Стольберг Ф.В. Экология города (урбоэкология)

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 3. Водная среда города

111

воды, стекающей с поверхностным стоком в водный объект с единицы пло-

щади в единицу времени, к количеству попавших на единицу площади в

единицу времени осадков и поливомоечных вод. Величина коэффициента

стока для поливомоечных сточных вод принимается равной vj/ = 0,6. Для

дождевых и Снеговых сточных вод эта величина зависит от характеристик

поверхности водосборной территории. Значения коэффициентов стока для

основных типов поверхности приведены в табл. 3.12.

Рис. 3.17. Потери атмосферных осадков и поливомоечных вод

в процессе формирования поверхностного стока

Таблица 3.12. Значения коэффициентов стока

Вид водосборной поверхности

Величина коэффициента стока

Вид водосборной поверхности

дождевой сток

снеговой сток

Застроенные территории 0,6

0,6

Незастроенные территории 0,3

0,6

Парки, гравийные покрытия 0,3

0,6

Водонепроницаемые поверхности 0,6 - 0,8

0,91 - 0,95

Грунтовые поверхности 0,2

0,6

Газоны, зеленые насаждения

0,1

0,2

Значение коэффициента стока для водосборного бассейна рассчитывает-

ся как средневзвешенное для всей площади по формуле:

V=I a, V, ,

где <*.— весовые коэффициенты, равные по величине отношению площади,

занимаемой данным видом покрытия, к общей водосборной площади; / —

коэффициенты стока для разных видов покрытий.

112

Экология города

При ориентировочных расчетах количества поверхностного стока с тер-

ритории небольших городов или поселков величина коэффициента стока

для дождевых и снеговых вод может приниматься в пределах 0,3—0,4 и

0,5—0,7 соответственно.

Объем дождевых или снеговых вод за год рассчитывается по формуле:

W= 10 -у/ • F- Н, м

/год,

где у/ — коэффициент стока дождевых или снеговых вод; F — площадь водо-

сборной территории, га; Н — слой осадков за теплый или холодный период

года соответственно, мм.

Объем поливомоечных сточных вод определяется по формуле:

W = 10 • т • k ' F

• if/, м

/год,

где т — расход воды на мойку единицы площади, л/м

; к — количество моек

в году; F

— площадь обрабатываемых покрытий, га; у — коэффициент стока

поливомоечных сточных вод.

Значения всех параметров, входящих в эту формулу, определяются в со-

ответствии со следующими нормативами:

• на мойку 1 м

площади расходуется от 1,2 до 1,5 литров воды;

• количество моек для условий города составляет от 50 до 150 за год;

• площадь покрытий, нуждающихся в мойке, составляет 20% от всей тер-

ритории города;

• коэффициент стока поливомоечных сточных вод принимается равным 0,6.

Если на водосборной территории расположены большие парки или учас-

тки лесных массивов, проявляется эффект задержания части атмосферных

осадков растительным покровом. В этом случае объем поверхностного стока

уменьшается. Расчет количества задержанных атмосферных осадков произ-

водится по абсолютным нормам задержания, приведенным в табл. 3.13.

Таблица 3.13. Абсолютные нормы задержания атмосферных осадков

древесной растительностью

Вид

Слой задержанных атмосферных осадков Нз,

мм

растительности

Месяцы

1 2

4 5

10 11 12

за год

Хвойный лес

10 10

20 25 22 17 16 12 10

189

Лиственный лес

1 1 1 4

10 11 14 12 8

Слой выпавших атмосферньГх осадков корректируется на величину за-

держанных осадков с учетом соотношения площадей, занятых различными

видами деревьев, и всей водосборной площади. Объем дождевых или снего-

вых сточных вод определяется в этом случае по формуле:

Раздел 3. Водная среда города 113

W= 10 ' у • F' (Н — Н

), м

/год,

где у/ — коэффициент стока; F — водосборная площадь, га; Я и Н

— слои

выпавших и задержанных осадков соответственно, мм.

Общий оЗъем поверхностного стока с водосборной территории за год

определяется как сумма составляющих:

\у= \у + \у + W

" " Д " С " ПМ '

где WJJ, W

и ]V

— объемы дождевых, снеговых и поливомоечных сточных

вод соответственно.

