Обоснование загрязнения и деградации водных объектов крупных городов Российской Федерации и использование инструментов инженерно-геологического районирования при разработке способов восстановления естественной гидросети мегаполисов

© Н.В. Политова, Ю.В. Кириченко 2013

УДК 622.25:502.3.

Н.В. Политова, Ю.В. Кириченко

ОБОСНОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ И ДЕГРАДАЦИИ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ КРУПНЫХ ГОРОДОВ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТОВ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЙОНИРОВАНИЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЕСТЕСТВЕННОЙ ГИДРОСЕТИ МЕГАПОЛИСОВ

Рассмотрены основные проблемы гидросети мегаполисов и представлены способы восстановления нарушенных водных объектов (рек, озер, водоемов), в частности повышения содержания кислорода в воде.

Ключевые слова: реки, мегаполис, восстановление гидросети, инженерно-геологического районирование, пневматические камерные насосы, устройство для принудительной аэрации рек.

Россия — одна из наиболее водообеспеченных стран мира. Страна обладает одними из крупнейших в мире запасами пресной воды. Поверхностные воды занимают 12,4% территории России. При этом они распространены неравномерно, 84% поверхностных вод сосредоточено к востоку от Урала, а многие густозаселенные районы европейской части России испытывают нехватку водных ресурсов, особенно это касается крупных промышленно развитых городов.

Так, в структуре использования воды по видам экономической деятельности преобладают производственные нужды.

Также заметим, что большинство рек России относится к бассейну Северного Ледовитого океана, занимающему более 50 % территории страны. Среди рек северного бассейна р. Лена является самой длинной рекой России (4400 км); р. Енисей — самой полноводной (объем годового

стока 630 км3); р. Обь — самой крупной по площади водосбора (2990 тыс. км2). Основная река бассейна Тихого океана — р. Амур с притоками р. Зея, р. Бурея и р. Уссури. На бессточный бассейн Каспийского моря приходится около 25 % территории страны. Самая длинная (3530 км) и многоводная река этого бассейна — р. Волга, которая является также самой крупной рекой Европы. Среди рек бассейна Атлантического океана, занимающего наименьшую площадь, наиболее значительны р. Западная Двина, р. Нева, р. Днепр, р. Дон, р. Кубань. Самая полноводная из них р. Нева, питающаяся водами Ладожского озера, объем годового стока которого составляет 75 км3 [1,2].

Средний многолетний сток всех рек России составляет 4271 км3 в год. На бассейны Северного Ледовитого и Тихого океанов, где проживает менее 20 % населения страны, приходится 90 % стока. Такое неравномерное распределение водных ресур-

сов негативно сказывается на хозяйственной деятельности.

Также необходимо отметить, что в России находится свыше двух миллионов озер, но размешены они по территории страны крайне неравномерно. Больше всего озер в Карелии, в Вилюйской котловине и на Западно-Сибирской равнине. Самыми крупными озерами являются о. Байкал, о. Ладожское, о. Онежское, о. Таймыр, о. Чудское. Причем, о. Байкал — самое глубокое озеро в мире его максимальная глубина достигает 1637 м.

Однако, несмотря на то, что наша страна весьма богата водными ресурсами, используются они в основном нерационально, либо не достаточно рационально.

В то же время, по результатам обработки данных федерального государственного статистического наблюдения за использованием вод, в целом по Российской Федерации в 2009 году отмечается снижение объема суммарного забора воды из природных водных объектов по сравнению с

2008 годом (2008 г. — 80,3км3,

2009 г. — 75,4 км3).

Согласно статистики всего в Российской Федерации в 2009 г. ис пользовано 57,7 км3 свежей воды (2008 г. — 62,9 км ), в том числе: пресной из поверхностных источников — 45,2 км3 (2008 г. — 49,7 км3), подземных — 7,0 км3 (2008 г. — 7,3 км3), морской воды — 5,5 км3 (2008 г. — 5,9 км3).

Что касается структуры водопо-требления, то она характеризуется следуюшими показателями:

• производственные нужды — 60,5 %;

• хозяйственно-питьевые нужды — 18,4 %;

• орошение — 13,7 %;

• сельскохозяйственное водоснабжение — 0,9 %;

• прочие нужды — 6,5 %.

Заметим, что ежегодные потери

воды во внешних сетях при транспортировке от водоисточников до водо-потребителей в последние годы также снижаются, оставаясь на уровне 10% объема водозабора. В системах оборотного и повторно-последовательного водоснабжения используется около 136,8 км3 воды. Что в целом положительно сказывается на динамике водопотребления.

