Оценка техногенного воздействия на зоопланктон водоемов-охладителей атомных и тепловых электростанций

ЭКОЛОГИЯ

УДК 574.583

ОЦЕНКА ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЗООПЛАНКТОН ВОДОЕМОВ-ОХЛАДИТЕЛЕЙ АТОМНЫХ И ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Н.В. Карташева, Д.В. Фомин, А.В. Попов, М.А. Кучкина, Д.В. Минин

Работа атомных (АЭС) и тепловых (ТЭС) электростанций сопряжена с использованием значительных объемов воды, необходимых для охлаждения их технических агрегатов. Для водоснабжения крупных ТЭС и АЭС в большинстве случаев организуются специальные водоемы-охладители, в качестве которых используют видоизмененные естественные водные объекты или искусственно созданные водохранилища различного типа (Фарфоровский, Фарфоровский, 1972; Гавриш и др., 1989). Большинство водоемов-охладителей — это крупные водные объекты многоцелевого назначения. Их воды, помимо охлаждения агрегатов АЭС и ТЭС, используются в различных бытовых, рекреационных, рыбохозяйственных и иных целях. В связи с этим оценка экологического состояния водоемов-охладителей и прогноз их развития представляет собой весьма актуальную задачу.

Животные, постоянно или хотя бы в течение какого-то времени ведущие планктонный образ жизни, в водоемах-охладителях наиболее уязвимы для техногенных воздействий, связанных с функционированием систем техводоснабжения (СТВ) электростанций. Это обусловлено тем, что по сравнению с организмами бактерио- и фитопланктона представители зоопланктона имеют значительно более крупные размеры и более сложную форму тела. В соответствии с этим они и в большей степени травмируются, попадая в технические агрегаты. Кроме того, зоопланктон при прохождении вод через СТВ подвергается обширному комплексу других негативных техногенных воздействий (термических, барических, гидродинамических, химических) (Мордухай-Болтовской, 1975; Суздалева, 2002). Именно процент гибели зоопланктона наиболее часто приводится в качестве примера неблагоприятного воздействия работы АЭС и ТЭС на водные экосистемы.

На основании результатов ряда исследований (Heinle, 1969; Suchanek, Grossman, 1971; Морду-хай-Болтовской, 1975; Ривьер, 1975), проведенных в 50—70-е гг. XX в., принято считать, что при прохождении через СТВ погибает 50—90% организмов зоопланктона. Этот процент гибели часто априорно

принимается как усредненный показатель при проведении экологической экспертизы проектов электростанций с открытой системой техводоснабжения. На основании этих же данных обычно строится и прогноз развития экологической ситуации в водных объектах, предназначенных для использования в качестве водоемов-охладителей.

Однако подобное упрощение проблемы в ряде случаев может привести к неадекватной оценке происходящих явлений. Как показали результаты наших многолетних исследований, проведенных на водоемах-охладителях Смоленской (САЭС) и Курской (КАЭС) атомных электростанциях, а также анализ литературных материалов (Barnett, 1972; Го-робий, 1977; Heinle, 1976; Некрасова, 1990; Протасов и др., 1991; Баранаускене и др., 1994), процент гибели зоопланктона при прохождении вод через СТВ колеблется в весьма широком диапазоне. Его величина в конкретный момент времени зависит от ряда условий, наибольшее значение из которых имеют:

1) размерный состав зоопланктона;

2) морфологические особенности его массовых видов;

3) величина абсолютного нагрева воды (температура охлаждающей воды в теплообменной аппаратуре);

4) величина относительного нагрева воды;

5) степень устойчивости гидрологической структуры водоема-охладителя.

Рассмотрим действие этих факторов более подробно. В наибольшей степени травмируются виды зоопланктона размером более 2 мм, обладающие удлиненной формой тела или выступающими придатками и конечностями. Примером таких организмов могут служить крупноразмерные виды вет-вистоусых (Cladocera) и веслоногих (Copepoda) ракообразных. Экземпляры Daphnia magna Straus, Leptodora kindtii Fock, Megacyclops gigas (Claus), Macrocyclops albidus (Jurine), обнаруженные в сбросных водах СТВ КАЭС и САЭС, в большинстве случаев были сильно повреждены. Из коловраток (Rotatoria) наиболее подвержены травмированию крупные виды с тонкими покровами, например

представители рода Asplanchna. Плохо переносят прохождение через агрегаты электростанции коловратки Keratella quadrata (Muller) и Polyarthra 8рр. Их гибель при прохождении через систему водоснабжения составляет 64—100%. В отличие от этого ракообразные округлой формы и с более короткими конечностями, такие как Bosmina longiros-tris O.F. Mull., Chydorus shaericus (Muller), науплии веслоногих при прохождении через СТВ повреждаются значительно меньше.