Суммарное значение годового выноса веществ с поверхностным стоком

рассчитывается как

G— W - С Л-W - С Л-W •С

и уу

д ^д

уу

с ^с

уу

пм ^пм '

где С

, С

и С

пм

— концентрации веществ в дождевых, снеговых и поливомо-

ечных сточных водах соответственно, г/м

3.7. Процессы формирования качества

поверхностных вод

Качество воды является следствием двух основных процессов — по-

ступления веществ из внешних по отношению к данному водному объекту

источников и внутриводоемных изменений, происходящих с веществами

вследствие функционирования водных экосистем. Поскольку экосистема

— это единый природный комплекс, образованный живыми организмами

и средой их обитания, живые и косные его компоненты связаны обменом

вещества и энергии. Таким образом, в водной экосистеме совместно

функционируют биотическое сообщество и неживая природа, причем не-

живая природа является источником веществ и энергии, необходимых для

существования биоты. Попадая в водный объект, вещества становятся эле-

ментами водных экосистем и включаются в основные процессы, происхо-

дящие в них. Прежде всего, это процессы трансформации вещества. Транс-

формация вещества может осуществляться физическим, химическим и био-

логическим путем. Поступающие в водные объекты вещества вносят изме-

нения в их газовый и солевой режимы, что может привести к нарушению

равновесия экосистем. В результате процессов трансформации поступив-

ших веществ в водном объекте может происходить восстановление его пер-

воначального состояния или осуществляться переход в другое устойчивое

состояние. Процессы, в результате которых восстанавливается фоновое

состояние водного объекта, называются процессами самоочищения. Само-

очищение — это первый из процессов, формирующих качество воды в

водном объекте. Основным поставщиком вещества и энергии является

водная масса. Вторым процессом, влияющим на формирование качества

воды, является перенос вещества и энергии водным потоком. В силу прису-

щих водному потоку физических особенностей в нем происходит непре-

114 Экология города

рывное перераспределение вещества и энергии, обусловленное процесса-

ми перемешивания. Процесс формирования качества воды в водном объек-

те можно представить следующим образом:

1) растворенные и взвешенные вещества поступают в водный объект из

сосредоточенных или диффузных источников;

2) под влиянием гидравлических факторов (перенос и перемешивание)

происходит количественное перераспределение веществ в водном потоке;

3) под влиянием физических, химических и биологических факторов про-

исходит качественная трансформация веществ.

Отметим, что способность подвергаться качественному изменению при-

суща не всем веществам. Вещества, которые не подвержены процессам хими-

ко-биологической трансформации, получили наименование консервативных,

а противоположные им по свойствам вещества называют неконсервативными.

Количественной характеристикой способности веществ подвергаться хими-

ко-биологической трансформации является коэффициент неконсервативно-

сти (к), который, по определению, является величиной, пропорциональной

скорости изменения концентрации вещества. В зависимости от его величины

все неконсервативные вещества делятся на легко окисляемые биологически

мягкие вещества (£>0,13 1/сут.), трудно окисляемые биологически жесткие

вещества (£<0,025 1/сут.) и промежуточные вещества (0,025<£<0,13 1/сут.).

Величина коэффициента неконсервативности зависит от свойств вещества,

гидродинамических характеристик потока и условий внешней среды.

3.7.1. Гидравлические процессы формирования

качества воды

Вода является той физической средой, в которой водная экосистема осу-

ществляет круговорот вещества и энергии. Кроме того, для консервативных

веществ гидравлические процессы являются единственными из внутриводо-

емных, влияющими на их концентрацию.

При расчете переноса веществ и тепла потоками природных вод обычно

исходят из представления о пассивности примеси, то есть предполагают, что

наличие примеси не оказывает влияния на движение воды и интенсивность

перемешивания. Характер переноса вещества потоком зависит от вида дви-

жения жидкости, который в свою очередь определяется типом водного объекта

и его гидравлическими характеристиками. В водотоках существенную роль в

формировании качества воды играет конвективный перенос. Для водоемов

этот процесс характерен только при наличии ярко выраженных стоковых те-

чений (водохранилища, проточные озера). В этом случае ход внутриводоем-

ных процессов во многом определяется степенью проточности водоема. Ко-

личественной характеристикой степени проточности является время водооб-

мена, т.е. период, за который происходит полная замена воды водоема водами

притоков. Чаще всего в инженерной практике используется понятие услов-

ного времени водообмена:

Раздел 3. Водная среда города

115

Т — — '

уел Q

где W— объем водоема, м

; Q

— расход вытекающей из водоема воды, м

/год.

