуемого уровня, затруднено, а во многих случаях практически невозможно.

Основными источниками тяжелых металлов в условиях города являются: транс -портно-дорожный комплекс, промышленные предприятия, неутилизированные промышленные и коммунально-бытовые отходы.

Содержание химических элементов в почвах города варьирует в широких пределах. Особенно высокая изменчивость характерна для концентраций кадмия, молибдена и меди.

Широко распространены и активно накапливаются в почвах цинк, свинец, медь, ртуть. В основном на уровне фоновых концентраций содержатся молибден, никель, олово, барий, хром, кадмий, бериллий, кобальт и бор.

Таким образом, для поверхностных водотоков, расположенных вблизи крупных промышленных пунктов, где производственные сточные воды и поверхностный сток очищаются недостаточно, наблюдается характерное ухудшение качества воды уже в черте города. А наибольшее количество загрязняющих веществ, по данным химического состава воды для Москвы, наблюдается на границе городской черты (таблица 2).

Таблица 2

№ Наименование показателей Значения показателей, мг/л

на входе в город на выходе из города

1 Взвешенные вещества 3,3 19,2

2 Сухой остаток 237 415

3 бпк5 2,3 4,1

4 хпк 21,0 33,0

5 Азот аммонийный 0,8 1,9

6 Хлориды 17,0 46,0

7 Сульфаты 29,0 49, 0

8 Железо 0,31 0,64

9 Марганец 0,05 0,07

10 Цинк 0,04 0,6

11 Медь 0,02 0,02

12 Стронций 0,31 0,52

По мере продвижения речной воды по городу возрастает содержание в ней различных компонентов, часть из которых осаждается и накапливается в донных грунтах в черте города, а другая их часть поступает на участки водотока ниже черты городской черты.

Долговременное хозяйственное использование водотоков в городах в качестве приемников сбросных и сточных вод, значительная доля которых недостаточно очищена, привело к аккумуляции в речных руслах значительного количества отложений сильно загрязненных токсичными и вредными для здоровья химическими веществами, соединениями. По оценкам института «Гипроречтранс» на городском участке р.Москвы аккумулировалось до 25 млн. м3 отложений с различной степенью загрязненности.

Развитие центров урбанизации, расширение урбанизированных территорий оказывает разнообразное, существенное и, как правило, отрицательное влияние на водный сток, динамику речного потока, русловые процессы и экологию водотоков.

Результаты химических анализов донных отложений р.Москвы свидетельствуют о том, что грунты, выделенные как загрязненные, содержат органические вещества, фенолы и нефтепродукты. Кроме того, в загрязненных грунтах содержится ряд вред-

ных элементов - медь, цинк, никель, кобальт, свинец, хром, барий, стронций, серебро, марганец, цирконий, титан, ванадий и т.д. Наиболее опасными загрязнителями донного грунта являются соединения тяжелых металлов (железа, марганца, цинка, меди, стронций и т.д.). Их отличает высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнифи-кации. Обладая значительной массой и плотностью, эти вещества, попадая в воду, осаждаются и проникают в донные грунты.

Попадание химических примесей и техногенных взвесей в русловые грунты изменяет их физико-механические свойства, повышает связность, затрудняет или вовсе исключает их размыв в период половодий, когда обычно происходит самоочищение речного русла от загрязнений, накопившихся в течение всего года.

Дополнительное влияние на процесс накопления в русле загрязненных отложений оказывает отбор стока. Ввиду того, что поступление загрязняющих веществ в реку носит постоянный характер, то концентрация и объемы загрязняющих веществ в донных отложениях с годами увеличивается.

Накопившиеся в речных илах вредные вещества либо их производные, мигрируя из донных отложений в водную среду, вызывают вторичное загрязнение речной воды, которое может значительно ухудшать ее качество. Химические вещества донных отложений опасны еще и тому, что могут включаться в трофические цепи не только через воду путем ее вторичного загрязнения, но и через водную растительность и жизнедеятельность гидробионтов, в том числе рыбу.

Химические примеси донных отложений могут находиться в нерастворимом состоянии либо в виде растворов в поровом пространстве русловых отложений. Концентрация растворов может быть различной, она меняется во времени. На изменение концентрации оказывает влияние как растворение соединений в воде порового пространства, происходящее превращение веществ под действием химических и микробиологических процессов, а также процесс диффузии смесей из донных отложений в речную воду, размеры и интенсивность которого зависят от многих факторов.