Следует отметить, что фактор механического воздействия может не только непосредственно вызывать массовую гибель организмов зоопланктона, но и приводить к значительному снижению численности ряда видов, препятствуя их размножению. По нашим наблюдениям, довольно часто количество яйценосных самок планктонных ракообразных на сбросе исследованных электростанций было значительно меньше (иногда в несколько раз), чем на водозаборе, что связано с повреждением яйцевых мешков у веслоногих ракообразных и выбросом яиц из выводковых камер у ветвистоусых. Так, в апреле 2000 г. в районе сброса КАЭС количество самок копепод с яйцевыми мешками составляло всего 20% от их количества на водозаборе АЭС. Аналогичные явления отмечены нами и в периоды других весенних и летних съемок, например в июне 2005 г. (табл. 1).

Таблица 1

Процент самок массовых видов копепод (Cyclopoida) с яйцевыми мешками на водозаборном канале и в сбросных водах КАЭС в июне 2005 г.

Виды зоопланктона Водозаборный канал Сбросные воды

Thermocyclops crassus 70,4 20,6

Mesocyclops leuckarti 76,9 10,6

Thermocyclops oithonoides 64,5 12,9

Eucyclops serrulatus 59,0 14,5

Cyclops strenuus 50,6 8,8

Массовое травмирование зоопланктона в водоемах-охладителях происходит не только при прохождении вод через СТВ. Механические повреждения зоопланктеры получают и в ходе эксплуатации других гидротехнических сооружений, роль который также необходимо учитывать при разработке оценок и прогнозов. Например, в водоеме-охладителе КАЭС массовое травмирование организмов зоопланктона происходит и при подкачке вод из р. Сейм. Например, по нашим данным, полученным в августе 2003 г., 80% особей Megacyclops viridis Jur., обнаруженный в районе насосной станции (БНС-3) быши сильно травмированы (сплющенные карапаксы, отсутствие абдоменов и др.). Существуют и иные причины, вызывающие массовое травмирование организмов зоопланктона. Так,

в июне 2005 г. значителыное количество травмиро-ванныгх особей мезозоопланктона бышо обнаружено в пробах из удаленной от сброса КАЭС прибрежной акватории в районе дер. Дичня (табл. 2). Здесы основной причиной травматизма зоопланк-теров, по-видимому, являлся прибой. Таким образом, отнесение всех поврежденных организмов зоопланктона, обнаруженных в водоемах-охладителях, к воздействию работы СТВ является некорректным.

Таблица 2

Травмированные организмы зоопланктона в прибрежной зоне акватории водоема-охладителя в районе дер. Дичня в июне 2005 г.

Виды зоопланктона Численность, тыс. экз./м3 Травмированные особи, %

Acroperus harpae 0,40 16,0

Bosmina longirostris 16,6 49,5

Chydorus shaericus 2,27 14,3

Ceriodaphnia pulchella 0,72 70,0

Daphnia cucullata 0,38 42,2

Daphnia hyalina 1,20 38,0

Megacyclops viridis 1,51 30,7

Thermocyclops crassus 0,40 22,8

Eurytemora velox 1,25 25,0

Следует обратиты внимание на одну немаловажную особенносты, часто присутствующую в оценке воздействия АЭС и ТЭС на зоопланктон. Качественный состав зоопланктона существенно меняется в зависимости от сезона. В водоемах-охладителях высоких и средних широт в летнее время в зоопланктоне часто преобладают более сложно устроенные крупные формы, поэтому повышается процент гибели животных, зимой значения показателя бывают ниже (табл. 3). Так, в феврале 2000 и 2004 гг., когда зоопланктон водоема-охладителя КАЭС состоял на 90% из копеподитов и науплиев, процент мертвых зоопланктеров в сбросных водах был минимален.

