Антропогенная трансформация стока

Она представляет собой гидрологические последствия хозяйственного освоения территорий их водосборов. Наиболее пространственно масштабно сельскохозяйственное преобразование лесных и степных ландшафтов вследствие вырубки лесов, осушительной мелиорации и распашки целинных земель. При избыточном и достаточном увлажнении водосборов такое землепользование увеличивает водный сток наименее хозяйственно ценной склоновой его составляющей, что ведет к росту модуля стока наносов, биогенных и органических веществ. Увеличение этой очень изменчивой составляющей стока в многоводные годы вызывает нарастающую частоту и все большие размеры наводнений в пределах пойменных территорий речных долин.

Одновременно сокращается интенсивность инфильтрации и величина подземного питания рек, снижается в них расход воды в летнюю и зимнюю межень. Интенсивность склонового стока несколько уменьшается с полевых угодий при осуществлении водозадерживающих агротехнических мероприятий, что частично компенсируется увеличением подземной составляющей стока. Но одновременно с таких полей усиливается сдувание снега в речную сеть, что увеличивает талый сток в половодье (Н. И. Коронкевич, 1995).

Таким образом, рост площади пахотных земель усиливает экологически неблагоприятную природную внутригодовую изменчивость водного стока и всех вещественных его составляющих. Увеличиваются при этом и колебания концентрации растворенных и взвешенных в речных водных массах веществ.

Оросительная мелиорация земель при их недостаточном увлажнении, наоборот, снижает речной сток, поскольку до 90% воды, забранной для этого из речной системы, расходуется на физическое испарение и транспирацию культивируемых растений. Оросительные нормы расхода воды зависят не только от почвенноклиматических особенностей природных зон. Они сильно изменяются в годы засухи, существенно зависят, кроме того, от региональных традиций земледелия и совершенствующейся техники водораспределения и полива сельскохозяйственных растений. О величине сильно усредненного удельного ирригационного водозабора можно судить, например, по статистическим данным, из которых следует, что на орошаемых землях в СССР в 1980 г. (16,7 млн га) расходовалось в среднем более 1,3 млн м³/(км²— год) воды.

Оросительная мелиорация в большинстве речных бассейнов заметно снижает зональный коэффициент стока и увеличивает внутригодовую неравномерность руслового стока из-за его снижения в летнюю межень. Этого увеличения неравномерности стока не наблюдается лишь в полизональных реках с ледниковым питанием кавказского типа (GxEy-gxey, табл. 2.4) и с дождевым летним половодьем меконгского (Rey-Rey) или амурского (RxERxEy) типа водного режима, имеющих летний максимум стока.

В качестве косвенных показателей интенсивности антропогенной нагрузки на речную систему используют следующие показатели:

• • численность населения ее водосбора;
• • площадь орошаемых земель;
• • среднегодовой водозабор, т. е. отбор воды из рек, водоемов и подземных водоносных слоев, называемых водоисточниками;
• • сброс сточных вод, т. е. общее количество сбрасываемых в объекты гидрографической сети, которые называют водоприемниками.

Эти показатели более информативны, если отнесены к величине динамических, ежегодно возобновляющихся водных ресурсов речной системы (Н. И. Коронкевич, 1995). При этом важно учитывать и состав загрязняющих веществ, образующихся при том или ином использовании воды, степень очистки сточных вод. От этого зависит необходимая кратность последующего их разбавления в водоприемнике незагрязненной речной или озерной водными массами до предельно допустимой концентрации (ПДК) в них экологически вредных веществ.

Эти интегральные показатели антропогенной нагрузки пригодны лишь для сравнительной оценки воздействия общества на экосистемы тех или иных речных бассейнов. Но они не отражают степень локальной трансформации стока на отдельных участках гидрографической сети. Особенно значительна такая трансформация в очаге антропогенного изменения стока, где осуществляется водозабор, т. е. изъятие воды из водного объекта на хозяйственные нужды и, следовательно, сокращение водного стока и стока растворенных и взвешенных в воде веществ, пропорциональное их фоновой концентрации в изъятом объеме воды. В большинстве случаев в тот же участок гидросети, несколькими километрами ниже по течению (в тот же очаг трансформации), производится сброс сточных вод, т. е. неиспарившейся части воды в процессе ее использования, которая имеет измененную концентрацию веществ и нередко их видоизмененный состав.

Не косвенным, а непосредственным объективным показателем нагрузки водной экосистемы конкретными компонентами состава воды служит масса взвешенного или растворенного вещества, увеличивающая его фоновую концентрацию в очаге трансформации речной или озерной водной массы, либо вещества, отсутствующего в ней за пределами данного очага.

