Стольберг Ф.В. Экология города (урбоэкология)

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 3. Водная среда города

121

Трофность водного объекта соответствует уровню поступления орга-

нического вещества или уровню его продуцирования в единицу времени и,

таким образом, является выражением совместного действия органического

вещества, образовавшегося при фотосинтезе и поступившего извне. По уров-

ню трофности выделяют два крайних типа водных объектов — олиготроф-

ные и эвтрофные. Основные отличия этих двух типов водных объектов при-

ведены в табл. 3.14.

Таблица 3.14. Характеристики олиготрофного и эвтрофного водоемов

Характеристика

Состояние водоема

Характеристика

олиготрофное

эвтрофное

Физико-химические характеристики

Концентрация растворенного кислорода

в гиполимнионе

Концентрация биогенных элементов

Концентрация взвешенных веществ

Проникновение света

Глубина

Высокая

Низкая

Хорошее

Большая

Низкая

Высокая

Плохое

Небольшая

Биологические характеристики

Продуктивность

Разнообразие видов гидробионтов

Фитопланктон:

биомасса

суточные миграции

цветение

характерные группы

Низкая

Небольшое

Небольшая

Интенсивные

Редкое

Диатомовые,

зеленые водоросли

Высокая

Большое

Большая

Ограниченные

Частое

Зеленые, сине-

зеленые водоросли

Основным механизмом естественного процесса эвтрофирования являет-

ся заиливание водоемов. Антропогенное эвтрофирование происходит вследст-

вие поступления в воду избыточного количества биогенных элементов, как

результат хозяйственной деятельности. Высокое содержание биогенов стиму-

лирует автотрофную гиперпродукцию органического вещества. Результатом

этого процесса является цветение воды вследствие чрезмерного развития аль-

гофлоры. Среди поступающих в воду биогенных элементов наибольшее вли-

яние на процессы эвтрофирования оказывают азот и фосфор, поскольку их

содержание и соотношение регулирует скорость первичного продуцирова-

ния. Остальные биогенные элементы, как правило, содержатся в воде в дос-

таточных количествах и не оказывают влияния на процессы эвтрофирования.

Для озер лимитирующим элементом наиболее часто является фосфор, а для

водотоков — азот.

Отнесение водного объекта к определенному уровню трофности осущест-

вляется по поступлению органического вещества. Поскольку указанный

122

Экология города

параметр на практике контролировать сложно, в качестве индикаторов тро-

фического уровня используют другие характеристики водной экосистемы,

тесно связанные с трофическим состоянием водоема. Эти характеристики

называют индикаторными. Наиболее часто в современной практике в каче-

стве индикаторов используют величины поступления биогенных веществ, кон-

центрации биогенных веществ в водном объекте, скорость истощения кисло-

рода в гиполимнионе, прозрачность воды, биомассу фитопланктона. Фито-

планктон является основным первичным продуцентом в большинстве водных

экосистем. Поэтому экологическое состояние большинства водоемов опре-

деляется фитопланктоном и зависит от ряда физических, химических и био-

логических факторов среды обитания.

Физические факторы эвтрофирования. Освещенность. Зависимость пер-

вичной продукции от освещенности приведена на рис. 3.18. Проникнове-

ние света в толщу воды определяется рядом факторов. Падающий свет

поглощается самой водой и растворенными в ней окрашенными веще-

ствами, рассеивается находящимися в воде взвешенными веществами. Глу-

бина, на которой освещенность составляет 5% от освещенности на поверх-

ности, называется эвфотным горизонтом. Выше эвфотного горизонта распо-

лагается эвфотная зона. Изменение первичной продукции по глубине

зависит от изменения освещенности. В летние месяцы возможно смеще-

ние максимума продуктивности в глубину. Это объясняется избыточной

освещенностью на поверхности, приводящей к угнетению фитопланкто-

на, вследствие чего наилучшие условия для его существования создаются

в более глубоких слоях.