Таблица 3

Средний процент гибели планктонных ракообразных при прохождении через СТВ Курской и Смоленской АЭС

Водоем-охладитель Месяц, год Мертвые особи, % M ± m

Смоленская АЭС июлы 1999 21,3 ± 5,8

август 1999 27,9 ± 6,3

ноябры 1999 13,5 ± 4,5

февралы 2000 3,0 ± 0,5

апрелы 2000 9,1 ± 1,7

Окончание табл. 3

Водоем-охладитель

Курская АЭС

Месяц, год Мертвые особи, % М±т

октябрь 1999 12,4 ± 2,7

февраль 2000 2,3 ± 0,4

апрель 2000 12,7 ± 4,0

июль 2000 20,8 ± 4,4

октябрь 2000 21,0 ± 4,5

февраль 2001 35,4 ± 11,1

май 2001 50,0 ± 10,8

июль 2001 20,7 ± 5,3

ноябрь 2001 36,8 ± 6,7

июнь 2002 33,5 ± 5,4

август 2002 22,7 ± 4,4

ноябрь 2002 6,8 ± 2,5

май 2003 11,9 ± 3,2

июль 2003 23,0 ± 2,9

август 2003 29,8 ± 9,9

февраль 2004 3,6 ± 1,2

июнь 2004 17,5 ± 3,1

август 2004 12,8 ± 5,2

октябрь 2004 20,5 ± 2,8

январь 2005 38,5 ± 14,5

март 2005 5,1 ± 0,7

июнь 2005 22,7 ± 2,5

август 2005 42,0 ± 12,7

ноябрь 2005 9,9 ± 3,6

март 2006 12,3 ± 0,9

апрель 2006 17,5 ± 4,7

июль 2006 45,2 ± 13,3

октябрь 2006 19,3 ± 2,9

Процент гибели зоопланктона заметно возрастает при увеличении величины как абсолютного, так и относительного нагрева воды в теплообмен-ной аппаратуре. По нашим наблюдениям, значительное увеличение гибели организмов в СТВ наблюдается при повышении температуры воды свыше 33—35°. По достижении порога в 40° процент погибших организмов, обнаруживаемых в сбросных водах, обычно составляет более 80%. Например, подобные явления наблюдались в отдельные периоды августа 2005 г. и июля 2006 г., что существенно повысило значения среднего процента гибели зоо-планктеров (табл. 3).

Существенное влияние может оказать величина относительного нагрева вод, которая определяется как разность между температурой воды в водоеме-охладителе и температурой ее нагрева при про-

хождении через СТВ. Наибольший разрыв между этими показателями, как правило, наблюдается в зимнее время. В этот период в составе зоопланктона часто доминируют холодолюбивые виды, плохо переносящие резкое повышение температуры. Благодаря этому в водоемах-охладителях иногда может наблюдаться ситуация, противоположная описанной выше, когда процент погибших зоопланк-теров в холодное время года существенно повышается. Например, подобное явление отмечалось в водоеме-охладителе КАЭС в феврале 2001 г. и в январе 2005 г. (табл. 3). Причем это происходило в условиях, когда температура абсолютного нагрева при прохождении вод через теплообменную аппаратуру была относительно невысока (не превышала 20°).

Таким образом, объективная оценка негативного воздействия электростанции на зоопланктон водоемов-охладителей должна основываться на наблюдениях, проведенных во все сезоны.

