Режим растворенных и взвешенных веществ (стр. 2 )

Основные водные массы водохранилищ характеризуются малой мутностью, при которой большую часть года концентрация взвесей не превышает 10 мг/л, а прозрачность воды по белому диску (SD) составляет не менее 1,5-2 м (табл. 5.6). Минимальна мутность воды зимой и в фазу «чистой» воды, которой завершается весенняя вспышка развития диатомового фитопланктона и зоопланктона, а также в редкие штилевые дни поздней осени, когда исчезают теплолюбивые виды синезеленых водорослей. Наиболее велико содержание минеральных частиц весной в период наполнения водохранилищ, но и тогда их концентрация в основной водной массе не более 30-60 мг/л, в 3-4 раза меньше, чем в речных водных массах. Летом в штилевые дни такой концентрации взвесь может достигать в тонком верхнем слое воды (на глубине 0,2-0,5 м) во время «цветения» сине-зеленых водорослей вблизи наветренного берега и в его заливах. В таких местах акватории величина SD<0,5 м. При смене синоптнческой ситуации прозрачность быстро увеличивается благодаря перемешиванию и биологическим процессам самоочищения воды.

В основных водных массах водохранилищ концентрация минеральных биогенных веществ весьма изменчива вследствие их превращения в ОВ и регенерации при его деструкции. Наибольшие её значения, приведенные в табл. 5.6, наблюдаются в конце зимнего периода в придонном слое воды, когда в лежащих под ним илах окислительные процессы создают в поровом растворе анаэробные условия, а труднорастворимая гидроокись железа (III) восстанавливается органическим веществом в растворимую закись железа (II). Несколько меньшие значения концентрации биогенных веществ во всей водной толще характерны для первых недель после освобождения водохранилищ от ледяного покрова, хотя к вынесенной из придонного слоя конвективным перемешиванием их массе добавляются принесенные в половодье аллохтонные биогенные вещества. Но с началом весенней вспышки развития фитопланктона концентрация этих веществ быстро уменьшается (в эвтрофных водоемах - до аналитического нуля). В остальную часть вегетационного сезона она колеблется в соответствии с зространственно-временной изменчивостью продукционно-деструкционных процессов в грофогенном и трофолитическом слоях эпилимниона и условиями вертикального перемешивания воды между этими слоями и придонным слоем во время штормов.

Наиболее близкие значения к величине суммарной концентрации вcex растворенных в воде ОВ имеет бихроматная окисляемость (БО), нередко именуемая химическим поглощением кислорода (ХПК). В ходе ее определения в пробе воды происходит практически полное окисление водного ОВ и некоторых неорганических примесей (закисного железа, нитритов, сероводорода, сульфитов), содержание которых в аэробных условиях, характерных для водохранилищ, мало. Перманганатная окисляемость (ПО) характеризует содержание в пробе воды преимущественно биохимически стойких ОВ, придающих воде желто-коричнево-бурую окраску, оптическим показателем которой служит цветность воды, выражаемая в градусах платиново-кобальтовой имитационной шкалы цвета водного раствора. В практике научных исследований часто определяют и БО, и ПО, в лабораториях гидрометслужбы - преимущественно только ПО. В природных водах с повышенной цветностью ПО>0,5БО, в эвтрофирующих-ся водохранилищах обычно ПО<0,5БО. Основная масса образующихся в водохранилищах растворенных органических веществ (РОВ) - прижизненные и посмертные выделения водных организмов, в том числе и фитопланктона. Низкомолекулярные фракции РОВ потребляются всей биотой, за счет чего обеспечивается жизнедеятельность фитопланктона в лишенном света трофолитическом слое. Высокомолекулярные фракции РОВ предварительно гидроли-зуются планктонными и перифитонными бактериями, деятельность которых подавляется выделяемыми синезелеными водорослями веществами [207]. Это затрудняет питание и развитие наннофито-планктона, увеличивает концентрацию этих фракций РОВ в водной массе и повышение величины БО в «цветущих» водохранилищах.