Температура оказывает влияние на физические и биологические процессы

эвтрофирования. Она определяет степень насыщения воды кислородом, тем-

пературный профиль оказывает влияние на интенсивность вертикальной тур-

булентности и таким образом влияет на перенос биогенов из придонных об-

ластей в эпилимнион. Температура также оказывает влияние на величину

первичной продукции (рис. 3.19). Значение оптимальной температуры меня-

ется в зависимости от вида организмов, но в большинстве случаев лежит в

диапазоне 20—25° С.

насыщение

t° С

Рис. 3.18. Зависимость валовой

первичной продукции

от освещенности

Рис. 3.19. Зависимость валовой

первичной продукции

от температуры

Раздел 3. Водная среда города

123

Скорость потока. Величина скорости оказывает влияние на жизнедея-

тельность гидробионтов. При значениях скоростей, равных так называемой

лимитирующей скорости, начинается процесс угнетения гидробионтов, а уве-

личение скорости до значений больше критических приводит к гибели гид-

робионтов (рис. 3.20).

Химические факторы эвтрофирования. Растворенный кислород (РК). Низ-

кая концентрация РК в воде приводит к развитию анаэробных процессов. В

этом случае основным источником продуцирования становятся анаэробные

процессы ферментации, которые приводят к выделению в воду метана и се-

роводорода. Концентрация РК изменяется как с глубиной, так и в течение

суточного цикла. В дневное время в трофогенном слое происходит увеличе-

ние концентрации РК. Однако в темное время суток фотосинтетическая дея-

тельность отсутствует и происходит только потребление кислорода. Амплиту-

да суточных колебаний РК пропорциональна биомассе первичных продуцен-

тов. В эвтрофированных водоемах это может привести к формированию в

темное время суток анаэробных условий.

Биогенные элементы. Гидробионтам требуется множество биогенных ве-

ществ в определенной пропорции. При нехватке любого из них скорость

роста популяции замедляется. В целом, скорость роста популяции зависит

от наличия лимитирующего элемента и может быть описана кривой Миха-

элиса-Ментен-Моно (рис. 3.21). Как правило, к числу лимитирующих эле-

ментов в водных экосистемах относятся фосфор, азот и, значительно реже,

углерод. При повышенном поступлении лимитирующих биогенов скорость

первичного продуцирования может достичь максимальной величины, что

приводит к эвтрофированию.

Рис. 3.20. Зависимость валовой первичной Рис. 3.21. Зависимость скорости роста

продукции от скорости потока популяции от содержания биогена

Биологические факторы эвтрофирования. Большинство организмов могут

существовать в определенном диапазоне физических и биохимических воз-

действий, который называется диапазоном толерантности. В процессе адап-

тации биологические виды могут расширять свой диапазон толерантности.

Поскольку со временем условия среды обитания в экосистеме меняются, пре-

имущество получают виды, обладающие большей способностью приспосаб-

ливаться к новым условиям. Результатом этого является сукцессия сообществ.

С развитием эвтрофирования доминирующими становятся экстре-

мальные условия по концентрации РК, освещенности, доступности био-

124

Экология города

генных веществ. В этих условиях преимущество получают синезеленые

водоросли (cianobacteria), которые обладают наибольшей способностью к

адаптации благодаря:

• своим относительно крупным размерам, из-за чего они не могут по-

требляться зоопланктоном;

• способности фиксировать растворенный в воде азот, противодействуя,

таким образом, условиям его лимитирования;

• способности обходиться меньшим содержанием в воде двуокиси угле-

рода по сравнению с другими водорослями;

• интенсивному развитию при более низком, чем другие водоросли, соот-

ношении азота к фосфору;

• выделению в воду продуктов, приостанавливающих рост других водо-

рослей;

• способности регулировать свою плавучесть, противодействуя неблаго-

приятному влиянию физических факторов.

3.8. Методы защиты и восстановления

поверхностных водных объектов

Самоочищающая способность поверхностных водных объектов, под-

верженных антропогенной нагрузке, как правило, недостаточна для про-

тивостояния высокому уровню внешнего негативного воздействия. В ре-

зультате водные экосистемы подвергаются перестройке, следствием кото-

рой является обеднение видового состава, биологической ценности гидро-

бионтов, ухудшение качественных характеристик воды. По этой причине

для промышленно развитых стран с предельной остротой возникает проб-

лема защиты водных объектов и восстановления деградировавших водных

экосистем. Решение этой задачи возможно только путем совместного воз-

действия на аллохтонное поступления веществ в водные объекты и внут-

риводоемные процессы.