Помимо прочего, процент гибели зоопланктона при прохождении вод через СТВ в значительной мере определяется степенью устойчивости гидрологической структуры водоема-охладителя, иными словами — степенью консервативности структуры слагающих его водных масс. Гидрологическая структура всех водоемов-охладителей, вне зависимости от их размеров, происхождения и местных условий, носит весьма сходный характер (Суздалева, 2002). В любом из них достаточно отчетливо выделяется водная масса циркуляционного течения и периферические водные массы. Воды циркуляционного течения, двигаясь по более или менее замкнутой траектории, периодически проходят через СТВ. В связи с этим численность видов зоопланктона, в наибольшей степени подверженных травматизму, в пределах этой водной массы, как правило, невысока. В тех же случаях, когда в силу каких-либо причин (например, нагонных ветров) на водозабор СТВ начинают поступать воды периферических водных масс, процент гибели зоопланктона скачкообразно возрастает. Еще более негативное воздействие на зоопланктон происходит в начальный период эксплуатации водоема-охладителя (Безно-сов, Суздалева, 2005). В последующий период виды, становящиеся доминантами в водной массе циркуляционного течения, как правило, более толерант-ны. В связи с этим общий процент травмированных в системе охлаждения особей зоопланктона снижается. Например, на современном этапе в системе охлаждения КАЭС и САЭС гибель зоопланктона, как правило, не превышает 50% от численности организмов на водозаборе. В большинстве случаев этот процент существенно ниже (табл. 3). В отдельные периоды гибель зоопланктона здесь составляет всего 3—5%, что меньше его выедания рыбами в естественных условиях.

Снижение процента гибели зоопланктона по мере развития экосистем водоемов-охладителей отмечено и другими исследователями (Бондаренко и др., 1994). Например, если в начале эксплуатации гибелы зоопланктона в системе охлаждения Змиев-ской ГРЭС (Украина) составляла 75—80%, то в последующий период она снизиласы до 20%.

Следует остановитыся еще на одном важном аспекте рассматриваемой проблемы. Во всех случаях, когда оценка техногенного воздействия на зоопланктон базируется на резулытатах толыко натурных исследований (учете травмированных и погибших организмов в районах сброса СТВ), в получаемые резулытаты вносится ошибка, обусловленная самой сутыю этой методологии. Это связано с рядом обстоятелыств. Во-первыгх, часты организмов в технических агрегатах разрушается практически полностыю, точный учет остающихся мелких фрагментов на практике осуществиты затруднителыно и, как правило, он не проводится. Во-вторых, опре-делиты степены жизнеспособности зоопланктеров даже при просмотре нефиксированных проб часто достаточно сложно. Двигателыная активносты многих организмов, подвергшихся шоковому воздействию комплекса негативных факторов, временно снижается и они учитываются как мертвые. И, наоборот, как показали эксперименты, некоторые особи, выглядящие вполне жизнеспособными, вскоре погибают. Еще сложнее определиты процент погибших организмов в фиксированных пробах. Применение различных красителей эту проблему не решает — желаемый эффект наблюдается толыко в тех случаях, когда уже произошли существенные постморталыные изменения.

Поэтому для более точной оценки необходимо проведение эксперименталыных исследований, имитирующих комплекс техногенных воздействий в лабораторных условиях. Кроме того, резулытаты таких работ позволяют обоснованно оцениты возможное воздействие АЭС и ТЭС на стадии экологической экспертизы их проектов.

Сложносты конструкции установки для проведения эксперименталыных исследований в зависимости от конкретных целей исследования может быты различной. Однако, как показали проведенные исследования, для получения общей оценки техногенного воздействия возможно исполызование простейшего устройства, состоящего из стеклянных трубок различного диаметра. В трубку диаметром 50 мм под давлением подается вода, содержащая зоопланктон. Эта трубка соединяется с другой с диаметром, соответствующим диаметру трубок конденсатора (20 мм). Эта трубка помещается в кожух, в который осуществляется подача водяного пара. В свою очереды участок этой установки подсоединяется к трубе болышего диаметра, из которой вода собирается в накопителыный резервуар. В сужениях между двумя трубками различного диа-

метра создаются перепады давления и происходит резкое увеличение скорости потока. Таким образом, в эксперименте могут быть смоделированы условия, обеспечивающие все основные виды техногенных воздействий, которые испытывают зоопланк-теры при прохождении через СТВ. В табл. 4 представлены результаты двух опытов, проведенных с природным зоопланктоном, взятым в районе водозабора СТВ КАЭС. Одновременно были проведены опыты с лабораторной культурой Daphnia magna Straus. Для сравнения здесь же представлены данные параллельно проведенных натурных наблюдений. Уровень подогрева вод в эксперименте соответствовал таковому в СТВ в данный момент времени.

