[ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА
БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
На правах рукописи
ГОРЮНОВА Светлана Васильевна
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА АНТРОПОГЕННОЙ
ДЕГРАДАЦИИ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
03.00.16 - Экология 05.26.02 - Безопасность в чрезвычайных ситуациях (для биологических систем)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
Москва - 2006 2
Работа выполнена в Российском университете дружбы народов и в ООО «Альфамед 2000»
Научный консультант: доктор биологических наук В.Н. Безносов
Официальные оппоненты: доктор биологических наук В.А. Абакумов доктор биологических наук В.М. Хромов доктор биологических наук В.Д. Ильичев
Ведущая организация: Московский государственный университет технологий и управления
Защита состоится 12 октября 2006 г. в 15 часов 30 минут на заседании Специализированного диссертационного совета Д501.001.55 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: Москва, Ленинские горы, МГУ, Биологический факультет, 389 ауд.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Автореферат разослан 11 сентября 2006 г.
Ученый секретарь Специализированного диссертационного совета Д 501.001.55 Н.В. Карташева
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Последние десятилетия характеризуются резким усилением антропогенной нагрузки на водоемы и водотоки. Происходит прогрессирующее ухудшение качества водной среды, что составляет угрозу экологической, продовольственной и национальной безопасности страны. Широкий размах деградационных процессов, происходящих в гидросфере, приводит к различным по своей природе событиям и явлениям. К ним можно отнести разрушение структурнофункциональной организации водных экосистем, снижение водохозяйственного, рыбохозяйственного и рекреационного потенциалов водных объектов, снижение их видеоэкологических свойств, определяющих социальную привлекательность территории проживания людей (Виноградов, 1987; Сиренко, 1988; Израэль, Цыбань, 1989; Реймерс, 1994; Брагинский, 1998; Абакумов, Семин, 2001; Hall, 1984; Pitt, 2000).Весьма разнородны и причины, обусловливающие антропогенную деградацию водных объектов: загрязнение, засорение и эвтрофирование водной среды, изменение гидрологического режима водных систем, строительство и эксплуатация гидротехнических сооружений, нерациональное использование водных ресурсов.
На современном этапе количество водных объектов, находящихся в неудовлетворительном состоянии, неуклонно увеличивается, возрастает и степень их деградации. В соответствия с этим растет и потребность в осуществлении мер, способных воспрепятствовать дальнейшему развитию негативных явлений (Абакумов, 1977;
Максимов, 1991; Абакумов, Калабеков, 2002; Семин, 2005; Hale, 1987; Nicholls, 1998;
Norrstrom, Bergstedt, 2001). Однако, несмотря на большое число работ, посвященных исследованию отдельных аспектов антропогенной деградации водных объектов (главным образом, связанных с различными формами их загрязнения), закономерности, характеризующие развитие этого процесса в целом, изучены недостаточно. Вместе с тем, их познание является необходимым условием разработки научно-обоснованной методологии борьбы с этими негативными явлениями, которые уже в настоящее время представляют собой реальную угрозу для устойчивого развития человеческого общества.
Цель и задачи работы. Основной целью работы является исследование общих закономерностей развития процесса антропогенной деградации водных объектов и научное обоснование путей их экологической реабилитации. В соответствии с намеченной целью были поставлены следующие задачи:
- определить основные факторы, вызывающие деградацию водных объектов;
- исследовать процессы антропогенной деградации в различных типах водных объектов;
- на основе сравнительного анализа полученных материалов выявить общие закономерности развития процессов антропогенной деградации, свойственные всем типам водных объектов;
- обосновать целесообразность мероприятий по экологической реабилитации водных объектов на каждой из фаз их антропогенной деградации;
- определить комплекс критериев, позволяющих судить о развитии в водных объектах процесса антропогенной деградации;
- разработать научно-обоснованную методологию исследования деградации водных объектов;
- на основании обобщения полученных результатов создать научную концепцию антропогенной деградации водных объектов.
Основные защищаемые положения. Предметом защиты являются следующие положения:
1. Процесс антропогенной деградации водных объектов, вне зависимости от их вида, генезиса, масштабов и местоположения, носит общий и закономерный характер, представляя собой ряд последовательных фаз. Разработка методов улучшения экологического состояния водных объектов должна основываться на учете фазы их антропогенной деградации.
2. Природоохранные меры могут привести к устойчивому улучшению состояния водных объектов только на ранних стадиях их антропогенной деградации. На финальных стадиях деградации реальное улучшение их состояния возможно только в результате проведения специальных инженерно-технических мероприятий.
3. Антропогенная деградация обусловливает постепенное увеличение сходства (конвергенцию) происхождения.
4. Область воздействия техногенных факторов постепенно охватывает всю гидросферу, в связи с чем уже в ближайшем будущем большинство водных объектов можно будет рассматривать как природно-техногенные системы, различающиеся лишь степенью воздействия техногенных факторов в данный период времени и уровнем их инженерно-экологического обустройства.
Теоретическая значимость и научная новизна работы.
Впервые проведено целенаправленное изучение общих закономерностей процесса антропогенной деградации водных объектов.
На основании анализа и обобщения результатов, полученных в ходе исследований различных водных объектов, выявлены и описаны основные фазы процесса антропогенной антропогенной деградации на каждой из обозначенных фаз.
Для обозначения наблюдающихся явлений разработан новый понятийный аппарат, включающий научно-обоснованное определение термина «антропогенная деградация водного объекта».
антропогенной деградации. Впервые применены новые экспресс-методы определения фотоиндуцированному изменению рН среды и скорости движения цитоплазмы.
Описано явление конвергенции природных и искусственных водоемов в ходе их антропогенной деградации.
исторического развития малых городских водных объектов.
Разработана система балльной оценки состояния водного объекта по совокупности различных показателей (экологических, инженерно-технических, социальных и др.).
Практическое значение. Результаты работы могут быть использованы в следующих областях практической деятельности:
- для разработки природоохранных нормативов;
- для оценки экологического состояния водных объектов различного типа и разработки мер, направленных на предотвращение их деградации;
- при планировании мероприятий по обеспечению безопасности работы систем технического водоснабжения АЭС и других крупных производственных объектов;
- при проектировании гидротехнических сооружений и водохозяйственных систем;
- при разработке экологической проектной документации градостроительных объектов.
Результаты работы использовались при разработке проектов инженерноэкологического обустройства ряда водных объектов г.Москвы: «Капитальный ремонт Нижнего Мещерского пруда (Очаково)»; «Строительство водяной мельницы на территории государственного музея-заповедника «Коломенское»; «Восстановление и экологическая реабилитация пруда по ул. Феодосийская, д.11а (микрорайон Бутово)».