Загрязнение водохранилищ. По данным государственного учёта использования вод [53], в водные объекты России в 1995 г. сброшено 26,8 км загрязненных сточных вод, 24% которых составляли неочищенные стоки, 67% - недостаточно очищенные и только 9% - нормативно-очищенные. Среди последних 1,8 км3 прошли биологическую очистку, 0,5 км3 - механическую и 0,05 км3 - физико-химическую. Наибольшему загрязнению подвергаются водные массы рек и небольших водохранилищ, находящихся в пределах городов (Воронежское водохранилище, Перервинское в Москве и др.), и крупные водохранилища с большими прибрежными городами в промышленно развитых регионах России. Особенно велика нагрузка сточных вод на водохранилища ВКК. В Волгу и ее притоки в 1995 г. со сточными водами поступило около 80% массы соединений железа и меди, около 50% - цинка, нефтепродуктов, синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), нитратов, аммонийного азота и общего фосфора, около 30% взвешенных веществ, сульфатов, фенолов и ОВ суммарной массы перечисленных веществ, сброшенных в этом году во все водные объекты России [53]. Годовой сток Волги составляет в среднем всего 6% суммарного стока рек страны. Из сопоставления этих цифр следует, что среди крупных речных систем России Волга испытывает наибольшую химическую нагрузку. Суммарная масса минеральных и органических ЗВ, сброшенных в её экосистему, была равна в 1995 г. около 22 млн. т (>80% массы ЗВ в сточных водах страны) и превышала треть среднегодового стока растворенных веществ, оцениваемого в вершине дельты Волги в 62 млн. т/год [157].

Тем не менее качество воды в волжских водохранилищах заметно ухудшается лишь в пределах сравнительно небольших по площади ареалов акватории, непосредственно прилегающей к местам выпуска сточных вод. На остальной акватории водохранилищ вследствие многократного разбавления сточных вод и интенсифицирующейся эвтрофированием жизнедеятельности водных организмов ЗВ не обнаруживаются современными методами контроля качества воды. О кратности разбавления kd=VKВ/WСВ (здесь V и Кв - объем и коэффициент водообмена водохранилища, Wcq - объем сбрасывемых в него сточных вод) содержащихся в сточных водах ЗВ в водохранилищах можно судить по данным об объеме сточных вод, сбрасываемых десятком крупнейших волжских городов [3]. Из табл. 5.7 видно, что среднесуточный объем сточных вод, приходящийся на одного горожанина, сильно варьирует - от 565 л/сут. в Ульяновске до 1574 - в Нижнем Новгороде при современной норме водопользования 145 л/сут - [177]. Превышение в 4-10 раз этой нормы вызнано добавлением к хозяйственно-бытовым коммунальных сточных вод городского хозяйства и промышленных сточных вод (к сточным водам г. Костромы отнесена и вода Горьковского водохранилища, исполь-зованная для охлаждение агрегатов Костромской ГРЭС). И все же кратность разбавления kd больших объемов сточных вод в каждом из водохранилищ составляет от 50 в самых верховьях каскада до раз в его нижней ступени - в верхнем и нижнем бьефах Волгоградского гидроузла. Даже если рассматривать сточные воды как не-которое абсолютно консервативное вещество, накапливающееся в волжской воде по мере ее продвижения по каскаду, то кратность разбавления kd* такого вещества окажется не менее 50-100 (табл. 5.7).

Таблица 5.7. Объем городских сточных вод в 1989 г. [3] и кратность разбавления kd содержащихся в них загрязняющих веществ водой волжских водохранилищ

Город	N	Wсв	V	Kв	kd	kd*
тыс. жиг	км3/год	л/сут. жит	млн. м3	год-1
Тверь	451	0,204		1239	1120	8,6	47	50
Ярославль	633	0,299		1294	8815	6,0	177	71
Кострома	278	2,482		24460	8815	6,0	21	-
Н. Новгород	1438	0,826		1574	4600	24,3	135	84
Казань	1094	0,276		691	57300	4,2	872	70
Ульяновск	625	0,129		565	57300	4,2	1866	139
Тольятти	631	0,246		1068	12870	19,1	999	124
Самара	1254	0,467		1020	12870	19,1	526	100
Саратов	905	0,239		724	31450	8,0	1053	94
Волгоград	999	0,227		623	31450	8,0	1108	86

Детальными гидроэкологическими исследованиями структуры очагов загрязнения сточными водами городских канализационных систем Твери в Иваньковском и Череповца в Рыбинском водохранилищах [199, 200] показано, что по состоянию планктонного сообщества водных организмов вблизи мест выпуска стоков четко выделяются зона токсикации, а по ее периферии - зона эвтрофирования.