Таблица 4

Результаты экспериментов и параллельных натурных исследований воздействия СТВ на массовые виды зоопланктона водоема-охладителя КАЭС (1 — процент травмированных живых особей;

2 — процент мертвых особей)

Дата опыта; уровень подогрева Вид зоопланктона Результаты экспериментов Состояние зоопланктона в районе сброса вод из СТВ

вод, С 1 2 1 2

13.07.06 40,0° Bosmina longirostris 3,2 44,0 2,0 34,8

Daphnia cuculata 10,0 38,8 5,6 22,5

Daphnia galeata 12,3 56,0 20,8 60,3

Moina macrocopa 6,1 8,0 3,9 10,7

Megacyclops viridis 4,5 33,6 2,4 20,7

Termocyclops crassus 3,5 0 2,8 5,5

Копеподиты Cyclo-poida 8,4 13,2 12,0 23,3

Лабораторная культура Daphnia magna 18,5 32,4 — —

17.10.06 25,0° Bosmina longirostris 0 0 2,5 0

Daphnia cuculata 8,4 0 14,2 1,3

Daphnia galeata 17,7 0,8 12,9 2,6

Daphnia longispina 28,2 2,0 25,8 2,5

Megacyclops gigas 56,5 6,4 22,1 3,1

Megacyclops viridis 6,0 0 3,5 4,8

Cyclops strenuus 10,1 0 14,7 0,6

Termocyclops crassus 10,8 0 6,7 1,9

Eurytemora velox 16,5 1,7 10,6 2,2

Копеподиты Cyclo-poida 12,6 0,5 8,0 1,9

Лабораторная культура Daphnia magna 22,6 0 — —

Как свидетелыствуют полученные резулытаты, наиболыший процент гибели в экспериментах с при-

родным зоопланктоном отмечен у тех же видов, что и при натурных наблюдениях. Результаты экспериментов с дафниями показали, что их также можно использовать в качестве тест-объектов для предварительной оценки ориентировочного уровня гибели зоопланктона при том или ином режиме работы СТВ.

Однако следует подчеркнуть, что одни экспериментальные данные не могут служить базой для выработки обоснованных оценок. Их результаты обязательно должны быть дополнены материалами натурных исследований. В противном случае также практически неизбежны существенные ошибки. Например, у многих организмов термические, барические, химические или механические воздействия, которые они испытывают при прохождении через СТВ, сами по себе не приводят к летальному исходу, но вызывают шок, сопровождающийся временным снижением двигательной активности и потерей ориентации. Эти особи становятся добычей хищников. В результате реальный процент гибели зоопланктеров может быть значительно выше, чем полученный в эксперименте. Этот фактор можно учесть только на основании сравнительного анализа качественного и количественного состава зоопланктона в районе водозабора СТВ и на участках, расположенных вблизи их сброса.

В целом полученные результаты можно кратко резюмировать в виде следующих заключений.

1. Для адекватной оценки влияния работы СТВ на зоопланктон необходимо проведение комплексных исследований, базирующихся как на материалах натурных наблюдений, проведенных во все основные сезоны, так и на результатах имитационных экспериментов, позволяющих уточнить механизм техногенных воздействий.

2. Негативное воздействие работы СТВ на зоопланктон водоемов-охладителей АЭС и ТЭС проявляется не только в гибели животных при прохождении через технические агрегаты. Важное значение имеют косвенные последствия техногенных факторов, в том числе подавление процессов размножения (отрыв яйцевых мешков) и ухудшение физиологического состояния организмов, увеличивающее их потребление хищниками.

3. Уровень травмирования и гибели зоопланктона зависит от устойчивости гидрологической структуры водоема-охладителя и может резко возрастать при поступлении на водозабор СТВ водных масс, сформировавшихся в периферических участках акватории водоемов-охладителей.

4. С увеличением срока эксплуатации водоема-охладителя процент травмированных организмов при прохождении через систему водоснабжения может существенно измениться. По этой причине использование данных, полученных в предшествующие годы, может снизить достоверность вырабатываемых оценок и прогнозов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Баранаускене А.И., Будрене С.Ф., Кас-перавичене Ю.Р., Кучинскене А.А., Ма-жейкайте С.И., Симанавичене А.С., Шлап-каускайте Г.В., Шулиене Р.И., Якави-чюте Г.Ю., Янкявичюс К.К. 1994. Состояние фито-, бактерио-, зоопланктона и продукционно-дест-рукционные процессы в водоеме-охладителе Игналин-ской АЭС // Экология регионов атомных электростанций. Вып. 1. М. С. 213—237.