Материалы диссертации включены в программу учебных курсов экологического факультета Российского университета дружбы народов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на: Ш Всесоюзной межуниверситетской конференции по физико-химической биологии (Тбилиси, 1982);
Всесоюзном симпозиуме «Обобщенные показатели качества вод – 83. Практические «Проблемы охраны вод и рыбных ресурсов Поволжья» (Казань,1983); Всесоюзной современности» (Москва, 1988); Всесоюзной конференции по токсикологии (Рига,1988);
Ш конференции Научно-исследовательского центра РУДН «Применение физикохимических методов в науке и технике» (Москва, 1990); конференции «Актуальные проблемы комплексного изучения природы и хозяйств южных районов Узбекистана»
(Карши, 1991); первой межвузовской конференции «Актуальные проблемы экологии»
научно-технической конференции «Природоохранное обустройство (Москва, 1995);
территорий» (Москва, 2002); научных конференциях Аграрного факультета РУДН (Москва, 1991; 1997; 2002, 2003); международной конференции «Новые технологии в защите биоразнообразия в водных экосистемах» » (Москва, 2002); 4-ой, 5-ой, 6-ой международной научной конференции «Водные экосистемы и организмы» (Москва, 20002ой международной конференции МГУ «Биотехнология – охране окружающей среды» (Москва, 2004); Всероссийском симпозиуме «Автотрофные микроорганизмы»
(Москва,2005); II Всероссийской конференции «Научные аспекты экологических проблем России» (Москва,2006); заседании кафедры системной экологии РУДН (Москва, 2006);
собрании сотрудников лаборатории экологических исследовании ООО «Альфамед 2000»
(Москва, 2006); заседании кафедры гидробиологии МГУ (Москва, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 72 работы.
машинописного текста и состоит из введения, 7 глав, выводов и списка литературы.
Диссертация включает 63 таблицы, 41 рисунок и 30 фотографий. Список литературы содержит 390 наименований работ, из них 284 - отечественные и 106 - на иностранных языках.
ГЛАВА I. АНТРОПОГЕННАЯ ДЕГРАДАЦИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ,
ЕЕ ПРИЧИНЫ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ
Несмотря на то, что термин «деградация водных объектов» в научных публикациях встречается весьма часто, его общепринятого определения в настоящее время нет. Обычно в словарях по экологии приводится только определение понятия «деградация среды», под которым, как правило, подразумевается совместное ухудшение природной и социальной среды жизни человека (Реймерс, 1990; Данилов-Данильян и др., 2002). Однако непосредственно в водной среде человек не обитает. Поэтому под деградацией водных объектов в научных публикациях обычно подразумевается утеря водными объектами самых различных свойств, потенциально используемых человеком, то есть водохозяйственного, рыбохозяйственного, рекреационного потенциалов, социальной привлекательности и культурно-исторического значения. В целом, антропогенную деградацию водных объектов можно определить как процесс, обусловленный комплексом факторов, связанных с различными видами человеческой деятельности, сопровождающийся изменением не только экологического состояния водоемов и водотоков, но и их ресурсно-эксплуатационных параметров.В методологическом аспекте процесс деградации элементов окружающей среды связан с развитием чрезвычайной экологической ситуации (ЧЭС) или экологического бедствия. Более того, в большинстве случаев процессы деградации начинают серьезно исследоваться только при возникновении подобных условий. Показано, что любые явления, приводящие к значительному ухудшению состояния среды (то есть ее деградации), должны рассматриваться как процесс развития чрезвычайной ситуации, а любые меры, направленные против деградации водных объектов, можно, с точки зрения закона, рассматривать и как действия, направленные на предупреждение ЧЭС (Статья Федерального закона «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера». 2002). Вместе с тем, официальной трактовки понятия «чрезвычайная экологическая ситуация на водном объекте» в настоящее время еще не существует. Не разработана и система критериев, позволяющих диагностировать возникновение ЧЭС (Михеев и др., 2001). Выработка таких критериев должна основываться на изучении динамики процесса деградации водного объекта, что позволит прогнозировать наступление ситуации, при которой «происходят изменения, угрожающие здоровью людей, животному и растительному миру, состоянию окружающей природной среды» (Водный кодекс РФ, 2006. Статья 116 «Зоны чрезвычайной экологической ситуации и экологического бедствия на водных объектах»).
Важным и в настоящее время малоизученным аспектом проблемы является установление взаимосвязей между развитием ЧЭС и чрезвычайных ситуаций (ЧС) других типов. Как свидетельствуют результаты комплексного анализа собственных и литературных материалов, антропогенная деградация водных объектов может вызвать возникновение экологических, биологических и техногенных ЧС. Причем эти события часто обусловливают друг друга и могут рассматриваться как синергетические явления (Горюнова и др., 2002; Безносов и др., 2002).
ГЛАВА II. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Основным материалом для работы послужили результаты, полученные в 1987-2005 гг. при изучении экологического состояния различных водных объектов, подверженных интенсивному антропогенному воздействию и находящихся на той или иной стадии антропогенной деградации. Каждая из категорий этих объектов обладает рядом особенностей (в частности, они весьма сильно отличаются по своим масштабам, происхождению и характеру водопользования), однако проводившиеся на них исследования объединяла общая цель – познание закономерностей процесса развития антропогенной деградации водных объектов. Исследовались:1) прибрежные воды курортной зоны г.Анапа (1987-1990 гг.);
2) водоем-охладитель Курской АЭС (1999-2006 гг.);
3) малые водные объекты г.Москвы и Московской области (2001-2006 гг.).
Сбор материала на всех исследованных объектах осуществлялся круглогодично. Для определения показателей, характеризующих качество водной среды, применялись стандартные гидрохимические (Алекин, 1970; Новиков и др., 1990; Охрана природы …, 2000) и гидробиологические методы (Винберг и др., 1960; Киселев, 1969; Хромов, Семин, 1975; Федоров, 1979; Сорокин, 1983; Федоров, Капков, 1999; 2000; Кудряшов, Садчиков, 2002; Безносов, Суздалева, 2005).
Статистическая обработка материалов проводилась с помощью пакета программ «STADIA» (Кулаичев, 1998). В кластерном анализе использовался метод Ворда (Word’s metod) (Эзау, 1995). Для картографической визуализации данных применялась система ARC View GIS (Матросов,1999).
ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА АНТРОПОГЕННОЙ ДЕГРАДАЦИИ
ПРИБРЕЖНОЙ АКВАТОРИИ КУРОРТНОЙ ЗОНЫ г. АНАПА
Основными целями работы являлись: установление причин ухудшения качества водной среды в прибрежной зоне моря, прогноз дальнейшего развития экологической ситуации и разработка предложений по ее улучшению.В последние десятилетия ХХ века на некоторых участках курортной зоны г.Анапа сложилась катастрофическая ситуация. Избыточная антропогенная нагрузка (численность отдыхающих в 1985–1986 г.г. достигала 4 млн. человек в курортный сезон) и отсутствие надлежащего обустройства пляжных территорий обусловили периодическое снижение качества прибрежных вод до уровня, не позволяющего использовать данные участки в рекреационных целях. Отдельные бессистемные попытки улучшить ситуацию (например, временное закрытие пляжей) результатов не давали. В результате интенсивного загрязнения, дампинга грунтов при отсыпке пляжей и периодических заморов водных организмов, также обусловленных избыточной антропогенной нагрузкой (эвтрофированием и вторичным загрязнением), большинство биоценозов в прибрежной зоне было полностью или частично уничтожено, процессы самоочищения - нарушены.
Сложившуюся ситуацию можно рассматривать как деградацию водного объекта.