Объем сброса сточных вод в поверхностные водные объекты в 2009 г., также уменьшился по сравнению с предыдушим годом (47,7 км3 против 51,1 км3). Загрязненные сточные воды составляют около 33 % от обшего объема сброса.

Объем нормативно очишенных сточных вод в 2009 г. повысился до 2,0 км3, (2008 г. — 1,9 км3) и составил 11 % от объема сточных вод, тре-буюших очистки (17,9 км3).

Итак, в период 2004—2009 гг. наблюдается устойчивая тенденция ежегодного снижения объемов сброса загрязненных сточных вод в поверхностные водные объекты Российской Федерации [1,3].

Причинами такого снижения являются не столько проводимые в стране водоохранные мероприятия, сколько объективная ситуация, способствующая снижению сброса сточных вод, а именно:

• уменьшение количества водопользователей (реорганизация, перепрофилирование, банкротство, ликвидация предприятий);

• снижение подачи воды на орошение (сокрашение поливных плоша-дей, неудовлетворительное состояние оросительных систем);

• периодическое отключение элек-

троэнергии из-за низкой платежеспособности водопользователей;

• обшая тенденция снижения во-допотребления и водоотведения в стране.

Вследствии этого в рассматриваемый период объем сброса загрязненных сточных вод уменьшился на 14%.

Вместе с тем, следует отметить в качестве фактора, крайне негативно влияюшего на экологическое состояние водных объектов, значительное количество сбрасываемых без всякой очистки сточных вод, входяших в категорию загрязненных (3,2 км3 из 15,9 км3).

Если смотреть по динамике водопользования, то на субъекты Российской Федерации, входяшие в Южный федеральный округ, приходится около трети суммарного объема забранной воды, почти 70 % объема потерь воды при транспортировке и почти треть объема загрязненных сточных вод, сбрасываемых без очистки; на Центральный федеральный округ приходится наибольший объем сброса загрязненных сточных вод (22,7 %); а Сибирский федеральный округ и Приволжский федеральный округ имеют наилучшие показатели нормативной очистки сточных вод (соответственно 30,7 % и 22,4 %).

Для подавляюшего большинства субъектов Российской Федерации одним из основных источников загрязнения водных объектов являются предприятия, связанные со сбором, очисткой и распределением воды, удалением сточных вод, отходов и жилишно-коммунальное хозяйство.

По данным Федерального агентства водных ресурсов город Москва занимает первое место в стране по объему сброса загрязненных сточных вод в водные объекты. Так в 2008 г. объем сброса загрязненных сточных вод составил 1674,15 млн м3, а в 2009 г. — 1592,88 м3.

Негативное влияние на водные объекты в черте города оказывают следуюшие факторы:

• сточные воды жилишно-комму-нального хозяйства и промышленных предприятий;

• поверхностный сток, поступаюший через ливневые канализации и непосредственно с рельефа местности;

• рекреационная нагрузка в летний период года;

• интенсивная застройка водоохранных зон с возведением индивидуальных очистных сооружений.

Для разработки мероприятий по восстановлению экологического равновесия поверхностной гидросети необходимо: определить основные критерии деградации гидросферы мегаполисов на основе учета природных и техногенных факторов, негативно влияюших на водосток и прибрежные территории, разработать и внедрить технологии для восстановления природной составляюшей гидросети крупных городов на основе специального инженерно-геологического районирования и принудительно аэрировать городские реки, это позволит улучшить условия жизни речной био-ты, а как следствие, повысится их самовосстановительная и самоочишаю-шая способности.

Восстановление нарушенной речной сети включает в себя комплекс инженерно-технических ландшафтно-планировочных мероприятий для реконструкции и реорганизации речных долин. Комплекс разрабатывается на основе специального инженерно-геологического районирования, учи-тываюшего как естественные, так и техногенные источники и особенности деградации речной сети. На основании материалов районирования планируется очередность рекультива-ционных работ русла реки и прибрежных территорий.

В тоже время, работы по восстановлению рек необходимо, в основном, начинать с обустройства берегов (расчистка от мусора, уборка или нейтрализация загрязненного грунта, восстановление прирусловых родников, планировочные работы и т.д.).

Биологическая рекультивация берегов и создание рекреационных зон проводиться после окончания работ по расчистке русел. Окончательное формирование прибрежных территорий целесообразно производить после очистки и восстановления русел рек. Такой порядок исключает загрязнение речной воды и донных отложений стоками с берегов.