3.8.1. Уменьшение внешнего воздействия

на поверхностные водные объекты

Внешнее воздействие на водные объекты проявляется в виде поступле-

ния в них посторонних примесей и тепла, что приводит к нарушению норм

качества воды. С целью поддержания самоочищающей способности водных

объектов и обеспечения различных видов водопользования* объем внешних

воздействий не должен превышать установленных нормативов ПДС. Реали-

зация норм ПДС достигается за счет уменьшения количества возвратных вод

или снижения концентрации веществ в них. Основными организационно-

техническими мероприятиями, применяемыми в этих целях, являются:

Раздел 4. Воздушная среда города

125

• изменение технологии производства;

• канализование и санитарная очистка городов;

• повторно^ использование сточных вод;

• очистка сточных вод.

Изменение технологических процессов в сторону ресурсосберегающих, ма-

лоотходных и безотходных технологий является одним из наиболее эконо-

мически и экологически эффективных направлений. Однако такой путь,

как правило, характеризуется высокой капиталоемкостью и требует перво-

начальных инвестиций.

Канализование населенных пунктов позволяет предотвратить загрязнение вод-

ных объектов неорганизованным стоком. Организованный сток из канализаци-

онных сетей, как правило, направляется на очистные сооружения. При отсут-

ствии очистных сооружений снижение негативного воздействия на качество воды

водных объектов может быть достигнуто за счет использования специальных

конструкций выпусков сточных вод (рассеивающих, в стрежень, глубоководных),

которые обеспечивают более эффективное разбавление сточных вод.

Санитарная очистка территории позволяет снизить поступление веществ

в дождевые и снеговые сточные воды, снизить загрязнение фунтовых вод и

тем самым уменьшить поступление загрязняющих веществ в водные объекты.

Этот метод является достаточно эффективным и относительно малозатратным.

Повторное использование сточных вод может осуществляться путем обо-

ротного водоснабжения в пределах одного предприятия или передачей сточ-

ных вод в другие сферы хозяйствования. Например, использование очищен-

ных сточных вод для технического водоснабжения или орошения.

Оборотное водоснабжение может осуществляться как единая система для

всего предприятия или в виде отдельных циклов для цеха или группы цехов.

Предотвращение сброса подогретых вод уменьшает вероятность развития

процессов эвтрофирования водных объектов.

Очистка сточных вод является наиболее традиционным способом сниже-

ния нагрузки на водные объекты. Методы очистки сточных вод рассмотрены

в разд. 3.5.2—3.5.4.

3.8.2. Интенсификация внутриводоемных процессов

Управление качеством воды водных объектов на основе целенаправлен-

ного вмешательства в ход внутриводоемных процессов достигается в основном

воздействием на абиотические компоненты экосистемы.

Технологии защиты и восстановления для водотоков. В основе этих техно-

логий лежит целенаправленное изменение гидрологических условий или не-

посредственное воздействие на биотическую часть водной экосистемы. Ос-

новными техническими решениями являются изменение скорости течения,

формы поперечного сечения русла, материала крепления береговых откосов

и разработка специальных биоинженерных сооружений.

126

Экология города

Скорость течения является одним из главных экологических факторов в

водотоках. Она оказывает существенное воздействие на все биотические ком-

поненты водной экосистемы — планктон, бентос, перифитон, макрофиты.

Это воздействие имеет прямой и косвенный характер. Прямое проявляется в

непосредственном механическом воздействии течения на гидробионты. Кос-

венное воздействие осуществляется через изменение физических и химичес-

ких условий в водотоке, например, скорости процесса атмосферной реаэра-

ции, условий перемешивания, мутности потока. Скорость потока является

комплексным управляющим фактором. Чем больше время пребывания вещест-

ва в водотоке, тем сильнее проявляются процессы биохимической трансфор-

мации веществ. Чем больше транспортирующая способность потока, тем мень-

ше его прозрачность. В свою очередь прозрачность воды сильно влияет на

продукционные процессы и тепловой режим водотоков. Скорость потока

лимитирует скорость роста различных биотических сообществ. Для каждого

вида водорослей существует так называемая лимитирующая скорость тече-

ния, при достижении которой развитие водорослей замедляется, и критичес-

кая скорость течения, при которой водоросли перестают развиваться и могут

погибнуть. Значения лимитирующей (У

лим

) и критической (V ) скоростей те-

чения для фитопланктона представлены в табл. 3.15.