Как показали результаты комплексных исследований, в пределах 50-километрого участка Кавказского побережья Черного моря, занятого курортными учреждениями, в период проведения работ подчиненными Территориальному совету г.Анапа, можно было выделить ряд зон (экоучастков), каждая из которых характеризуется определенным уровнем антропогенного воздействия (Горюнова, Безносов, 2004):
1. Фоновая зона - участок прибрежной зоны, в котором антропогенная нагрузка сохраняется на уровне, незначительно превышающем использование этого участка местным населением традиционными видами деятельности. Морские курорты возникают в местах с благоприятными для жизни условиями и чаще всего там, где уже проживают люди, а совсем нетронутые территории отсутствуют. Поэтому в качестве «эталона»
(объекта для сравнения) в курортных зонах целесообразно выбирать участки, где в той или иной мере сохранились условия, существовавшие до организации курорта. Среднее количество отдыхающих в фоновой зоне в дневное время на берегу моря во время курортного сезона не должно превышать 10 человек на 100 м береговой линии. В качестве «фоновой» зоны можно рассматривать район мыса Утриш.
2. Зона умеренной рекреационной нагрузки: изменение гидрохимических и гидробиологических параметров, свидетельствующее об ухудшении качества водной среды, наблюдается лишь эпизодически. Среднее количество отдыхающих в разгар курортного сезона - от 10 до 100 человек на 100 м береговой линии. В период сбора фактического материала таким участком можно было считать район пос. Витязево.
3. Зона сильной рекреационной нагрузки: среднее количество отдыхающих - от до 500 человек на 100 м береговой линии. В разгар курортного сезона значения показателей качества вод свидетельствуют о более или менее постоянном их загрязнении.
Но резкого ухудшения экологического состояния, сопровождающегося заметным падением рекреационной ценности, еще не наблюдается. Примером является район пос.
Джемете.
4. Зона запредельной рекреационной нагрузки: среднее количество отдыхающих более 500 человек на 100 м береговой линии, отсутствует организация специальных сооружений (проточных бассейнов с системой очистки вод и др.). Через определенный период после начала курортного сезона на подобных участках наблюдается заметное ухудшение качества вод, существенно снижающее рекреационно-оздоровительный потенциал и комфортность отдыха. В качестве такого участка мы рассматриваем район городского пляжа г. Анапа (гор.пляж).
5. Импактная зона: на этих участках антропогенное воздействие привело к полной потере их рекреационной ценности. Массового купания и отдыха людей не наблюдается.
Сюда же можно отнести участки побережья, специально предназначенные для каких-либо технических целей и в соответствии с этими целями видоизмененные (например, портовые акватории). Накапливающиеся в импактных зонах загрязнители впоследствии могут распространяться на соседние участки акватории, использующиеся в рекреационных целях. В пределах Анапского курорта к импактной зоне можно отнести прибрежную полосу в районе спасательная станция – морской вокзал.
Гидрохимические и гидробиологические показатели, характеризующие экологическое состояние выделенных экоучастков, колебались в широких пределах, что было обусловлено не только различием в уровне рекреационной нагрузки, но и сезонной динамикой. Содержание растворенного кислорода в поверхностных водах прибрежной зоны в большинстве случаев было близко к насыщению. Однако в районе спасательной станции из-за накопления органических загрязнителей содержание кислорода падало до 2,0 мг/л и ниже. В летний период здесь периодически отмечались заморные явления, сопровождающиеся массовой гибелью организмов зообентоса. Ухудшение кислородного режима в период наибольшей рекреационной нагрузки (июнь–август) неоднократно отмечалось и в районе городского пляжа.
Динамика содержания неорганических форм азота в воде на большинстве участков носила хорошо выраженный сезонный характер (рис. 1). Однако максимум содержания нитратов и аммонийного азота наблюдался не в зимний период, а отмечался в разгар вегетационного сезона, который совпадал с периодом максимальной рекреационной нагрузки на прибрежную акваторию.
Аналогичные закономерности обнаружены и в динамике содержания фосфатов.
В летний период концентрация фосфатов на фоновых участках падала до аналитического нуля. Однако на участках, испытывающих значительную рекреационную нагрузку, в это же время отмечалось периодическое повышение их содержания (рис.2).
Рис.1 Среднемесячные значения содержания нитратов (А) и аммонийного азота (Б) (в мкг-ат.N/л) в поверхностном слое воды (глубина 1 м) в 1988 г
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Рис.2 Распределение фосфатов (мгРО43-/л) в прибрежных водах Анапского курорта в сентябре 1988 г.фосфаты Эвтрофирование прибрежной зоны обусловило массовое развитие макрофитов и последующее вторичное загрязнение, периодически возникающее во второй половине лета в результате разложения вдольбереговых скоплений отмерших водорослей. Поэтому высокие значения показателей перманганатной окисляемости, ХПК и БПК были обусловлены не только непосредственным загрязнением вод органическими веществами, но и их эвтрофированием: максимальные значения данных показателей отмечены как на участках, в наибольшей степени подверженных поступлению загрязненных вод с берега (район спас.станции), так и испытывающих наибольшую рекреационную нагрузку (городской пляж, район поселка Джемете) (табл. 1).
Таблица 1. Среднемесячные значения БПКполн. (мгО2/л) в поверхностном слое воды (глубина 1 м) в 1988 г.
Уровень первичного и вторичного загрязнения прибрежной акватории хорошо отражался и в значениях микробиологических показателей. В летний период общая численность бактериопланктона в районах гор.пляжа и спас.станции достигала величин 107–108 клеток/мл (при этом доля гетеротрофных бактерий составляла 36,0 – 45,5%), а в зимний – снижалась до величин порядка 103 – 104 клеток/мл на всех участках (рис.3).
Рис.3 Общая численность бактериопланктона (103 кл/мл) в прибрежных водах Анапского курорта в 1988 г.
Существенных отличий в составе фитопланктона исследуемых участков, надежно отражающих качество водной среды, установить не удалось. Даже в наиболее загрязненных районах не отмечено форм, характерных для вод с высокой степенью сапробности, что может быть объяснено довольно активным водообменом между различными участками побережья. Зимой доминировали диатомовые Nitzschia seriata Cl., N. closterium (Ehr.) W.Sm., N. longissima (Breb.) Ralfs, Grammatophora marina (Lyngb.) Kutz., летом - мелкие жгутиковые (динофлагелляты Exuviaella pusilla Schill., E. cordata Ostf., E.
compressa Ostf. и др.). Состав зоопланктона прибрежной зоны был весьма беден и представлен главным образом пелагическими личинками донных беспозвоночных (ларватоном). Использование организмов зообентоса в качестве биоиндикаторов не представлялось возможным, так как в прибрежной зоне курорта проводились модификации рельефа дна, что вызывало значительное уменьшение видового разнообразия независимо от качества воды. Крупные организмы зообентоса на многих участках почти полностью исчезали вследствие сбора их отдыхающими. В период исследования в районе мор.вокзал - спас.станция сообщества макрозообентоса были полностью уничтожены из-за периодических заморов. Из макрофитов наиболее надежным показателем уровня загрязнения водной среды являлась зеленая водоросль Ulva rigida Ag.
Полученные данные достаточно хорошо отражают состояние различных участков курортной зоны, однако прогнозировать развитие негативных тенденций, ведущих к возникновению ЧЭС и полной потере рекреационного потенциала, на их основании нельзя.
Поэтому появилась необходимость разработки методологии оценки антропогенной деградации. В основу предложенной схемы мы положили суждение о том, что первоначально все участки курортной зоны имели приблизительно одинаковое экологическое состояние (Сапожников, 1992). Следовательно, все выделенные экоучастки можно рассматривать как последовательные этапы развития одного и того же процесса.
