Режим растворенных и взвешенных веществ (стр. 4 )

ПДК.

Для комплексной оценки качества воды в этих реках в маловодье при современной химической нагрузке использованы индекс загрязнённости вод (ИЗВ) и классификация вод в водных объектах по величине этого индекса [155]: I класс - очень чистая вода, II - чистая, III - умеренно загрязненная, IV - загрязненная, V - грязная, VI - очень грязная и VII - чрезвычайно грязная.

Еще зимой 1939 и 1940 гг. гидрохимиками были зафиксированы заморы в р. Волге на участке от устья Оки до Саратова, а более детальными наблюдениями зимой гг. у Казани и Волгограда наблюдалось снижение содержания кислорода в волжской воде до 4,3-6,8 мг/л (до 30% насыщения) и 6,2-7,3 мг/л соответственно [92]. Учитывая это и результаты расчета минимальных из возможных величин БПКполн. (табл. 5.11), можно утверждать, что при современной химической нагрузке, не будь на Волге и Каме гидроэнергетического каскада водохранилищ, вода в обеих реках (за исключением их верховьев) в суровые зимы была бы полностью лишена кислорода. Из-за обилия антропогенных ОВ, трансформирующихся бактериями в анаэробных условиях, она имела бы сильный неприятный запах и была бы солоновата на вкус (ее минерализация превышала бы 1,2-1,8 г/л). Иными словами, обе реки несли бы зимой чрезвычайно грязную воду, самоочищение которой было бы минимальным вследствие угнетения, а местами и отравления водной фауны, включая и рыбное население.

В летнюю межень на этих реках увеличился бы внутрисуточный размах колебания в воде содержания O2 вследствие еще большего, чем до создания водохранилищ, «цветения» речной воды. Определяющая роль фотосинтеза и дыхания фитопланктона в режиме O2 на загрязненных участках Оки отмечена и [176], где они наблюдали колебания от 6 до 15 мг O2/л (т. е. до 174% насыщения). Вода в створе Ока-Горбатов по среднегодовым значениям зарегистрированных гидрометслужбой параметров качества воды в 1992 г. отнесена (устное сообщение) к IV классу ИЗВ и в 1995 г. - к III классу. Следовательно, приведенные в табл. 5.11 оценки класса ИЗВ окской воды для условий маловодного года, достаточно реальны.

Судя по значениям ИЗВ (табл. 5.11), в низкую летнюю межень речная вода в Волге и Каме была бы в конце 80-х годов грязной. Благодаря снижению ее загрязнения промышленными сточными водами к 1995 г. степень загрязненности уменьшилась бы до III класса на Каме и до IV (загрязненная вода) - на Волге, хотя их «цветение» летом, по-видимому, сохранилось бы вследствие практически неизменного объема сточных вод жилищно-коммунального хозяйства [53].

Второй расчет ориентирован на оценку самоочищающей способности волжской экосистемы, превращенной в каскад водохранилищ. Наряду с растворенным в воде O2, содержание которого в волжской воде несравненно улучшилось зимой в водохранилищах относительно речных условий, показателем возросшей способности к самоочищению преобразованной водной экосистемы может служить изменение структуры ее фосфорного баланса. Приходными его составляющими служат поступление с территории водосбора массы общего фосфора (TP) со стоком с природных ландшафтов, сельскохозяйственных угодий (пашен, ферм и т. п.) и со стоком с урбанизированных территорий, т. е. из рассредоточенных источников (МТРр), и сброс со сточными водами городских канализационных систем (МТРкс), а расходными составляющими - сток в волжскую дельту (Мтрс) и захоронение в донных отложениях (МТРд) благодаря биоседиментации, аккумуляции макрофитами, сорбции и соосаждению со взвесью, и другим внутриводоемным процессам. Попробуем ориентировочно оценить порядок величин этих составляющих, используя данные о средней многолетней концентрации TP в волжской воде у Астрахани, приведенные в [4] для двух многолетних периодов - естественного стока и в самом начале сооружения ВКК ( гг.) и после его завершения ( гг.).

Для того чтобы представить масштабы роста антропогенной фосфорной нагрузки на волжскую экосистему в последние 50 лет, использованы данные о населении волжских городов (табл. 1.11), Москвы и других наиболее крупных городов в бассейнах Оки и Камы в 1939 и 1992 гг. и статистическая зависимость [265]:

МТРкс = 3,3N0,9,

где МТРкс - сброс фосфора с городскими канализационными стоками вводный объект, т TP/год, N - население, тыс. жит. Расчеты показали что этот вид фосфорной нагрузки увеличился примерно втрое (табл. 5.12).