Таблица 3.15. Величины лимитирующей и критической скоростей

для фитопланктона

Вид доминирующих водорослей

V.™, м/с V

, м/с

Диатомовые

0,7 2,0

Зеленые

0,5

1,5

Синезеленые аллохтонного происхождения

0,2 0,6

Синезеленые автохтонного происхождения

0,5

1,5

Форма сечения русла имеет большое значение для трансформации органи-

ческих веществ. Изменяя форму русла, можно изменять скорость течения и

соотношение трофогенного и трофолитического слоев, добиваясь таким об-

разом необходимого соотношения продукции и деструкции.

При искусственной облицовке береговых откосов, характерной для вод-

ных объектов, находящихся в черте города, большое значение имеет исполь-

зуемый облицовочный материал. Его вид во многом определяет интенсив-

ность процессов самоочищения. Например, облицовка берегов щебнем или

бетоном приводит к их усиленному обрастанию и, как следствие — к авто-

хтонному вторичному загрязнению водного объекта за счет увеличения про-

дукции органического вещества.

Перспективным направлением развития технологий защиты водотоков

является разработка биоинженерных сооружений типа биоплато. Использова-

ние таких сооружений для очистки сточных вод рассмотрено в разд. 3.5.3.

Для защиты и восстановления водных объектов используют естественные или

искусственные биоплато различных типов. Русловые биоплато представляют

Раздел 4. Воздушная среда города

127

собой мелководные расширения русла с развитой высшей водной раститель-

ностью. Очистка воды здесь производится высшей водной растительностью

по всему сечению потока. Создание русловых биоплато возможно на участ-

ках водотокор глубиной не более 1,5—2 м, со скоростью течения до 0,2—0,3

м/с. Береговые биоплато представляют собой заросли высшей водной расти-

тельности вдоль берегов водотока. Очистка воды в этом случае производится

только частью потока. Устьевые биоплато располагаются в местах впадения в

водоток малых притоков. Наплавные биоплато предназначены для очистки

верхнего слоя поверхностных вод. В этом случае высшая водная раститель-

ность размещается в специальных плавающих контейнерах, располагаемых

поперек потока.

Биоинженерные сооружения типа биоплато позволяют существенно сни-

зить содержание загрязняющих веществ в поверхностных водах. Очистку воды

осуществляют все элементы сообщества высшей водной растительности. Взве-

шенные вещества задерживаются и осаждаются в основном макрофитами. Глав-

ную роль в деструкции органических веществ играет бактериоперифитон —

бактериальная пленка, развивающаяся на подводной части высшей водной

растительности. Биогенные элементы ассимилируются высшей водной рас-

тительностью, накапливаются в надводной ее части и корневой системе, что

позволяет надолго исключить их из водной среды. Нефтепродукты окисля-

ются бактериоперифитоном и углеводородоокисляющими бактериями, ко-

личество которых в зарослях высшей водной растительности существенно

возрастает за счет выделения растениями специфических стимуляторов и

потребления ими ингибиторов роста этих бактерий. Пестициды, тяжелые ме-

таллы и радионуклиды извлекаются высшей водной растительностью и накап-

ливаются в ее корневой системе и зеленой массе. Фенолы накапливаются и

трансформируются высшей водной растительностью, летучие фенолы час-

тично выделяются в атмосферу.

Технологии для защиты и восстановления водоемов. В водоемах характер внут-

риводоемных процессов во многом определяется степенью и характером эколо-

гической стратификации. Важнейшей проблемой водоемов является эвтрофи-

рование, поэтому большинство защитных технологий направлены на противо-

действие этому процессу. Такие технологии называются технологиями

деэвтрофирования. Целью деэвтрофирования является снижение уровня троф-

ности водных объектов. Рассмотрим некоторые технологии деэвтрофирования.