Сравнивая экологическое состояние отдельных экоучастков и анализируя причины, его обусловившие, можно выявить общий механизм развития антропогенной деградации, закономерным финалом которой является возникновение чрезвычайной экологической ситуации. В общем виде выделенные нами фазы антропогенной деградации представлены в таблице 2.
Для прибрежной зоны г. Анапа предложены мероприятия по предотвращению данного процесса на каждой из обозначенных фаз.
ГЛАВА IV. ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОЛЕТНЕЙ ДИНАМИКИ ПРОЦЕССА
ЭВТРОФИРОВАНИЯ ВОДОЕМА-ОХЛАДИТЕЛЯ КУРСКОЙ АЭС
Изучение закономерностей развития процесса антропогенной деградации было продолжено в 1999-2006 гг. на Курчатовском водохранилище, специально созданном для водоснабжения Курской АЭС.Рис. 4 Схема водоема-охладителя Курской АЭС (цифрами обозначены номера постоянных станций; стрелками - направление течения).
Наполнение водоема-охладителя Курской АЭС начало осуществляться в 1976 году.
В настоящий момент его площадь составляет 22 км2, объем более 30 млн. м3. Средняя глубина - приблизительно 4 метра. Водоем имеет форму вытянутого кольца (рис. 4).
Подавляющая часть объема его вод постоянно вовлечена в циркуляционное течение и периодически проходит через систему охлаждения АЭС. Температура сбросных вод в теплое время года может достигать 40°С, а в отдельные периоды даже превышать этот уровень. Образование ледового покрова на участках циркуляционного течения происходит только в сильные морозы.
Водоем-охладитель Курской АЭС является водоемом многоцелевого пользования.
Подогретые воды, сбрасываемые из системы охлаждения, используются для садкового разведения рыбы и в тепличном хозяйстве. Непосредственно на берегу водоемаохладителя расположен относительно крупный город Курчатов, поверхностный сток с которого через систему ливневой канализации попадает в водоем. В летнее время берега водоема-охладителя интенсивно используются местным населением в рекреационных целях.
Первоначально исследования проводились нами в рамках программы экологического мониторинга Курчатовского водохранилища. Однако, начиная с 2000 г., в водоеме стало наблюдаться бурное зарастание ряда прибрежных участков. В работе системы технического водоснабжения АЭС возникли серьезные трудности, связанные с образованием биологических помех. Поэтому цели наших работ были скорректированы.
Вспышка развития водной растительности не только обусловила серьезные биопомехи в работе АЭС, но и вызвала интенсивное вторичное загрязнение ряда участков акватории, сопровождающееся массовой гибелью гидробионтов и почти полной потерей рекреационного потенциала. Наблюдающиеся явления (в соответствии с данным ранее определением) также относятся к процессу антропогенной деградации. Однако, в отличие от Анапской курортной зоны, в пределах которой отдельные участки в одно и то же время находились на различных фазах, в водоеме-охладителе наблюдалась последовательная смена этапов данного процесса. Чтобы рассмотреть основные фазы деградации водоема, необходимо охарактеризовать развитие ситуации в течение длительного периода времени.
Известно, что типичными признаками интенсивного эвтрофирования водоема являются увеличение концентраций соединений биогенных элементов и постепенное повышение содержания растворенного органического вещества в воде (Сиренко,1981).
Однако устойчивых трендов в многолетней динамике этих показателей не наблюдалось (рис. 5). Вместе с тем, средняя фитомасса в ряде прибрежных участков в период с 2000 по 2005 гг. возросла в 2-3 раза (рис. 6).
На берегах Курчатовского водохранилища во многих местах образовались мощные, высотой до 1 м, скопления остатков отмершей растительности. Их разложение обусловило вторичное загрязнение вод. Результаты биотестирования свидетельствовали о высоком уровне токсичности водной среды вблизи подобных скоплений. Однако зоны вторичного загрязнения носили локальный характер и уже в 50 метрах от берега повышения содержания азота и фосфора не отмечалось.
Особенностью периода 1999–2003 г.г. было быстрое изменение в составе растительных сообществ (после длительного периода их стабильного состояния).
Отмечена заметная интенсификация зарастания видами, характерными для эвтрофируемых Рис.5. Многолетняя динамика показателя перманганатной окисляемости (мгО/л) кг сырого веса/м Именно эти растения и являются основным источником биологических помех в системе технического водоснабжения АЭС. Площади других формаций водной растительности сократились. Зарастание водоема-охладителя сопровождается снижением разнообразия фитоценозов.
Возникновение перечисленного комплекса негативных явлений явилось полной неожиданностью как для дирекции АЭС, так и для других водопользователей. Острота проблем усугублялась тем, что на этом водоеме в течение всего периода его существования проводился экологический мониторинг. На основании полученных материалов последние 15-20 лет делался вывод о стабильном состоянии водохранилища.
Отсутствие достоверных прогнозов может быть объяснено недоучетом закономерностей развития процесса антропогенной деградации данного водоема.
Для описания процесса антропогенной деградации водоема-охладителя можно выделить те же самые этапы, что и в рассмотренном ранее примере деградации прибрежных участков курортной зоны. Наблюдалась следующая цепь событий (табл. 3):
Состояние водоема-охладителя КАЭС в течение многих лет необоснованно рассматривалось как стабильное (т.е. как «равновесная фаза» – по нашей классификации).
Однако при существующем уровне антропогенного воздействия это состояние нужно было рассматривать как антропогенно-напряженную фазу: на берегу водоема расположен крупный производственный объект (АЭС) и 50-тысячный город. Без принятия мер по снижению антропогенной нагрузки процесс деградации Курчатовского водохранилища неминуемо должен был продолжаться, что и происходило в действительности. Затянутость антропогенно-напряженной фазы была обусловлена особенностями гидрологии водоемаохладителя: поступающие в него загрязнители и эвтрофиканты в результате интенсивных процессов внутреннего водообмена быстро распределяются по всему водному объему, поэтому до определенного момента установить факт увеличения их концентрации достаточно трудно.
Приблизительно в 2000г. наступила кризисная фаза, на которой происходило разрушение структурно-функциональной организации водной экосистемы. Началось бурное развитие макрорастительности, что создало биологические помехи в работе АЭС.
В настоящее время водоем вступает в катастрофическую фазу, на которой наблюдается стремительное ухудшение качества вод. Для предотвращения дальнейшего развития процесса антропогенной деградации одних природоохранных мер (например, сокращения стоков) уже недостаточно. Требуется проведение специальных инженернотехнических мероприятий, прежде всего – уборки береговых скоплений отмершей растительности. Вероятно, ее можно применять в качестве органического удобрения, а в ряде стран биомасса уже используется для энергетических целей и составляет более 50% от общего энергопотребления (Козлов, Лукашевич, 2006). В противном случае можно прогнозировать наступление следующего этапа деградации – фазы развития чрезвычайной экологической ситуации. Его началом можно будет считать первое событие массовой гибели гидробионтов по всей акватории водохранилища в результате замора или отравления, вызванных дальнейшей интенсификацией вторичного загрязнения.
Особенностью процесса деградации в водоеме-охладителе является то, что на определенном этапе он может обусловить возникновение чрезвычайной техногенной ситуации, когда биологические помехи и ухудшение качества вод достигнут уровня, при котором нормальная работа системы технического водоснабжения АЭС станет невозможна.