Диффузия элементов из донных грунтов в речную воду в значительной степени зависит от рН водной среды. Поскольку рН воды в течение года может изменяться как в сторону кислой, так и щелочной реакции, то и подвижность различных элементов в течение года может меняться. Так, например, если рН реки можно определить как нейтральный, то практически неподвижным элементом будет являться свинец, который в кислой среде становится слабоподвижным. Поэтому, можно считать все элементы слабоподвижными в течение года, а, следовательно, способными диффундировать как из речной воды в грунт, так и из грунта в воду, приводя к вторичному загрязнению.

Также на интенсивность диффузионного переноса может оказывать влияние под-русловое фильтрационное течение и его взаимодействие с речным потоком.

Сложный механизм влияния примесей в донных отложениях на здоровье человека затрудняет точное определение предельно допустимых концентраций (ПДК) для них, поскольку методика определения ПДК должна учитывать механизм влияния веществ на здоровье человека, что в данном случае сделать достаточно сложно [1].

Вопрос о степени влияния загрязненности донных отложений на качество воды и методики учета этих загрязнений, т.е. вопрос о вторичном химическом заражении воды грунтом, до настоящего времени практически не исследован. В последнее время эта проблема вызывает все больший научный интерес [1], [3], [4]. Однако, общего подхода к оценке объемов загрязненных отложений, степени их негативного влияния на экологическое состояние водотока и к определению необходимости очистки русла,

до настоящего времени, не разработано. Попытка предложить методику оценки объема загрязненных отложений, основанную на безразмерном коэффициенте антропогенной нагрузки на водоток, была предложена в работе Курочкиной В.А. [2].

В настоящее время наблюдается значительный прогресс в технологии очистки сточных вод, связанный как с повышением требований к качеству очистки, так и техническими возможностями их выполнения. Это позволяет исключить источники внешнего загрязнения водного объекта и значительно улучшить качество речной воды. Такой подход был реализован в Германии, при очистке Рейна.

Однако, учитывая, что большинство рек и водоемов в течение длительного срока подвергались сбросам загрязненных стоков, то даже в случае полной очистки всех сбрасываемых сточных вод нельзя гарантировать, что речная вода будет соответствовать санитарно-экологическим требованиям без очистки русел от загрязненных донных отложений.

Инженерные мероприятия по удалению загрязненных иловых отложений могут выполняться с использованием различных технологий в зависимости от количества и условий залегания в русле загрязненных грунтов.

Таким образом, рассмотренный комплекс факторов, связанных с урбанизацией и определяющих причины прогрессирующей деградации речных русел, должен учитываться при разработке организационных и инженерных мероприятий по улучшению экологического состояния водных объектов на городских территориях РФ.

Литература

1. Ерошина Т.Л., Шихова Л.Н., Лисицин Е.М., Жиряков A.C. «Накопление тяжелых металлов в водных экосистемах разной степени загрязненности». «Проблемы региональной экологии», №2, 2007.

2. Курочкина В.А. «Оценка изменения качества воды и загрязненности речного русла при проектировании инженерно-экологических мероприятий на водном объекте». Строительство -формирование среды жизнедеятельности: научные труды тринадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов, 14-21 апреля, 2010. М.: МГСУ, Изд-во АСВ, 2010, 286-291с.

3. Юзефович A.M., Кошелева Н.Е.. «Загрязнение почв селитебной зоны Москвы и его связь с природными и антропогенными факторами». «Теоретическая и прикладная экология», №3, 2009.

4. Янин Е.П.. «Техногенные геохимические ассоциации в донных отложениях малых рек агроландшафтов (формирование, состав, экологическая оценка)». «Теоретическая и прикладная экология», №1, 2009.

5. СНиП 2.04-03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения»

Ключевые слова: загрязнение речных русел, донные отложения, диффузия примесей, вторичное загрязнение воды, очистка русел.

Keywords: river bed pollution, silt sediments, substance diffusion, secondary water pollution, river bed pollution purification.

Богомолова Т.Г., г. Москва, Спартаковская ул., 2/1, кафедра инженерной геологии и гидрогеологии 8(499) 261-81-20, E-mail: MGSU-HYDRAULIC@ yandex.ru

Курочкина В.А.

Москва, Спартаковская ул., 2/1, кафедра гидравлики, 8(499) 261-39-12

E-mail: vkurochkina@fromru.com

Статья представлена Редакционным советом «Вестник МГСУ»