В первой из них наиболее сильно изменяется структура бактсриопланктона, в составе которого доля сапрофиговых и специфических (нефте-, фенолокисляющих, сульфатредупирующих и др.) бактерий возрастает на 2-3 порядка при сравнительно небольшом (в 4-5 раз) увеличении общей численности микрофлоры. В составе фитопланктона, на порядок снижающего в этой зоне скорость продуцирования и размножения из-за интенсивного отмирания клеток, доминируют эвгленовые водоросли - обитатели чрезвычайно грязной воды. В пределах зоны токсикации нарушается и структура зоопланктона Его видовое разнообразие уменьшается втрое вследствие массовой гибели рачков-фильтраторов, вместо которых происходит бурное развитие нескольких специфических видов коловраток, характерных для солоноватых или термальных вод и биоценозов рисовых плантаций. Угнетение планктоноценоза и преобразование его видовой структуры - наиболее яркие и репрезентативные (от фр. показатели экологически негативного воздействия сточных вод, содержащих повышенные концентрации хлоридов, сульфатов, минеральных и органических форм азота и фосфора, взвешенных веществ, фенолов, нефтепродуктов, детергентов, тяжелых металлов и очень многих других неконтролируемых техногенных микропримесей. В этой зоне благодаря первоначальному разбавлению сточных вод водной массой водохранилища и бурному самоочищению пораженного участка экосистемы в ходе биохимическиого окисления (падение здесь содержания кислорода в воде пропорционально значениям в ней БПК), биоседиментации (в том числе и с гибнущими беспозвоночными) и соосаждения со взвесью окислов тяжелых металлов и других ЗВ происходит доочистка сточных вод, регенерация из разлагающихся ОВ минеральных биогенных веществ.

На их базе в периферийной, в несколько раз более обширной зоне эвтрофирования (табл. 5.8), где еще сильнее возрастает кратность разбавления исходной массы ЗВ, происходит восстановление свойственной не загрязняемым (фоновым) водным массам водохранилища структуры планктоноценоза. Оно сопровождалось увеличением общего числа бактерий благодаря развитию вновь доминирующих здесь олигокарбофильных микроорганизмов при исчезновении специфических форм бактерий и резкой интенсификацией фотосинтеза Его трофическая стимуляция в уже достаточно осветленной в этой зоне воде (ее прозрачность в 3-4 раза больше, чем в зоне токсикации) ведет к двукратному росту первичной продукции по сравнению с фоновым ее значением, к увеличению видового разнообразия и биомассы зоопланктона.

Таблица 5.8. Размеры зон нарушения благополучия водных экоси-стем при загрязнении водохранилищ [I99], (в скобках % всей области воздействия сточных вод)

Параметры зон	Иваньковское у Твери, WСВ = 140 млн. м3/год, KВ=8,6	Рыбинское у Череповца, WCB = 144 млн. м3 /год, KВ=1,4
зона токсикации	зона эвтрофирования	зона токсикации	зона эвтрофирования
Длина, км	25%)	50%)	10 (25%)	20%)
Площадь, км2	15 (15%)	70-%)	15 (8%)	150-%)
Объем, км3	0,1 (24%)	0,%)	0,%)	0,%)

Благодаря интенсификации жизнедеятельности всего планктонного сообщества водных организмов в зоне эвтрофирования практически завершается процесс самоочищения воды от техногенных примесей, концентрация которых снижается здесь до фоновых значений.

Размеры обеих зон нарушения экологического состояния в Иваньковском и Рыбинском водохранилищах в период наблюдений менялись в зависимости от изменения гидрометеорологических условии. Весной при повышенном водообмене зоны растягивались, летом при снижении проточности, наибольшем прогреве воды и развитии планктона их размеры сильно сокращались, а по мере осеннего выхолаживания и ослабления биохимической активности биоты снова увеличивались. Тем не менее сопоставление осредненных за вегетационный сезон размеров этих зон (табл. 5.8) показывает, что при практически одинаковой величине объема сточных вод и сходном числе жителей в Твери и Череповце (табл. 1.11) в более проточном Иваньковском водохранилище локализация загрязненной зоны выражена заметно слабее, чем в Шекснинском плесе Рыбинского. При этом в первом из этих водоемов угнетение планктоноценоза распро-странялось на большую глубину [199].

В особенно маловодные годы с жаркой погодой и меньшей проточностью водохранилища зона токсикации еще более локализуется, продукционные процессы в ней сильнее угнетены, а деструкционные — интенсифицированы, вследствие чего ухудшение качества воды в этой зоне может достигнуть экологически опасного уровня [200]. Он возникает и при крупных авариях на очистных сооружениях, когда в водоём сразу стекает особенно большая масса ЗВ, что многократно увеличивает размеры зоны токсикации. Тем не менее, как показал анализ экологических последствий подобной крупной аварии в Череповце в 1988 г., Рыбинское водохранилище предотвратило распространение зоны токсикации вниз по Волге, которое в условиях естественного меженного режима реки неминуемо привело бы к катастрофическим экологическим последствиям.