ГЛАВА V. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА АНТРОПОГЕННОЙ ДЕГРАДАЦИИ МАЛЫХ
ГОРОДСКИХ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
Общепринятого определения «малые водные объекты» в настоящее время еще не существует. Однако именно эта категория водных объектов, включающая небольшие водоемы и водотоки, представляет собой один из основных компонентов окружающей среды, от состояния которого во многом зависит комфортность условий проживания подавляющей части населения Российской Федерации, К сожалению, к концу XX века реки и пруды во многих промышленных районах страны стали рассматриваться в качестве коллекторов, принимающих сточные воды и жидкие отходы производства (Пальгунов и др.,1997). Малые водные объекты, подверженные неконтролируемому загрязнению, стали важнейшим фактором ухудшения санитарно-эпидемиологической обстановки в городах. Поэтому восстановление малых водоемов и водотоков постепенно становится одной из первоочередных задач обустройства городской территории. Так, Правительством Москвы была разработана специальная концепция по данной проблеме («О концепции…», 2005).В настоящее время малые городские водотоки и водоемы используются главным образом в двух направлениях: для отвода городских стоков и как рекреационные объекты;
важность последнего неуклонно возрастает. Поэтому основным критерием при оценке состояния городских водных объектов является их рекреационная значимость (это и степень соответствия состояния водного объекта санитарно-гигиеническим нормам, допускающим пребывание на нем людей, и способность данного объекта удовлетворять эстетическим, видеоэкологическим и социально-психологическим потребностям городского населения).
При определении фазы антропогенной деградации городских малых объектов мы исходили из тех же критериев, что при изучении экологического состояния курортной зоны г.Анапа. Однако учитывались и особенности данной категории водных объектов:
небольшие водоемы, расположенные на урбанизированных территориях, не могут находиться в «равновесной фазе», а критерий «биоразнообразие» при оценке состояния искусственных водных объектов может найти только ограниченное применение.
Выделялись следующие фазы антропогенной деградации:
Антропогенно-напряженная фаза – свойственна главным образом городским водоемам и водотокам, имеющим естественное происхождение. Качество воды в подобных объектах в целом удовлетворяет водохозяйственным нормативам. Однако наиболее чувствительные к загрязнению виды гидробионтов, в массовом количестве встречающиеся в природных водоемах данного региона, значительно снижают свою численность или полностью исчезают. Водные объекты могут обладать относительно высоким видеоэкологическим потенциалом без создания специальных систем их инженерноэкологического обустройства (осуществления специальных технических мероприятий, направленных на поддержание экологически приемлемого состояния водной среды).
Примером таких водных объектов может служить р.Сетунь. Сопоставляя результаты гидрохимических анализов (в таблице 4 приведены данные одной из съемок) с составом обнаруженных водных растений и животных, можно прийти к достаточно обоснованному заключению о том, что уровень загрязнения вод р.Сетунь (по сравнению с другими городскими малыми реками) можно считать относительно умеренным.
Кризисная фаза, при которой процессы самоочищения и самовосстановления периодически уже не справляются с антропогенной нагрузкой, наиболее характерна для Таблица 4. Результаты гидрохимических анализов проб воды, отобранных на различных участках р.Сетунь 14 июля 2005 г.
Содержание растворенного кислорода, мг/л 6,29±0,14 6,70±0,10 5,28±0, Перманганатная окисляемость (ПО), мг О/л 7,18±0,20 6,28±0,15 10,5±0, городских водоемов, находящихся на благоустроенных территориях. Если природный водоем находится в кризисной фазе – это, несомненно, тревожный признак, однако для небольших искусственных водных объектов такое состояние можно считать относительно благополучным: при создании многих городских водоемов подразумевается, что их приемлемое состояние будет поддерживаться периодическими чистками дна, промывками и другими техническими мероприятиями. Первоначальное состояние такого объекта может рассматриваться как кризисная фаза антропогенной деградации. Примером может служить пруд в усадьбе Трубецких: водоем периодически расчищается и подпитывается из водопроводной сети. При существующем уровне антропогенной нагрузки без проведения этих мер пруд в течение короткого времени может превратиться в коллапсирующий водоем, основным источником наполнения которого будет служить поверхностный сток с городской территории. Данные гидрохимических анализов проб воды представлены в табл. 5. Содержание органического вещества в пруду, судя по значениям перманганатной окисляемости, ХПК и БПК, находится на достаточно высоком уровне. Большая концентрация фосфатов указывает на интенсивное эвтрофирование пруда. Об этом же свидетельствует и тот факт, что в летний период при отсутствии расчисток погруженная водная растительность на многих участках акватории заполняет Таблица 5. Результаты гидрохимических анализов проб воды, отобранных в пруду усадьбы Трубецких 21 февраля 2005 г.
Содержание растворенного кислорода, мг/л 3,50±0,10 2,95±0,08 2,71±0, Перманганатная окисляемость (ПО), мг О/л 9,00±0,10 9,27±0,10 12,1±0, всю водную толщу от дна до поверхности. В зимний период подо льдом вследствие интенсивного вторичного загрязнения водоема развивается гипоксия.
Катастрофическая фаза и фаза развития чрезвычайной экологической ситуации также весьма распространены. Однако они свойственны водным объектам, расположенным на плохо обустроенных городских территориях. Основным признаком является постоянно неудовлетворительное качество вод. Социальная привлекательность и рекреационный потенциал объектов в значительной мере утрачиваются. Улучшение экологической ситуации может быть достигнуто только путем экологической реабилитации водоема. Отличием фазы развития чрезвычайной экологической ситуации является то, что состояние водного объекта ухудшает санитарно-эпидемиологическую обстановку на городской территории и представляет собой опасность для здоровья населения.
Примером может служить пруд на Феодосийской улице в районе Бутово.
Первоначально водоем представлял собой деревенский пруд, использовавшийся в различных хозяйственно-бытовых целях. Впоследствии он оказался в пределах городской застройки, однако работ по его благоустройству практически не проводилось. Акватория пруда и прибрежная территория сильно засорены. Общая масса мусора в прибрежной зоне пруда в летне-осенний период достигает 4 кг/м2, при плотности засорения 75%. Флора и фауна пруда отличаются крайней бедностью.
В летнее-осенний период значения содержания кислорода в пробах воды из несанкционированного водовыпуска опускались до 2,01 мг/л. Количество О2 подо льдом было низким (1,92 – 2,27 мг/л), и можно с достаточной долей уверенности предположить о наличии гипоксии в зимний период. Качество вод несанкционированного водовыпуска соответствует неочищенным сточным водам (значения ХПК составляли 106,0 мгО/л; БПК - 10,5мгО2/л; количество фосфатов достигало величины 2,20 мг/л в зимний период), а по результатам биотестирования, проведенного с лабораторной культурой дафний, воду можно классифицировать как высокотоксичную (ЛВ50 < 24 часов). Сравнивая результаты гидрохимических анализов с действующими нормативами, можно прийти к выводу, что в настоящее время пруд является сильно загрязненным водоемом (альфа-мезосапробный – полисапробный водоем).
В ходе исследования оценка степени антропогенной деградации была дополнена еще одной фазой - «экологический коллапс», главный критерий которой – необратимость:
водный объект, находящийся в состоянии коллапса, не подлежит восстановлению.