Поскольку численность населения в волжском бассейне в 1979 г. была на 13% меньше, чем в 1992 г. (табл. 1.11), рассчитанное для всей Волги значение Мтркс в приходной части фосфорного баланса за второй расчетный период уменьшено до 36,8 тыс. т/год (табл. 5.13). Средняя годовая концентрация TP в р. Волге у Астрахани в гг. составляла 0,129 мг/л, средний сток Волги в замывшем ее бассейн створе с. Верхне-Лебяжье [121] - 230,5 км3/год, а среднее значение массы фосфора МТРс в волжском стоке, следовательно, было равно 29,7 тыс. т TP/год; в гг. - 0,138 мг/л, 227,1 км3/год и 31,1 тыс. т TP/год соответственно. Пренебрегая для многолетнего периода возможным обменом фосфором между водной и наземной экосистемами в многоводные половодья при затоплении 1 раз в 3-4 года поймы, по разности составляющих баланса находим величину Мтрр=16,0 тыс. т/год (вариант 1 в табл. 5.13). Для этого первого расчетного периода не учитывается и накопление TP в донных отложениях поочередно заполнявшихся тогда водой Иваньковского, Угличского и Рыбинского водохранилищ (уровень воды в нем был поднят до НПУ только в 1948 г.), поскольку, учитывая данные табл.5.4, суммарная ежегодная величина аккумуляция TP в отложениях этих водохранилищ, средняя для этого периода, не могла превышать 0,5-1 тыс. т ТР/год.

Таблица 5.12. Оценка нагрузки фосфора городских сточных вод на волжскую экосистему (тыс. т TP/год) (kLTP - кратность роста фосфорной нагрузки за 53 года)

Водный объект	1939 г.	1992 г.	kLTP
Верхняя Волга	1,5	4,5	3,0
Ока	6,7	15,2	2,3
Средняя Волга	10,1	33,9	3,3
Кама	1,3	4,7	3,6
Нижняя Волга	13,7	42,3	3,1

По оценке [86], в Волгу выше створа Угличского гидроузла в гг. городские сточные воды вносили 26% формирующейся на водосборе массы TP, а аграрный вклад в сток TP составлял 33% Если принять такую структуру приходной части фосфорного баланса для всей волжской экосистемы, получаем иные значения его составляющих (вариант 2 в табл. 5.13). Этот вариант структуры баланса, по-видимому, более реален, чем первый, так как при общей численности населения крупных городов в бассейне Волги, равной в 1939 г. 9,3 млн. жит., 7,7 тыс. т TP соответствуют среднесуточной дозе поступления фосфора в городские сточные воды, равной 2,3 г ТР/сут на одного горожанина. Это значение в 1,5 раза больше нормы потребления фосфора человеком в те годы, когда еще в России не применялись фосфорсодержащие добавки к продуктам питания и моющим средствам. В 80-е годы, по данным за которые получена расчетная зависимость Мтркс(N), эта доза удвоилась [265].

Таблица 5.13. Изменение структуры баланса фосфора в волжской экосистеме (тыс. т TP/год), рассчитанного в двух вариантах

Составляющие баланса	гг.	гг.	1995 г.
1	2	1	2
Городские сточные воды (МТРкс)	13,7	7,7	36,8	36,8	18,0
Рассредоточенные источники (МТРр)	16,0	22,0	16,0	22,0	22,0
Сток в волжскую дельту (МТРс)	29,7	29,7	31,1	31,1	33,5
Накопление в донных отложениях(МТРд)	-	-	21,7	27,7	6,5

Для второго расчетного периода в обоих вариантах приняты такие же значения прихода TP в экосистему из рассредоточенных источников, что и для первого расчетного периода, хотя в действительности они, вероятно, возросли вследствие реализации программы химизации всей страны, провозглашенной в 60-е годы. Значения вероятной величины захоронения TP в донных отложениях вычислены как остаточный член фосфорного баланса волжской экосистемы. В структype фосфорного баланса 1995 г. масса TP, сброшенная в нее со сточными водами, принята по статистическим данным [53], а величина его стока в дельту рассчитана по той же средней концентрации TP, что и в предшествующий многолетний период, и по средней многолетней величине водного стока Волги, равной 243 км3/год [121].

В том и другом варианте структуры фосфорного баланса за второй расчетный период величина удержания фосфора

RТР=MТРд/(MTРкс+MТРр)

водохранилищами ВКК приблизительно одинакова (41% и 47%) и достаточно реальна, хотя возможно и завышена, но не более, чем на 5-10%. Это подтверждается сравнением полученной оценки RТР для всего каскада со средними многолетними значениями RТР для отдельных его ступеней: в наименее проточных Рыбинском водохра-нилище - 48%, Куйбышевском - 34%, Камском - 41% и Боткинском -32%, в более проточных Волгоградском - 20%, Саратовском - 5% и Горьковском - 3% [76]. В случае занижения в приходной части фосфорного баланса составляющей MТРр, полученная оценка само-очищения от антропогенного фосфора преобразованной плотинами волжской экосистемы соответственно должна быть увеличена.