Наблюдения, проведенные в Ярославле [259], позволяют представить специфику внутрисуточного изменения зоны токсикации в водохранилищах каскада крупных ГЭС, для которых характерны области неустановившегося гидродинамического режима в подпёртых нижних бьефах гидроузлов. Индикатором смешения сильно загрязненной промышленными стоками водной массы Которосли с волжской водной массой служила электропроводность воды, значения которой в последней были вдвое ниже (менее 140 мкСм/см). В утренние или вечерние часы на подъеме волны попуска Рыбинской ГЭС волжская вода создавала подпор в устье Которосли и заходила в него из русла Волги. Эго приводило к накоплению сильно загрязнённых вод этой реки на предустьевом участке, а по окончании попуска с понижением уровня в узле слияния начиналось вторжение накопившегося объема загрязненных вод из Которосли в волжское русло. В выходные дни, когда не было гидроэнергетических попусков, и возникало в волжском русле противотечение, отмечено распространение воды с повышенными значениями электропроводности воды во всем поперечном сечении волжского русла в направлении с. Фрольцова, расположенного на волжском берегу в 5 км выше устья Которосли, в районе водозаборов Ярославского водопровода. Аналогичное экологически опасное явление имеет место и в Саратовском водохранилище у Самары.

Исследования Выгозерского водохранилища [101] показали, что в зимний период в районе сброса подогретых загрязненных вод вблизи края полыньи, где температура воды около 4°С, возникает техногенный термобар. Это - узкая у водной поверхности зона смешения чистых и загрязненных вод, где происходит погружение их более плотной смеси на дно и формирование придонного плотностного течения, приводящего к накоплению частично разбавленных сточных вод в западинах донного рельефа. Этим явлением в слабопроточных водохранилищах зона токсикации локализуется в пределах полыньи, размеры которой варьируют в зависимости от колебаний температуры сточных вод и воздуха. В то же время ее придонный ареал с лишь трёхкратно разбавленными сточными водами (табл. 5.9) растет в течение всего полугодового периода ледостава и исчезает в результате полной весенней конвективной циркуляции вод. После завершения ввода в эксплуатацию станции биологической очистки стоков ЦБК (95 млн м3/год) в 1982 г. зона токсикации в вегетационный сезон превратилась в зону эвтрофирования, в которой вместо сапрофитной микрофлоры, оседающей на дно, активно развивается олигокарбо-фильная, разлагающая трудно окисляющиеся лигнин, клетчатку. Её биомасса стала одного порядка с биомассой фитопланктона, возросшей в 6 раз по сравнению с фоновой вследствие увеличившегося числа видов эвгленновых и некоторых видов диатомовых водорослей - индикаторов эвтрофирования, отмечались здесь и вспышки «цветения» синезеленых. Биомасса и численность зоопланктона в этой зоне в 5-6 раз больше фоновых значений. В результате гидрохимический режим в северном плесе Выгозерского водохранилища стабилизировался благодаря уменьшению в его водной массе органических и токсических веществ и улучшению кислородного режима [101].

Таблица 5.9. Состав вод в Выгозерском водохранилище в области воздействия сточных вод Сегежского ЦБК [101]

Водная масса	Σи, мг/л	О2 % нас.	БО, мгО/л	TP, мкг/л	Взвеси, мг/л	БПК5, мгО2/л
Основная	32	85	20	18	0,5	1,1
Сточные воды	510	-	310	1500	38	25
Придонная	190	3	113	424	7,0	25

Таким образом, очаги загрязнения водохранилищ сточными водами как правило, достаточно локализованы благодаря совокупности различных процессов самоочищения воды, особенно интенсивных в водоемах замедленного водообмена. Тем не менее, хотя область непосредственного воздействия сточных вод на экосистему относительно невелика и в Выгозерском водохранилище и в Рыбинском (3-4% площади акватории), а в Иваньковском - 27-35%, в фоновых районах водохранилищ обнаруживается многолетний тренд гидроэкологических характеристик состояния биоценозов. Он отражает прогрессирующее эвтрофирование экосистем, проявляющееся в первую очередь в структурных и количественных изменениях планктона [199]. Следовательно, несмотря на сильнейшую активизацию разнообразных природных механизмов самоочищения воды, по-разному проявляющихся в зоне токсикации и зоне максимального эвтрофирования, в водоёме все же накапливаются антропогенные вещества, ведущие к нарастающему эвтрофированию всего объема основной водной массы загрязняемого водохранилища. Но именно благодаря всему комплексу преимущественно биологических процессов самоочищения вода в водохранилищах за пределами зон воздействия сточных вод имеет пока вполне удовлетворительные питьевые качества.