Во всех природных. зонах, кроме аридных районов развития ирригации, наиболее сильно проявляется локальная антропогенная трансформация стока в урбанизированных регионах, где особенно велика плотность населения. Здесь водозабор осуществляется гидросооружениями водопроводных систем, снабжающих водой население, коммунальное хозяйство, промышленность, тепловые и атомные электростанции. Наиболее надежный (по стабильности количества и качества воды) гидрогеологический источник водоснабжения способен обеспечить водопотребление лишь в малых и среднего размера населенных пунктах из-за очень замедленного водообмена в водоносных слоях грунтовой толщи.

Крупные города с населением свыше нескольких сотен тысяч жителей и особо водоемкие промышленные и энергетические предприятия обеспечиваются централизованным питьевым и техническим водоснабжением из поверхностных водоисточников — озер, больших рек, водохранилищ. Удельное водопотребление в крупных городах мира варьирует от 140 до 1100л/сут на одного жителя, составляя в среднем примерно 400л/(сутжит.). Норма бытового водопотребления, соответствующая уровню комфорта в конце XX в. в развитых странах, — 150—120 л/(сут • жит.), а кратность ее превышения в городах определяется в основном наличием водоемких отраслей промышленности: химической, целлюлозно-бумажной, металлургической и т. д., а также потерь воды из водопроводных сетей. Удельное водопотребление при производстве электроэнергии на современных ТЭС составляет в среднем 3,5 м³/(суткВт) и до 7 м³/(сут • кВт) на АЭС, т. е. достигает 100 м³/с и более на мощных электростанциях при прямоточной системе охлаждения теплоносителей.

В отличие от сельскохозяйственных территорий, где водопотребление имеет ярко выраженную сезонную неравномерность с максимумом в летнюю межень, а потери воды на испарение составляют в среднем 80% изъятого из водоисточника ее объема, водозабор для урбанизированных территорий, во-первых, относительно равномерен в течение года. Например, отклонение среднемесячного водопотребления в г. Москве от среднегодового значения составляет лишь ±3 — 4%. Во-вторых, потери на испарение составляют для урбанизированных территорий в среднем 10%, а 90% использованной воды возвращается в гидрографическую сеть как сточные воды.

Имеется несколько генетических типов сточных вод, различных по составу и степени экологической опасности.

Воды коллекторно-дренажной сети (КДС) ирригационных систем имеют высокую минерализацию (5 — 20 г/л) за счет ионов легко растворимых хлоридных и сульфатных солей, содержат биогенные вещества вносимых удобрений и ядохимикаты (пестициды), применяемые для удаления листвы (дефолианты), защиты культурных растений от сорняков (гербициды), насекомых (инсектициды) и др. Эти синтетические хлори фосфорсодержащие токсичные вещества способны к биоаккумуляции, поэтому они вредны для здоровья человека и полезных организмов. Загрязнение водами КДС речной водной массы в водоприемнике периодично (в основном только в оросительный период). Оно тем сильнее в очаге ее трансформации, чем больше доля ирригационного водозабора от расхода воды в реке.

Шахтные, рудничные, карьерные сточные воды состоят из подземных, атмосферных, поверхностных вод (если при добыче породы используется гидромеханизация), насыщенных минеральными веществами. Поэтому эти сточные воды, откачиваемые в водоприемник, имеют обычно повышенную минерализацию, мутность и концентрацию тяжелых металлов, а также нефтепродуктов. Их сброс относительно равномерен в течение года и поэтому наиболее велико загрязнение ими меженных речных водных масс.

Промышленные сточные воды очень разнообразны по составу, концентрации загрязняющих веществ и их токсичности, по степени своей очистки предприятиями металлургической, нефтехимической, текстильной, целлюлозно-бумажной, пищевой промышленности. В отличие от шахтных и металлургических сточные воды большинства других отраслей промышленности содержат в своем составе разнородные органические вещества. Сброс промышленных сточных вод также достаточно равномерен в течение года.

Городские сточные воды канализационных систем (КС) состоят в большинстве случаев из смеси бытовых, коммунальных и промышленных сточных вод, поэтому они особенно сильно насыщены растворенными и взвешенными органическими веществами, синтетическими моющими средствами, хлористым натрием. В результате механической и биохимической очистки этих вод на муниципальных станциях аэрации в воде сильно снижается содержание органических веществ, вследствие чего органические формы азота и фосфора почти полностью преобразуются в аэротенках в минеральные биогенные вещества.

Ливневые сточные воды с городских и промышленных территорий имеют высокий коэффициент стока из-за большой доли территорий с водонепроницаемой поверхностью (дорожные покрытия, крыши зданий) и сети ливнесборных коллекторов. Они формируются периодически (во время дождей, снеготаяния, смыва мусора с тротуаров и дорог, при тушении пожаров) и отличаются большой мутностью, насыщенностью нефтепродуктами, реагентами, используемыми для борьбы с гололедом.