В качестве примера можно привести р.Жужа. При постройке жилого массива Нагатино большая часть реки была заключена в железобетонный коллектор. В настоящее время этот водоток выходит на поверхность только в районе своих истоков и в районе устья, вблизи от места ее впадения в р.Москву на территории музея-заповедника «Коломенское». Береговые склоны и русло Жужи сильно загрязнены мусором, а сам водоток формируется, главным образом, за счет стоков с городской территории. Особенно велико в водах р.Жужи содержание фосфатов. Уровень их концентрации (до 3,36 мг/л) скорее характерен для сточных вод, а не для речных, поэтому поступление вод из р.Жужи это один из важных источников эвтрофирования р.Москвы. Как свидетельствуют результаты биотестирования, воду, сбрасываемую из закрытого участка р.Жужи, в отдельные периоды можно рассматривать как гипертоксичную (ЛВ50 < 1ч.). Каких-либо видов водной растительности или макрофауны в русле р.Жужи нами не обнаружено.
Исследование р.Жужи проводилось в рамках проекта строительства на ней мельничной плотины, как элемента планируемого здесь этнографического музея. Однако очевидно, что запруживание этого водотока привело бы к возникновению на территории музея-заповедника сильно загрязненного водоема, который ничем не отличался бы от простейшего приемника-накопителя сточных вод. Поэтому при разработке программы экологической реабилитации нами было предложено решение, которое включало следующие мероприятия:
- изоляцию реконструируемого водоема от городских стоков и отвод загрязненных вод в систему городской ливневой канализации;
- расчистку и заполнение образовавшегося изолированного фрагмента русла чистой водой; подключение циркуляционной системы;
- экологический дизайн нового водоема и формирование биотического комплекса (создание зарослей прибрежной растительности на открытых участках контура, зарыбление, организация водопадов-аэраторов и др.).
Несомненно, что водоем, возникающий в результате реализации этой программы, не является восстановленным водотоком, а представляет собой воссозданный природнотехногенный водный объект, существование которого поддерживается благодаря постоянной или периодической работе циркуляционно-восстановительной системы. Для обозначения подобных проектов нами предложен специальный термин – «имитационные водоемы» (Суздалева, Горюнова, 2004).
Особый случай экологического коллапса представляют собой водные объекты, возникшие как побочное и нежелательное последствие урбанизации территории (например, открытые участки потоков, формирующихся из сточных вод, или скопления загрязненных вод в искусственных впадинах). Улучшение состояния таких водных объектов принципиально невозможно. Мы рассматриваем их как изначально возникшие в состоянии экологического коллапса, что позволяет включить подобные объекты в общую схему процесса антропогенной деградации и унифицированные программы по ее предотвращению. Важность исследований связана с тем, что количество таких водных объектов в ходе урбанизации территории возрастает, а их ликвидация представляет собой достаточно сложную инженерно-экологическую проблему.
г.Зеленограда у железнодорожной насыпи. Источниками наполнения служат не только ливневые и талые воды - в него осуществляется и несанкционированный сброс сточных вод с территорий хозяйственных объектов, расположенных поблизости. Гидрохимические показатели указывают на высокий уровень загрязненности воды (табл. 6), а результаты биотестирования свидетельствуют о ее выраженной токсичности. Однако обнаруженные различные водные организмы указывают на то, что водоем является постоянным и существует достаточно продолжительное время.
Таблица 6. Результаты гидрохимических анализов проб воды, отобранных 18 октября 2004 г. в техногенном водоеме, расположенном в 14 микрорайоне г.Зеленограда.
Содержание растворенного кислорода, мг/л 11,6±0,25 11,7±0,23 11,6±0, Перманганатная окисляемость (ПО), мг О/л 14,5±0,14 12,8±0,12 13,1±0, Как показывает анализ имеющихся материалов, практически все исследованные нами городские водные объекты за время своего существования проходили несколько этапов антропогенной деградации (табл. 7), на протяжении которых их экологическое состояние и социально-экономическое значение принципиально отличались. Несмотря на то, что городские водоемы и водотоки имеют различное происхождение, в их историческом развитии (эволюции) существуют определенные закономерности, обусловленные общим характером изменения экологической и социальной обстановки в процессе урбанизации территории. На основе изучения этих закономерностей нами разработана схема эволюции городских малых водных объектов (рис. 7). Данная схема отражает лишь наиболее типичные пути их развития, когда процесс урбанизации идет поэтапно и происходит в течение длительного исторического периода, как, например, в центральной части московского мегаполиса (Забелин, 1990; Малиновский, 1992; Кондратьев, 1997). Если строительство современного города осуществляется на неосвоенной территории, переходный этап эволюции выпадает: природные водные объекты сразу оказываются в зоне урбанизации, а период хозяйственно-бытового водопользования - отсутствует.
Несмотря на все разнообразие городских водных объектов, по своему происхождению и первоначальному предназначению их можно разделить на четыре основных типа:
I - природные водоемы и водотоки;
II - искусственные водоемы хозяйственно-бытового назначения;
III - водные объекты рекреационного назначения;
IV - техногенные водные объекты.
Водные объекты, относящиеся к одному типу, появляются на определенном этапе исторического развития города. Их дальнейшая эволюция также носит, как правило, сходный характер.
Рассмотрим особенности эволюции каждого из типов малых городских водных объектов.
образовавшиеся из природных водоемов и водотоков, существовавших на данной территории еще в доселитебный период (этап 0). На первых этапах освоения данной территории, оказавшись в пределах поселений сельского типа или вблизи них, они начинают интенсивно использоваться в хозяйственных целях (этап 1). С этого момента происходят изменения в структуре водных экосистем, постепенно снижается качество вод в результате их бытового загрязнения и эвтрофирования. Эти явления мы обозначили как «слабая и умеренная антропогенная деградация природных водоемов». Под слабой антропогенной деградацией подразумевается переход водных объектов из равновесного состояния, свойственного естественным экосистемам, в «антропогенно-напряженное состояние», характеризующееся снижением численности хозяйственно ценных видов и Умеренная антропогенная деградация соответствует переходу водного объекта в так самовосстановления периодически уже не справляются с антропогенной нагрузкой и время от времени происходит значительное ухудшение качества вод (цветение, появление у воды гнилостного запаха и др.). Однако коренного изменения хозяйственного использования водоема еще не происходит, поскольку через некоторое время его экологическое состояние вновь улучшается. Иногда это связано с проведением простейших водоохранных и реабилитационных мероприятий (например, расчистки дна от наносов или прекращения сброса в водоемы нечистот). Вода из таких водных объектов используется населением в питьевых целях. В современных условиях в подобном состоянии находятся небольшие озера и речки, протекающие или расположенные поблизости от достаточно крупных поселений сельского типа.
В переходный период (этап 2), когда территория постепенно урбанизируется, наблюдается, как правило, сильная антропогенная деградация водных объектов, при которой они переходят в «катастрофическое состояние», характеризующееся резким ухудшением качества вод - они уже не могут быть использованы в питьевых целях.
Социальная привлекательность и рекреационный потенциал прибрежных территорий в значительной мере утрачиваются. Вызвано это несколькими причинами. В период интенсивного градостроительства и промышленного освоения территории антропогенное воздействие на малые водные объекты многократно усиливается и заключается не только в загрязнении, засорении и эвтрофировании, как на предшествующем этапе. Практически всегда происходит принципиальное изменение характера водосборного бассейна, а русла рек часто полностью или фрагментарно заключаются в трубы. Потеря хозяйственного значения водного объекта ведет к ослаблению государственного и общественного контроля за качеством вод, в то время как инфраструктура города в полной мере еще не развита. Именно на этом этапе эволюции бывшие когда-то природными река или озеро превращаются в «необустроенный городской водный объект». В некоторых случаях водный объект переходит в состояние «экологического коллапса». Наконец, как показывает опыт, в период застройки территории многие водотоки и водоемы утрачиваются полностью (так, в г.Москве лишь за последние 100 лет исчезло более 100 рек и 700 озер и прудов).