Условное %ремя водообмена определяет период водообмена при отсут-

ствии смешения вод притоков с водой водоема. В реальных условиях в про-

точных водоемах происходит не только вытеснение воды, но и частичное

(или полное) перемешивание вод притоков с водой водоемов, поэтому реаль-

ное время водообмена больше, чем условное.

Реальные водотоки являются безнапорными турбулентными потоками,

движение воды в которых в установившихся условиях имеет неравномерный

характер. Это объясняется непризматическим характером русл реальных во-

дотоков. Однако расчетные зависимости для неравномерных потоков доста-

точно сложны и неудобны в практическом использовании. Поэтому в инже-

нерно-экологических расчетах принимают, что на отдельных участках водо-

токов движение воды имеет равномерный характер. При этом участок

естественного неправильного русла заменяют каким-либо призматическим, а

уклон дна принимают равным уклону свободной поверхности или осреднен-

ному уклону дна реального русла. В этом случае для переноса вещества пото-

ком могут быть использованы достаточно простые методы на основе уравне-

ния неразрывности и формулы Шези.

Более сложной задачей является учет эффекта турбулентности. Отличи-

тельной чертой турбулентного режима течений является пульсация скорос-

тей, то есть непрерывное их изменение в каждой точке потока по величине и

направлению. Основными источниками возникновения турбулентности яв-

ляются зоны разрыва скоростей, то есть такие области, где наблюдается рез-

кий скачок скоростей между прилегающими слоями жидкости. Пульсацион-

ное движение обусловливает обмен между соседними слоями жидкости. Этот

процесс получил название турбулентного перемешивания. Турбулентное пе-

ремешивание всегда направлено на выравнивание концентраций или темпе-

ратур. Поскольку этот процесс по своему результату аналогичен процессу

молекулярной диффузии, то турбулентное перемешивание называют также

турбулентной диффузией. От молекулярной диффузии этот процесс отлича-

ется природой (источник молекулярной диффузии — тепловое движение мо-

лекул, а турбулентной — пульсации скоростей) и масштабом (масштаб моле-

кулярной диффузии порядка 10"

м, а турбулентной — порядка сантиметров).

Количественные закономерности переноса вещества турбулентным потоком

описываются с помощью полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии:

где С — концентрация вещества, г/м

; v., v, v

— проекции средней скорости

на оси координат, м/с; D

, D

, Д — значения коэффициентов турбулентной

диффузии, м

/с; х — координата, направленная вдоль оси потока; у — коор-

дината, направленная поперек потока; z — координата, направленная от дна

к поверхности.

116 Экология города

Приведенное уравнение описывает закономерности турбулентного пере-

носа вещества при неустановившемся режиме течения для любых типов вод-

ных объектов. Использование этого уравнения для конкретных типов водных

объектов обычно сопровождается его упрощением за счет отбрасывания ма-

лозначащих членов. Например, для нешироких водотоков уравнение турбу-

лентной диффузии сводится к виду:

дС _

С дС

dt ~

дх* ~

дх '

Это уравнение получило название уравнения продольной дисперсии, а

входящий в него коэффициент D называют коэффициентом продольной

дисперсии. Его величина определяется на основе экспериментальных дан-

ных или по эмпирическим формулам. Концентрация С и скорость v интер-

претируются как средние по живому сечению потока значения.

Турбулентная диффузия приводит к перемешиванию загрязненных струй

жидкости со смежными, более чистыми. Результатом этого процесса являет-

ся разбавление сточных вод основным потоком. Разбавление действует оди-

наково как на консервативные, так и на неконсервативные вещества. Интен-

сивность и характер перемешивания сточных вод с водой водных объектов

зависит от гидравлических характеристик водного объекта, количества и спо-

соба поступления сточных вод. Способ поступления сточных вод определяет-

ся типом выпуска.