В водоприемнике у места выпуска сточных вод образуется, как правило, зона токсикации фонового биоценоза. В ней одни виды гидробионтов гибнут, а другие (сапрофиты) бурно развиваются, разлагая органические вещества, снижая их токсичность, но одновременно расходуя на это содержащийся в воде кислород, еще более ухудшая при этом органолептические характеристики качества воды (ее вкус, запах, нередко цвет). По периферии этой зоны, в которой происходит первичная переработка даже очищенных сточных вод экосистемой водоприемника, образуется более обширная зона эвтрофикации фонового биоценоза. В ней благодаря еще большему, чем в первой зоне, разбавлению фоновой водной массой уже частично трансформированных сточных вод и еще больше обогатившихся биогенными веществами — продуктами разложения органики — бурно развиваются организмы фито-, зоои бактериопланктона. Рост их биомассы увеличивает мутность воды, но при этом вода очень интенсивно насыщается фотосинтетическим 0₂. Увеличивается интенсивность соосаждения ионов фосфора, тяжелых металлов, нефтепродуктов с биогенными взвесями (пеллетами, выделяемыми беспозвоночными —фильтраторами). Аэробными бактериями завершается окисление антропогенных органических веществ, что восстанавливает природные органолептические свойства воды.

В результате этих основных процессов самоочищения водной экосистемы на внешней периферии зоны эвтрофикации состав и концентрация химических веществ, биомасса и состав гидробионтов становятся подобными фоновому экологическому состоянию водной массы реки, озера или иного водоприемника.

Под ледяным покровом на замерзающих зимой локально загрязняемых водных объектах восстановление нормального функционирования водной экосистемы сильно замедляется из-за недостатка света для фотосинтеза водных растений. Поэтому зона токсикации расширяется, превращаясь в обширную зону замора, где из-за дефицита 0₂ гибнут рыбы и другие водные организмы.

Все перечисленные сточные воды, кроме ливневых вод и вод КДС, имеют температуру, отличную от фоновой температуры воды в водоприемнике. Особенно велико отепляющее воздействие на водную экосистему сброса большого количества сточных вод ТЭС и АЭС, образующих на замерзающих водных объектах зимой большие полыньи. Инвазия (поглощение) атмосферного кислорода водой в них интенсифицирует процессы ее самоочищения и предотвращает возникновение зимних заморов. Летом повышение температуры в водоприемнике вследствие смешения его водной массы с более теплыми сточными водами, наоборот, усиливает звазию (выделение) кислорода в атмосферу, что неблагоприятно для жизнедеятельности гидробионтов и самоочищения воды.

Таким образом, локальными очагами азональной антропогенной трансформации речного стока служат большие массивы орошаемых земель, крупные города, центры добычи полезных ископаемых, крупнейшие ТЭС и АЭС. В речном створе выше водозабора каждого такого очага фоновые характеристики стока отражают условия его формирования на всей вышележащей территории зонального или полизонального речного водосбора. Ниже этого створа расположена часть реки с трансформированным стоком, состоящая из трех участков:

• 1) верхний, в пределах очага трансформации, в котором речная водная масса имеет уменьшенный расход в течение всего года (или только в межень при ирригации), а состав растворенных и взвешенных веществ близкий к фоновому;
• 2) центральный, расположенный ниже створа выпуска сточных вод, где трансформация состава и режима стока сначала максимальна вследствие смешения сточных вод с речной водной массой, а затем постепенно уменьшается благодаря самоочищению и разбавлению поступающими в этот участок водами бокового притока. Таким образом, центральный участок очага заполнен речной трансформированной водной массой (ТВМ). Его нижней границей можно считать створ, в котором суммарный расход бокового притока достигает величины фонового расхода на верхней границе очага локальной трансформации стока реки;
• 3) нижний участок восстановления природного стока реки, в пределах которого происходит 12—15-кратное разбавление загрязненных вод (А. Б. Авакян, В. М. Широков, 1990) и завершается самоочищение сточных вод в пределах уже обновленной на 50% и более боковым притоком речной водной массы.

Совершенно очевидно, что протяженность этих участков и их суммарная длина у одного и того же очага трансформации могут сильно варьировать в разные фазы водного режима в годы различной водности. Для примера приведем оценку протяженности части верхнего течения Днепра (Q- 130 м³/с), занятой загрязненной летней речной водной массой. Очагом ее трансформации служит г. Могилев (более 300 тыс. жит.). На расстоянии около 100 км ниже створа выпуска сточных вод городской КС наблюдалось в зоне эвтрофикации сначала нарастание вниз по течению в дневные часы концентрации 0₂ до значений, намного превышающих равновесную его концентрацию с атмосферой. Одновременно росли и суточные колебания его содержания в воде. К концу исследуемого речного участка по мере самоочищения речной водной массы эти колебания в ней затухали и концентрация 0₂ все более приближалась к равновесной.