На следующем этапе (этап 3) водный объект оказывается в пределах окончательно сформировавшейся городской территории: он становится элементом городского пейзажа, улучшающего или ухудшающего видеоэкологию данного района. Принципиально изменяется характер использования водного объекта: если раньше он удовлетворял, главным образом, хозяйственно-бытовые потребности населения, то теперь его основное назначение – рекреационное.
II. Искусственные водоемы хозяйственно-бытового назначения - обычно создаются на этапе развития поселений сельского типа (этап 1). В переходный период они так же, как и другие водные объекты, подвергаются сильной антропогенной деградации, и, в большинстве своем, переходят в «катастрофическую фазу». Примером может служить исследовавшийся нами пруд на Феодосийской улице.
III. Городские водные объекты, изначально создававшиеся в рекреационных целях, возникают либо в переходный период как водоемы, украшающие пригородные усадьбы и парки, либо на территории городских парковых комплексов, окруженных полностью урбанизированной территорией. Отличительной чертой является то, что их состояние поддерживается искусственно. Оставленные без ухода, такие водоемы постепенно деградируют или исчезают полностью.
Таким образом, вне зависимости от своего происхождения, водные объекты всех трех рассмотренных выше видов в процессе урбанизации территории неизбежно деградируют вследствие резкого повышения уровня антропогенной нагрузки и необратимого изменения водосборных бассейнов. Как правило, без принятия специальных мер малые городские водоемы и водотоки находятся на катастрофической фазе деградации или в состоянии экологического коллапса. В первом случае улучшение состояния водного объекта возможно путем его экологической реабилитации или реконструкции. Если водоем или участок водотока имеет культурно-историческую ценность, необходима разработка проектов реставрации или, в случае невозможности их осуществления в настоящее время, – проектов консервации. Редким исключением являются малые водные объекты, основная часть водосборного бассейна которых расположена на территории парковых зон - тогда можно ограничиться мерами экологической защиты и охраны.
IV. Возникновение техногенных водных объектов, как правило, приурочено к переходному периоду (постепенной урбанизации – этап 2). На полностью освоенной городской территории в современных условиях такие водоемы и водотоки возникают значительно реже вследствие усиления контроля за использованием земель и сбросами предприятий.
ГЛАВА VI. ОЦЕНКА ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ВОДНЫХ РАСТЕНИЙ
ПРИ ХИМИЧЕСКОМ ЗАГРЯЗНЕНИИ СРЕДЫ.
Как показали наши исследования, на первых фазах процесса антропогенной деградации изменения, происходящие в водных объектах, малозаметны. Обычно диагностирование этих явлений проводится на основе достаточно длительных комплексных исследований, поводом для начала которых служит значительное ухудшение качества водной среды, затрудняющее или делающее невозможным использование водных объектов в тех или иных целях. Вместе с тем, именно на начальных фазах затраты на мероприятия по экологической реабилитации минимальны. Поэтому, параллельно с изучением состояния водных объектов, нами проводились исследования по разработке новых экспресс-методов оценки качества водной среды. Наиболее перспективным для выполнения данной задачи представляется использование методов биотестирования, основанных на определении функционального состояния тест-объектов ботанического плана – водорослей и макрофитов.Для определения фотосинтеза существует ряд методов, таких, как кислородный, радиоуглеродный, хлорофильный, определение АТФ и т.п. Возможно определить фотосинтетическую активность водных растений и по изменению активной реакции среды (Blinks, Skow, 1938; Beyers, Odum 1959). Данный способ не практикуется в токсикологических опытах, хотя известно, что в определенных условиях изменение рН среды инкубации может служить показателем энергетических реакций дыхания и фотосинтеза (Скулачев, 1972).
В работе предложен и апробирован метод определения физиологического состояния протококковых водорослей Scenedesmus quadricauda Breb.и Chlorella pyrenoidosa ChickS- по фотоиндуцированному изменению активной реакции среды. Величина изменения рН («световая реакция») среды может служить показателем фотосинтетической активности клеток водорослей в условиях действия повреждающих факторов. Сравнение определения интенсивности фотосинтеза культуры Sc. quadricauda тремя методами (по изменению рН среды, по включению 14С и кислородным методом Винклера) показало полную сходимость результатов. Метод также использован для определения физиологической активности погруженных макрофитов (Elodea canadensis Rich.) в токсикологических экспериментах.
Хорошим показателем физиологического состояния как харовых водорослей Nitella flexillis, так и элодеи канадской при химическом загрязнении среды является также скорость движения цитоплазмы. К достоинствам предлагаемых методов следует отнести их экспрессность, надежность получаемых оценок, неповреждаемость объектов в процессе измерения, возможность применения в качестве тест-объектов многих видов широко распространенных водных растений, легкость их культивирования в лабораторных условиях, простоту самих измерений, что делает их использование необходимым при проведении экспресс-анализа загрязнения водной среды токсикантами различной природы и может быть рекомендовано для широкого практического использования.
Среди классов загрязняющих веществ антропогенного происхождения в изученных нами водных объектах одним из наиболее опасных и приоритетных являются тяжелые металлы. Кроме того, этот класс загрязнителей наиболее устойчив в водной среде и может служить хорошим маркером начальных фаз антропогенной деградации водных объектов. В работе исследовались процессы поглощения и выведения тяжелых металлов зелеными водорослями. Изучалась степень повреждения первого звена трофической цепи, которая может повлечь за собой изменения путей трансформации энергии в экосистемах, и выяснялась роль зеленых водорослей в самоочищении водной среды от данных токсикантов. Изучение процессов поглощения и выведения металлов позволяет определить отдаленные последствия загрязнения водных объектов. Обнаружены специфические нарушения в характере роста водорослей, вызываемые разными металлами. С использованием рентгеновского флуоресцентного анализа показано, что интенсивность накопления металлов Sc. quadricauda возрастает в ряду Zn, Co, Cd, причем в первые 24 часа опыта клетки поглощают эти металлы с коэффициентами накопления 120, 200 и 620 соответственно. В течение 5-10 суток клетки водорослей способны удерживать до 60-70% от первоначально накопленного ими количества токсикантов, что может характеризовать их способность к самоочищению среды. Однако, начиная с 10-х суток, до 30-40% накопленных ранее металлов возвращается в среду, что может явиться причиной вторичного загрязнения водоемов.
ГЛАВА VII. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ АНТРОПОГЕННОЙ ДЕГРАДАЦИИ ВОДНЫХ
ОБЪЕКТОВ
Концептуальные проблемы исследования процесса антропогенной деградации Основные положения, учет которых необходим при исследовании процесса деградации водных объектов, можно сформулировать в виде ряда концептуальных принципов:1. Человеческая деятельность должна рассматриваться не только в качестве одной из главных причин деградации водных объектов, но и как единственный фактор, воздействие которого может воспрепятствовать данному процессу. Мотивацией как первого, так второго являются потребности человека. Поэтому оценка изменений водных объектов в процессе их деградации должна осуществляться с позиций комплексного водопользования. Только на основе его анализа можно прогнозировать дальнейшее развитие экологической ситуации водоема или водотока и определять содержание и направленность мероприятий по улучшению их состояния.