Безносов В.Н., Суздалева А.Л. 2005. Сук-цессионное развитие экосистем техногенных водоемов // Антропогенные влияния на водные экосистемы: Сб. статей, посвящ. 100-летию со дня рождения Н.С. Строганова. М. С. 120—129.

Бондаренко Т.А., Васенко А.Г., Игна-тенко Л.Г., Лунгу М.Л., Старко Н . В . 1994. Экологические аспекты функционирования водохозяйственного комплекса при Курской АЭС // Экология регионов атомных станций. Вып. 2. М. С. 141—147.

Гавриш П.Д., Канарский В.Ф., Кондратьев В.М., Омельченко М.П., Осад-чук В.А., Рудаков В.К. 1989. Водохранилища и водооградительные сооружения ГАЭС, ТЭС и АЭС. М. 192 с.

Горобий А.Н. 1977. О зоопланктоне Иваньковского водохранилища и влиянии на него сброса подогретых вод Конаковской ГРЭС // Биологический режим во-

доемов-охладителей ТЭЦ и влияние температуры на гид-робионтов: Тр. ВГБО. Т. 21. М. С. 43—62.

Мордухай-Болтовской Ф.Д. 1975. Проблема влияния тепловых и атомных электростанций на гидробиологический режим водоемов // Экология организмов водохранилищ-охладителей: Тр. Ин-та биол. внутр. вод. Вып. 27 (30). Л. С. 7—69.

Некрасова И.И. 1990. Зоопланктон водоема-охладителя Экибастузской ГРЭС-1 // Сб. науч. трудов ГосНИОРХ. Вып. 309. Л. С. 32—36.

Протасов А.А., Сергеева О.А., Каф-танникова О.Г., Ленчина Л.Г., Калиничен-ко Р.А., Афанасьев С.А., Синицина О.О. 1991. Гидробиология водоемов-охладителей тепловых и атомных станций Украины. Киев. 192 с.

Ривьер И.К. 1975. Зоопланктон Иваньковского водохранилища в зоне влияния подогретых вод Конаковской ГРЭС // Экология организмов водохранилищ-охладителей. Л. С. 220—243.

Суздалева А.Л. 2002. Структура и экологическое состояние природно-техногенных систем водоемов-охладителей АЭС: Автореф. дис. ... докт. биол. наук. М. 53 с.

Фарфоровский Б.С., Фарфоровский В.Б. 1972. Охладители циркуляционной воды тепловых электростанций. Л.

Barnett P.R.O. 1972. Effect of warm water effluents from power stations on marine life // Proceed. Roy. Soc. London B. 180. N 1061. 495—509.

Heinle D.R. 1969. Temperature and Zooplankton // Chesapeake Sci. 10. N 3-4. 186-209.

Heinle D.R. 1976. Effect of passage throught power plant cooling system on estuarine copepods // Environ. Pollut. 11. N 1. 39-58.

Suchanec T.H.Jr., Grossman C. 1971. Viability of Zooplankton // Studies on the effects of stream-electric generating plant in the marine environment at Newport. New York. Р. 61—74.

Поступила в редакцию 12.03.07

AN ESTIMATION OF INFLUENCE RESERVOIR-COOLER NUCLEAR AND THERMAL POWER STATIONS ON ZOOPLANKTON

N.V. Kartasheva, D.V. Fomin, A.V. Popov, M.A. Kuchkina, D.V. Minin

In this work the modern sight at a special problem is stated about an estimation of influence on Zooplankton passing systems of technical water supply for nuclear and thermal power stations. The basic aspects of studying of a problem are considered. Specificity of reservoirs-coolers and their ecological systems is determined. Studying traumatism of Zooplankton as a most vulnerable animal community of a reservoir-cooler is proved. The major factors influencing on trau-matism and destruction Zooplankton are allocated. Natural and imitating researches traumatism of Zooplankton are resulted. Application of the given complex of researches, for more adequate estimation of influence of systems of technical water supply on Zooplankton is substantiated. Comparison of parameters of destruction Zooplankton in various conditions and Zones of a reservoir-cooler is carried out. Some important remarks about prognosis of destruction Zooplankton are given.