Вместе с тем, реконструкция и реорганизация долин рек, в обязательном порядке должны включать работы по расчистке заиленных русел, заболоченной береговой зоны с одновременным намывом территорий до незатопляемых отметок и восстановлением речного стока, а также создание и облагораживание почв в прибрежной зоне, обустройство и окультуривание берегов, организация рекреационных зон с озеленением и разбивкой парков. Все эти операции предлагается проводить с помощью земснарядов на базе пневматических камерных насосов (ПКН) или землесосных установок на базе гидравлических экскаваторов с ПКН [4, 5].

ПКН имеют ряд преимуществ, например, их можно использовать при очистке водохранилищ, городских водозаборов и даже вести работы во время нереста рыб. Также при использовании ПКН концентрация гидросмеси высокая, что позволяет отказаться от стандартных карт намыва (чеков), и вести подачу гидросмеси прямо в транспортное средство (цистерны, вагоны, кузова) или в накопительные бункера, что особенно важно в стесненных условиях города. Осо-

бенно важно то, что по расчетам японских экологов представленные пневматические камерные насосы являются самыми экологически чистыми в мире, так как мутность в зоне грун-тозабора при работе ПКН в 20 раз ниже, чем при использовании обычных земснарядов.

Также нами разработаны технологии, позволяющие производить поэтапную выемку загрязненных донных отложений и мусора. Для этого в верховьях реки или ручья выбирается участок длиной 100—200 м, перегораживается наливной плотиной, оборудованной гибкой трубой из композиционных материалов. По этой трубе производиться сброс речного стока в зону, располагающуюся ниже очищаемого участка. После выемки загрязненных донных отложений и мусора, очистки донных водных источников, формируется из песчано-гравийного материала, песка или другого раздельно-зернистого материала новое дно реки. После плотина переносится на следующий участок работ ниже по течению. Такой порядок работ позволяет щадяще воздействовать на речной сток и биоценозы.

Вместе с тем, нельзя не заметить одной из важнейших современных проблем, которой является недостаточное содержание кислорода в воде рек мегаполисов. Поэтому параллельно с очисткой русел и обустройством берегов производится строительство комплекса устройств и сооружений, повышающих восстановительный потенциал реки. К ним относится разработанное нами устройство для принудительной аэрации предназначенное для повышения содержания растворенного в воде кислорода, активизации жизнедеятельности микроорганизмов и как следствие повышения самоочищающей способности водных систем. Устройство для прину-

дительной аэрации состоит из рабочей камеры (цилиндра), внутри которой имеются всасывающие (воздухозабор-ный) и нагнетательный клапан, поршня, совершающего в камере возвратно поступательное движение, и выходного перфорированного воздухопровода обеспечивающего выпуск нагнетаемого кислорода в водный объект. Само устройство крепится к мосту (пешеходному или автомобильному), привод штока осуществляется под действием внешней механической силы (проезжающего автомобиля или проходящего по мосту пешехода).

Эта установка имеет ряд преимуществ по сравнению с существующими на данный момент аэраторами. ТРазработаннаяак как наша установка для принудительной аэрации во первых, не потребляет электроэнергию, работая только за счет механической энергии, вырабатываемой го-

1. «Государственные доклады о состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации 2004—2009 гг.» М. Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации.

2. «Применение пневматических камерных насосов (ПКН) фирмы РНБиМЛ (Италия) при добыче сапропелей» Дементьев В. Горный информационно-аналитический бюллетень. Гидромеханизация 2009.

3. Справочник по инженерной геологии // Под ред. Чуринова. — М.: Недра, 1981, 325 с.

рожанами и автомобилями, во вторых, данное устройство не требует специального отвода земельных ресурсов, для размещения установки, она монтируется на уже существующих городских объектах, что очень важно в стесненных городских условиях, в третьих, перемена времен года на нее никак не влияет, она может работать как летом, так и зимой [6].

Реализация предложенных в данной статье способов восстановления водных объектов городов позволяет не только эффективно бороться с деградацией, сокращением численности и полным уничтожением рек и водоемов крупных мегаполисов, таких как Москва, но и организовать на прибрежных территориях рекреационные зоны, что является весьма актуальным в условиях усиления мировой глобализации и высокого уровня урбанизации, как в России так за рубежом.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Гальперин А. М., Дьяков Ю. И. «Гидромеханизированные природоохранные технологии»

5. Аналитический журнал об экологическом устройстве бизнес — пространства «ЭКО REAL» Экология — природа, № 5 (17) 2008.

6. Патент на полезную модель № 98184 Кириченко Ю.В., Щёкина М.В., Сенченко Д.С., Политова Н.В., Мадеева В.С., Македонский О.М. Устройство для принудительной аэрации водоемов. ШЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Политова Н.В. - аспирантка

Кириченко Юрий Васильевич - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru

A