2. В процессе антропогенной деградации все водные объекты, вне зависимости от своего происхождения, преобразуются в природно-техногенные системы. Как свидетельствуют материалы, полученные нами при исследовании различных водных объектов (см. главы III-V), в большинстве случаев уже на первых стадиях деградации (кризисной фазе) реальное улучшение экологической ситуации возможно только в результате проведения специальных инженерно-технических мероприятий, направленных на поддержание экологически приемлемого состояния водной среды. Однако в результате инженерно-экологического обустройства водный объект неизбежно превращается в природно-техногенную систему (природно-техногенный водный объект), т.е. такой водный объект, состояние которого определяется как воздействием природных факторов, так и технической деятельностью человека.
3. Антропогенная деградация обусловливает постепенное увеличение сходства (конвергенцию) происхождения: при достижении определенного уровня антропогенной нагрузки, превышающей гомеостатические возможности водной экосистемы, приемлемое экологическое состояние водного объекта может поддерживаться только в результате работы системы его инженерно-экологического обустройства. Следовательно, возможна единая система оценки степени деградации водных объектов и разработка унифицированной методологии борьбы с развитием этих процессов.
Общая схема антропогенной деградации водных объектов Обобщение материалов, полученных при изучении антропогенной деградации водных объектов, свидетельствует о том, что состояние любых водных объектов, вне зависимости от их генезиса, вида, масштабов и местоположения можно рассматривать как одну из фаз закономерно протекающего процесса (табл. 8):
1. Равновесная фаза. Интенсивность процессов самоочищения и самовосстановления полностью компенсирует антропогенное воздействие. Постоянные источники загрязнения и ухудшения качества вод не обнаружены. Трансформации характера берегов и дна водного объекта не происходит. По данным экологического мониторинга, никаких устойчивых трендов гидрохимических и гидробиологических показателей, указывающих на ухудшение экологического состояния, на протяжении ряда лет (5-10) не наблюдается.
2. Антропогенно-напряженная фаза. В результате увеличения антропогенной нагрузки спорадически (относительно редко и без определенной периодичности) наблюдаются изменения гидрохимических и микробиологических показателей, свидетельствующих об ухудшении качества водной среды. Отмечается достоверное снижение численности отдельных видов, однако каких-либо значимых изменений в структурно-функциональной организации водных экосистем не происходит.
Водные объекты, находящиеся в антропогенно-напряженной фазе, могут обладать высокими рекреационной значимостью и видеоэкологическим потенциалом без создания специальных систем их инженерно-экологического обустройства.
3. Кризисная фаза. Процессы самоочищения и самовосстановления в отдельные периоды не справляются с антропогенной нагрузкой, происходит периодическое ухудшение качества водной среды. Наблюдаются изменения в качественном и количественном составе водных биоценозов, но уменьшения видового разнообразия не происходит. При анализе данных экологического мониторинга обнаруживаются тренды ряда гидробиологических показателей, свидетельствующих о постепенной трансформации структуры водной экосистемы. Весьма характерно повышение уровня первичной продукции и численности альфа-мезосапробов. В отдельные периоды купание в таком водном объекте и забор воды в питьевых целях может представлять опасность для здоровья людей, однако серьезного изменения рекреационной значимости еще не происходит.
Улучшение экологического состояния может быть достигнуто путем осуществления простейших водоохранных и реабилитационных мероприятий (например, расчистки дна от наносов или прекращения сброса нечистот).
Катастрофическая фаза. Постоянно неудовлетворительное качество вод (в соответствии с нормативами и стандартами воды можно отнести к категории загрязненных). Происходит существенная перестройка водных сообществ, сопровождающаяся падением биоразнообразия. При этом отмечается резкое снижение численности или даже исчезновение видов, наиболее чувствительных к загрязнению (олигосапробов), в то же время весьма характерны вспышки развития отдельных оппортунистических видов (цветение фитопланктона, зарастание макрофитами). Часто наблюдается дисбаланс продукционно-деструкционных процессов и, как следствие, вторичное загрязнение вод. Социальная привлекательность и рекреационный потенциал водного объекта в значительной мере утрачиваются. Купание представляет опасность для здоровья. Забор воды для хозяйственно-бытовых целей нежелателен. В системах технического водоснабжения возникают серьезные биологические помехи (образование биопленки, забивка водоводов, интенсификация накипеобразования и др).
Реальное улучшение экологической ситуации может быть достигнуто только путем целенаправленного инженерно-экологического обустройства водного объекта (экологической реабилитации). Иначе, даже при условии значительного ограничения антропогенной нагрузки, восстановление приемлемой экологической ситуации можно ожидать только через длительный период времени (не менее нескольких лет).
5. Фаза развития чрезвычайной экологической ситуации. Гидрохимические и санитарно-микробиологические показатели указывают на то, что данный водный объект создает опасность для здоровья людей, проживающих на окружающей территории.
В соответствии с действующим законодательством РФ органы Государственного санитарно-эпидемиологического надзора обязаны вынести предписание об ограничении доступа к водному объекту. Забор воды нежелателен даже для технических целей и может продолжаться только при угрозе возникновения техногенных аварий в случае его остановки. Водные сообщества состоят из форм, способных переносить высокий уровень загрязнения.
Без специальных мероприятий восстановление приемлемого экологического состояния невозможно даже при ограничении или полном прекращении загрязнения данного участка.
6. Экологический коллапс – водный объект не подлежит восстановлению как водоем или водоток, экологическое состояние которого можно было бы оценить как приемлемое.
Возможно только создание на его месте так называемого «имитационного» водоема или полная ликвидация.
Изменение экологического состояния в различных частях водного объекта может происходить с разной скоростью. Поэтому в крупных водных объектах можно выделять локальные зоны, находящиеся на определенной фазе антропогенной деградации.
Оценка состояния водных объектов и определение степени необходимости разработки проектов их инженерно-экологического обустройства Причины негативных явлений, приводящие к изменению экологических характеристик водных объектов и утрате ими свойств, используемых человеком, по своей природе могут быть весьма различны; еще более многочисленны признаки, на основании которых можно судить о степени деградации того или иного водного объекта. Однако большинство признаков может быть свойственно только определенной категории объектов. Иногда их использование для оценки деградации водных объектов невозможно или нецелесообразно (например, утрата небольшими водоемами водохозяйственного значения может не сопровождаться ухудшением качества их вод). Известны случаи, когда культурно-историческая ценность водных объектов или их частей снижалась в результате мероприятий по улучшению их санитарного состояния. Поэтому единых жестких критериев оценки столь широкой группы явлений, как антропогенная деградация, принципиально быть не может. Однако необходимость разработки системы оценки состояния водных объектов, позволяющей обосновать направления деятельности по их улучшению, очевидна. Перспективным путем решения данной проблемы является использование ГИС-технолологий. Оценка, сделанная с применением данных методов, носит комплексный характер и может включать обширный набор весьма разнородных показателей инженерно-технических, социальных, культурноэкологических, исторических и др.). Нами была разработана система балльной оценки состояния водного объекта по совокупности различных показателей, отражающих как основные характеристики, так и возможные аспекты его пригодности для использования в тех или иных целях (табл. 9).
Таблица 9. Балльная оценка состояния малого городского водного объекта.
«