Наименее эффективными с точки зрения разбавления являются берего-

вые выпуски. Более эффективны русловые выпуски. Они представляют со-

бой трубопроводы, выводимые непосредственно в русло в местах наиболее

интенсивного течения. Трубопровод оканчивается одним или несколькими

оголовками. Наиболее эффективным типом руслового выпуска является рас-

сеивающий выпуск. Он представляет собой трубу-распределитель, имеющую

несколько оголовков, расположенных вдоль трубы.

Для количественной оценки процесса разбавления используют различ-

ные методы. К числу наиболее употребляемых относятся метод Фролова-

Родзиллера — для водотоков, метод Руффеля — для водоемов и метод Кара-

ушева, имеющий универсальный характер.

Метод Фролова-Родзиллера дает возможность определить концентрацию

вещества в максимально загрязненной струе на заданном расстоянии от вы-

пуска сточных вод по формуле:

С — С

с = г+—

max ф П

где С

тах

— концентрация вещества в максимально загрязненной струе, г/м

;

— концентрация вещества в воде выше выпуска сточных вод (фоновая

концентрация), г/м

; С

ст

— концентрация вещества в сточной воде, г/м

; п —

кратность разбавления сточных вод на заданном расстоянии от выпуска.

Раздел 3. Водная среда города

117

Кратность разбавления сточных вод определяется как произведение ос-

новного и начального разбавления:

п — п • п ,

о н '

где п — кратности разбавления, п

— кратность основного разбавления, п

—

кратность начального разбавления.

Кратность основного разбавления определяется по методу Фролова, крат-

ность начального разбавления — по методу Лапшова. Метод Руффеля ис-

пользуется для оценки разбавления сточных вод, сбрасываемых через углуб-

ленные сосредоточенные выпуски в водоемы с преобладающим ветровым те-

чением. Метод Караушева базируется на уравнении турбулентной диффузии.

Он позволяет получить пространственную картину распределения концент-

рации для любых типов водных объектов.

3.7.2. Самоочищение водных объектов

Между компонентами водной экосистемы в процессе ее функцио-

нирования непрерывно происходит обмен веществом и энергией. Этот обмен

носит циклический характер различной степени замкнутости, сопровождаясь

трансформацией вещества под воздействием физических, химических и био-

логических факторов. В ходе трансформации может происходить постепен-

ное разложение сложных веществ до простых, а простые вещества могут син-

тезироваться в сложные. В зависимости от интенсивности внешнего воздей-

ствия на водную экосистему и характера протекания процессов происходит

либо восстановление водной экосистемы до фоновых состояний (самоочи-

щение), либо водная экосистема переходит к другому устойчивому состоя-

нию, которое будет характеризоваться уже иными количественными и каче-

ственными показателями биотических и абиотических компонент. В случае,

если внешнее воздействие превысит саморегулирующие возможности водной

экосистемы, может произойти ее разрушение. Самоочищение водных экосис-

тем является следствием способности к саморегулированию. Поступление

веществ из внешних источников есть воздействие, которому водная экосис-

тема способна противостоять в определенных пределах посредством внутри-

системных механизмов. В экологическом смысле самоочищение является

следствием процессов включения поступивших в водный объект веществ в

биохимические круговороты с участием биоты и факторов неживой природы.

Круговорот любого элемента слагается из двух основных фондов — резервного,

образованного большой массой медленно изменяющихся компонент, и об-

менного (циркуляционного), который характеризуется быстрым обменом

между организмами и средой их обитания. Все биохимические круговороты

можно разделить на два основных типа — с резервным фондом в атмосфере

(например, азот) и с резервным фондом в земной коре (например, фосфор).

Самоочищение природных вод осуществляется благодаря вовлечению

поступающих из внешних источников веществ в непрерывно происходящие

процессы трансформации, в результате которых поступившие вещества воз-

вращаются в свой резервный фонд.

118

Экология города

Трансформация веществ есть результат различных одновременно действу-

ющих процессов, среди которых можно выделить физические, химические и

биологические механизмы. Величина вклада каждого из механизмов зависит

от свойств примеси и особенностей конкретной экосистемы.

Физические механизмы самоочищения. Газообмен на границе раздела "am-

мосфера-вода". Благодаря этому процессу осуществляется поступление в вод-

ный объект веществ, имеющих резервный фонд в атмосфере, и возврат этих

веществ из водного объекта в резервный фонд. Одним из важных частных

случаев газообмена является процесс атмосферной реаэрации, благодаря ко-

торому происходит поступление в водный объект значительной части кисло-

рода. Интенсивность и направление газообмена определяются отклонением

концентрации газа в воде от концентрации насыщения С. Величина концент-

рации насыщения зависит от природы вещества и физических условий в вод-

ном объекте — температуры и давления. При концентрациях, больших С, газ

улетучивается в атмосферу, а при концентрациях, меньших С, газ поглоща-

ется водной массой.

Сорбция — поглощение примесей взвешенными веществами, донными

отложениями и поверхностями тел гидробионтов. Наиболее энергично сор-

бируются коллоидные частицы и органические вещества, находящиеся в не-

диссоциированном молекулярном состоянии. В основе процесса лежит явле-

ние адсорбции. Скорость накопления вещества в единице массы сорбента

пропорциональна его ненасыщенности по данному веществу и концентра-

ции вещества в воде и обратно пропорциональна содержанию вещества в

сорбенте. Примерами нормируемых веществ, подверженных сорбции, явля-

ются тяжелые металлы и СПАВ.

Осаждение и взмучивание. Водные объекты всегда содержат некоторое ко-

личество взвешенных веществ неорганического и органического происхожде-

ния. Осаждение характеризуется способностью взвешенных частиц выпадать

на дно под действием силы тяжести. Процесс перехода частиц из донных отло-

жений во взвешенное состояние называется взмучиванием. Он происходит под

действием вертикальной составляющей скорости турбулентного потока.

Химические механизмы самоочищения. Фотолиз — превращение молекул

вещества под действием поглощаемого ими света. Частными случаями фото-

лиза являются фотохимическая диссоциация — распад частиц на несколько

более простых и фотоионизация — превращение молекул в ионы. Из общего

количества солнечной радиации порядка 1% используется в фотосинтезе, от

5% до 30% отражается водной поверхностью. Основная же часть солнечной

энергии преобразуется в тепло и участвует в фотохимических реакциях. Наи-

более действенной частью солнечного света является ультрафиолетовое излу-

чение. Ультрафиолетовое излучение поглощается в слое воде толщиной по-

рядка 10 см, однако благодаря турбулентному перемешиванию может прони-

кать и в более глубокие слои водных объектов. Количество вещества,

подвергшегося действию фотолиза, зависит от вида вещества и его концент-

рации в воде. Из веществ, поступающих в водные объекты, относительно

быстрому фотохимическому разложению поддаются гумусные вещества.

Раздел 3. Водная среда города

119

Гидролиз — реакция ионного обмена между различными веществами и

водой. Гидролиз является одним из ведущих факторов химического превра-

щения веществ в водных объектах. Количественной характеристикой этого

процесса являемся степень гидролиза, под которой понимают отношение гид-

ролизированной части молекул к общей концентрации соли. Для большин-

ства солей она составляет несколько процентов и повышается с увеличением

разбавления и температуры воды. Гидролизу подвержены и органические ве-

щества. При этом гидролитическое расщепление чаще всего происходит по

связи атома углерода с другими атомами.

Биохимическое самоочищение является следствием трансформации ве-

ществ, осуществляемой гидробионтами. Как правило, биохимические ме-

ханизмы вносят основной вклад в процесс самоочищения и только при

угнетении водных организмов (например, под действием токсикантов) более

существенную роль начинают играть физико-химические процессы. Био-

химическая трансформация веществ происходит в результате их включе-

ния в трофические сети и осуществляется в ходе процессов продукции и

деструкции.

Особенно важную роль играет первичная продукция, так как она опреде-

ляет большинство внутриводоемных процессов. Основным механизмом но-

вообразования органического вещества является фотосинтез. В большинстве

водных экосистем ключевым первичным продуцентом является фитопланк-

тон. В процессе фотосинтеза энергия Солнца непосредственно трансформи-

руется в биомассу. Побочным продуктом этой реакции является свободный

кислород, образованный за счет фотолиза воды. Наряду с фотосинтезом в

растениях идут процессы дыхания с затратой кислорода.