Удаление донных отложений. Содержание биогенных элементов в дон-

ных отложениях обычно увеличивается от нижних слоев к верхним. Поэто-

му удаление верхних слоев этих отложений приводит к обнажению слоев,

обедненных биогенными элементами и, следовательно, к снижению пере-

носа их в водную толщу.

Экранирование донных отложений, создающее физический барьер на гра-

нице раздела "вода — донные отложения". Как экран могут использоваться

пластиковые пленки, песок, глина.

Отвод воды из гиполимниона, в результате которого из водоема извлекают-

ся богатые биогенами воды. Эта технология эффективна в глубоких водоемах

с большим периодом водообмена.

128

Экология города

Химическая обработка, основанная на использовании веществ, спо-

собствующих осаждению биогенных элементов или преобразованию их в менее

доступную для микроорганизмов форму. Наиболее эффективным и экологи-

чески безопасным является использование в этих целях сульфата алюминия.

Изменение условий среды обитания. В основе этих технологий обычно лежит

затемнение, приводящее к снижению первичной продукции органического

вещества. Существуют различные технологии затемнения — использование

специальных красителей, избирательно пропускающих солнечный свет, свето-

непроницаемых плавающих покрытий, посадка высоких деревьев по берегам.

3.9. Прогнозирование состояния поверхностных вод

Прогноз состояния поверхностных вод базируется на математическом

моделировании процессов формирования качества воды с учетом существую-

щих и планируемых внешних воздействий на водный объект. Модели каче-

ства воды могут быть разной сложности. Чем сложнее моделируемые процес-

сы, тем большее количество параметров включают в модель. В целом состо-

яние водной среды S можно описать зависимостью типа:

S=f(P, L, Sp G, В, М),

где Р — гидрологические факторы; L — аллохтонное и автохтонное поступле-

ние веществ; S

— начальное состояние водной среды; G — геометрия водно-

го объекта; В — биохимические и химические реакции, происходящие в вод-

ном объекте; М — климатические и гидрометеорологические условия.

Для оперативного прогноза обычно используют динамические модели, по-

зволяющие учитывать изменчивость состояния водного объекта во времени.

При среднесрочном и долгосрочном прогнозировании используются ста-

тистические и аналитические модели. Статистические модели основаны на

анализе и статистической обработке экспериментальных данных, получен-

ных непосредственно на изучаемом водном объекте. Аналитические модели

позволяют выполнить прогноз качества воды, используя теоретические пред-

ставления о природе и основных закономерностях моделируемых процессов.

Этот класс моделей отличается большей, по сравнению со статистическими

моделями, универсальностью и получил широкое распространение в прогноз-

ных расчетах.

По уровню сложности модели качества воды делят на 4 основные группы:

• балансовые модели, в основе которых лежит баланс между поступлением,

объемом и изменением в результате внутриводоемных процессов массы

вещества в водном объекте;

• однокомпонентные модели, описывающие трансформацию отдельных ве-

ществ в водной среде; *

• двухкомпонентные модели, описывающие взаимосвязанную трансформа-

цию ВПК и растворенного кислорода в природных поверхностных водах;

• многокомпонентные модели, описывающие взаимосвязанную трансфор-

мацию веществ в водной массе.

Раздел 4. Воздушная среда города

129

Балансовые модели используют при прогнозировании качества воды в во-

доемах. В основе этого класса моделей лежит оценка водного баланса и ба-

ланса веществ в водоеме. Приходная часть баланса определяется поступлени-

ем водных масс и веществ с водосбора, расходная — стоками из водоема,

испарением, обменом с донными отложениями. Внутриводоемные процессы

описываются, как правило, в терминах "черного ящика" (как разница между

приходной и расходной частью) или приближенно оцениваются на основе

баланса масс. Балансовые оценки базируются на систематических измерени-

ях на водосборной территории и в самом водоеме.