Структура фосфорного баланса 1995 г. представляется наименее реальной по следующим причинам:

•  в статистических данных, по-видимому, не полностью учтены сбросы сточных вод городских канализационных систем. Опубликованные в [53] значения массы TP, поступившей в поверхностные водные объекты бассейнов Оки и Волги, соотнесенные с населением крупных городов, дают величину среднесуточной дозы на 1 жителя 1,9 и 1,8 г Р/сут, что соответствует только физиологической норме выделения фосфора человеческим организмом. В то же время в сточных водах всегда присутствует фосфор в составе пищевых отбросов, синтетических моющих средств, отходов пищевой промышленности и т. п. Это приблизительно удваивает концентрацию TP в сточной воде по сравнению с дозой антропогенного фосфора в узком, сугубо физиологическом смысле этого термина. Приводимое в [53] значение сброса массы TP в бассейне Камы более реалистично и соответствует среднесуточной дозе 3,7 г Р/сут. на одного горожанина;

•  значение RТР при рассчитанной по балансу величине его захоронения в донных отложениях получается для 1992 г. равным 16%, в 2-3 раза меньшей, чем среднемноголетнее значение в предшествующий период. По-видимому, это возможно в исключительно многоводный год.

Таким образом, по представленным результатам многовариантных расчетов видно, что возникшие в результате превращения Волги в водохранилища ВКК громадные биологические ресурсы поглощают. перерабатывают и осаждают приблизительно 75% фосфора, сбрасываемого продолжающими расти городами, в которых идет развитие сетей водопроводно-канализационного хозяйства. Именно в этом состоит главная причина постепенного эвтрофирования водохранилищ ВКК, отмечаемого по изменению видового состава и нарастанию биомассы гидробионтов. Следствием этого процесса становится повышение самоочищающей способности воды в экосистемах большинства водохранилищ, находящихся пока в стадии мезотрофно-эвтрофного состояния, что и служит защитой от антропогенной химической нагрузки наиболее биологически продуктивной в бассейне Волги дельтовой экосистемы.

Взяв за основу второй вариант приходной части фосфорного баланса (табл. 5.13), по изложенной в начале этого раздела книги методике расчета современной химической нагрузки Волги получаем для сценария ее естественного водного режима (при отсутствии водохранилищ ВКК) в летнюю межень маловодного года минимальные концентрации TP в речной воде при расходах QЛ и QГ соответственно 0,490 и 0,176 мг ТР/л, которые в 3,5 и 1,3 раза больше среднегодовой его современной концентрации у г. Астрахани (0,138 мг/год, [4]). При такой концентрации TP «цветение» воды на Средней и Нижней Волге в низкую летнюю межень достигало бы максимально возможного по условиям освещенности водной толщи. Об этом можно судить по тому, что наблюдавшаяся в Волге у Чебоксар в августе 1957 г. биомасса фитопланктона составляла более 18 мг/л [55] при содержании ТP в воде всего около 0,075 мг/л [86]. Вспышки летнего «цветения» волжской воды могло не произойти лишь от того, что развитие фитопланктона оказалось бы подавлено другими ЗВ. Это возможно в чрезвычайно грязных речных водах, практически утрачивающих способность восстановления нормального кислородного режима и окисления ЗВ.

Не менее важную роль в сохранении в целом благополучного состояния волжской экосистемы играют процессы самоочищения воды в водохранилищах ВКК от ее загрязнения тяжелыми металлами (ТМ). Если сопоставить накопленные суммарные запасы подвижных форм различных ТМ в твердом скелете минералов и форм ТМ, связанных органическими веществами, в поровом растворе донных отложений только семи из 12 водохранилищ ВКК [3] (причем по крупнейшим из них - Куйбышевскому, Рыбинскому и Волгоградскому такие данные не полные) с приводимыми в той же работе величинами массы ТМ, сбрасываемой со сточными водами в поверхностные водные объекты бассейна Волги, то получается, что водохранилищами аккумулирована 11-летняя доза техногенного никеля и меди, 2-4-летняя доза цинка и хрома. Тем не менее концентрация, например, Cu, Ni, Cr в донных отложениях Рыбинского водохранилища меньше, чем в местных осадочных породах, Pb и Zn - в 3,5 раза больше, главным образом вследствие наблюдавшегося в гг. двух-трехкратного роста их содержания в верхнем (0-2 см) слое ила в зоне загрязнения у Череповца [63].

Не будь водохранилищ, эти тысячи тонн ТМ в биологически доступной форме частично осаждались бы в многоводные половодья на пойме и включались затем в наземный биохимический цикл микро-элементов с прогрессирующим их накоплением в луговых травах, молоке и мясе скота. Остальная часть стока ТМ в меженные периоды поступала бы в водные объекты волжской дельты и ее мелководное приустьевое взморье с концентрацией, превышающей ПДК в маловодные фазы стока (табл. 5.11). При столь низком качестве воды, которое было бы в настоящее время в незарегулированной Волге, трудно представить саму возможность существования в ней осетровых рыб, их захода на нерест, нереста (в особенности проходных осетровых озимой расы, зимующих в реке перед нерестом) и благополучного ската сеголетков в летнюю межень в дельту Волги. Вполне вероятно, что и сама дельта, не будь водохранилищ ВКК, утратила бы к настоящему времени рыбохозяйственное значение - крупнейшего в мире ареала нагула осетровых рыб - вследствие, если не токсикоза техногенными ТМ и другими ядовитыми веществами, то прогрессирующего эвтрофирования водных объектов дельтовой области из-за чрезмерной нагрузки волжской экосистемы антропогенными биогенными веществами.