Автотрофная продукция и гетеротрофная деструкция — две важнейшие

стороны преобразования вещества и энергии в водных экосистемах. Харак-

тер и интенсивность продукционно-деструкционных процессов и, следова-

тельно, механизм биохимического самоочищения определяются структурой

конкретной экосистемы. Поэтому они могут существенно различаться в раз-

личных водных объектах. Более того, в пределах одного водного объекта су-

ществуют различные зоны жизни (экологические зоны), отличающиеся со-

обществами населяющих их организмов. Эти отличия обусловлены сменой

условий существования при переходе от поверхности к глубине и от при-

брежных зон к открытым частям.

В водотоках в силу интенсивного перемешивания и небольших глубин

вертикальная зональность не выражена. По живому сечению потока различа-

ют рипаль — прибрежную зону и медиаль — открытую зону, соответствую-

щую стрежню реки. Для рипали характерны невысокие скорости течения,

заросли макрофитов, высокие значения количественного развития гидроби-

онтов. В медиали скорости движения воды выше, количественное развитие

гидробионтов ниже. По продольному профилю различают зоны плесов и зоны

перекатов. В зоне плесов, характеризующихся замедленным течением, насе-

ление количественно богаче, но качественно беднее. Для перекатов характер-

на обратная картина.

120

Экология города

Комплексы экологических условий сказываются на процессах самоочи-

щения в водотоках. Для замедленных течений характерны благоприятные

условия для фотосинтеза, интенсивные процессы трансформации веществ,

процессы осаждения. Для зон с повышенными скоростями характерны ин-

тенсивные процессы перемешивания, газообмена и деструкции веществ.

В водоемах экологическая зональность проявляется отчетливее, чем в

водотоках. В водоемах по горизонтальному профилю выделяют литораль —

зону прибрежных мелководий и пелагиаль (лимническая зона) — зону от-

крытой воды. В глубоких водоемах в водной массе пелагиали по вертикали

выделяют три зоны — эпилимнион, металимнион и гиполимнион. Мета-

лимнион, или термоклин, является зоной, разделяющей эпилимнион и ги-

полимнион. Он характеризуется резким снижением температуры воды

(1 градус на 1 м глубины). Выше металимниона расположен эпилимнион.

Для эпилимниона характерно преобладание продукционных процессов. С

увеличением глубины, по мере снижения фотосинтетически активной ра-

диации (ФАР) происходит уменьшение интенсивности фотосинтеза. Глуби-

на, при которой продукция становится равной деструкции, называется ком-

пенсационным горизонтом. Выше него располагается трофогенная зона, где

преобладают продукционные процессы, а ниже — трофолитическая, где

преобладают процессы дыхания и разложения. Трофогенная зона находится

в эпилимнионе, а трофолитическая, как правило, охватывает металимнион

и гиполимнион.

В придонной зоне водоемов, кроме литорали, выделяют профундаль —

глубоководную часть, примерно совпадающую с частью ложа водоема, запол-

ненной водами гиполимниона.

Таким образом, в водоемах можно выделить зоны с преобладанием фото-

синтетической продукции и зоны, где идут только процессы деструкции ве-

ществ. В гиполимнионе, особенно в зимний и летний периоды, часто на-

блюдаются анаэробные условия, что снижает интенсивность процессов само-

очищения. Напротив, в литорали температурный и кислородный режимы

благоприятны для интенсивного протекания процессов самоочищения.

Эвтрофирование, под которым понимают гиперпродукцию органическо-

го вещества в водном объекте под действием внешних (аллохтонных) и внут-

риводоемных (автохтонных) факторов, является одной из серьезных эколо-

гических проблем, с которой сталкиваются почти все развитые страны. Эвт-

рофированию подвержены практически любые водные объекты, однако

наиболее ярко оно проявляется в водоемах. Эвтрофирование водоемов явля-

ется природным процессом, его развитие оценивается геологическим масш-

табом времени. В результате антропогенного поступления биогенных веществ

в водные объекты произошло резкое ускорение эвтрофирования. Итогом этого

процесса, называемого антропогенным эвтрофированием, Является умень-

шение временного масштаба эвтрофирования от тысяч лет до десятилетий.

Особенно интенсивно процессы эвтрофирования протекают на урбанизиро-

ванных территориях, что сделало их одним из наиболее характерных призна-

ков, присущих городским водным объектам.