При долгосрочном прогнозировании качества воды в водоемах использу-

ют балансовые модели, позволяющие рассчитать значения средних концент-

раций веществ в зависимости от величины антропогенной нагрузки на водо-

ем. В рамках этих моделей средняя концентрация вещества в водоеме, сло-

жившаяся под влиянием постоянной антропогенной нагрузки, определяется

по следующим расчетным зависимостям:

— для консервативных веществ в непроточных водоемах:

Q •С • Т .

С =

ср W

для неконсервативных веществ в непроточных водоемах:

Q •С

ГШ г/

С =

ср

— для проточных водоемов:

С = С - (С - С„) •ехр

ср пр

пр и

q -с

пр

————! q

— суммарный расход сточных вод, поступающих в

Qcm

водоем, м

/год; С

ст

— средневзвешенная концентрация вещества в сточных

водах, г/м

; W — объем водоема, м

; Т — длительность прогноза, год; к —

величина коэффициента неконсервативности вещества, 1 /год; С

—

первоначальная концентрация вещества, г/м

; Q

eum

— расход вытекающей из

водоема воды, м

/год; Т

усл

— условное время водообмена, год.

Однокомпонентные модели качества воды используются в прогнозных рас-

четах содержания неконсервативных веществ в водоемах и водотоках. С их

помощью описываются процессы биохимической трансформации веществ.

Зависимость скорости биохимической трансформации веществ от гидроди-

намических характеристик потока и внешних условий учитывается с помо-

щью коэффициента неконсервативности. Величина коэффициента неконсерва-

тивности к = к • к

cm о

ст

— статический коэффициент неконсервативности, сут."

, характеризу-

ющий скорость биохимической трансформации вещества в статических ус-

ловиях (при отсутствии течения). Величина этого коэффициента определяет-

5 ..

130

Экология города

ся для каждого вещества экспериментально. Значения статических коэф-

фициентов неконсервативности веществ для нормальных условий (темпера-

тура воды 20° С и атмосферное давление 1 атм.) приводятся в справочной

литературе.

— динамический коэффициент неконсервативности, сут."

,учитывающий

интенсификацию процессов биохимической трансформации в водном пото-

ке. Величина этого коэффициента всегда больше или равна 1 и увеличивает-

ся при росте скорости потока в диапазоне от 0 до 0,2 м/с.

При отсутствии информации о величине динамической составляющей

значение коэффициента неконсервативности вещества принимается равным

значению его статической составляющей, т.е. k

= 1.

Увеличение скорости биохимической трансформации веществ с ростом

температуры воды учитывается при прогнозных расчетах по формулам:

к = к

[ 1,12( Т+1 )-°

038

]

т_2

° при 0 < Т < 5° С,

к = к ' 1,047

т_20

при Т > 5° С,

где к

— величина коэффициента неконсервативности вещества при 20° С,

1/сут.; Т — температура воды, °С.

При проведении прогноза качества воды водных объектов расчет процес-

сов переноса и трансформации веществ осуществляется на основе уравнения

турбулентной диффузии. При среднесрочном или долгосрочном прогнозировании

используется запись этого уравнения для условий установившегося потока.

Для водотоков обычно используется одномерное уравнение продольной диспер-

сии, которое получается из трехмерного уравнения турбулентной диффузии

осреднением его по живому сечению потока. Для водоемов в зависимости от

их гидродинамических характеристик могут использоваться одно-, двух- и

трехмерные уравнения турбулентной диффузии. Двух- и трехмерные уравне-

ния турбулентной диффузии, как правило, не имеют аналитического реше-

ния и решаются численными методами с применением ЭВМ. Уравнение про-

дольной дисперсии при граничном условии С(0) = С

dC _

c + f=0

ах

имеет аналитическое решение вида:

С(х) = С-ехр(у-х) 4- --£(1 - ехр(у-х)); у =

~ ^ ^ '

' ^ >

где С

— концентрация вещества в начальном створе, г/м

; к — коэффициент

неконсервативности вещества, 1 /с; v — скорость потока, м/с; D — коэффи-

циент продольной дисперсии, м

/с;/ — интенсивность алл<5хтонного поступ-

ления вещества, г/м

• с.

Величина коэффициента продольной дисперсии определяется по форму-

ле Караушева: