Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Влияние тепловых электростанций на водные экосистемы 9
1.1. Факторы влияния тепловых электростанций на водные экосистемы 9
1.1.1. Температура воды 9
1.1.2. Движение водных масс 13
1.1.3. Химическое загрязнение 15
1.2. Влияние сбросных вод объектов энергетики на состав, структуру и функционирование гидробиоценозов 22
1.2.1. Фитопланктон 24
1.2.2. Зоопланктон 32
1.2.3. Бактериопланктон 47
1.2.4. Зообентос 48
1.2.5. Рыбы и тепловодное рыбоводство 51
Глава 2. Материал и методы исследования 57
2.1. Физико-географическая и гидрологическая характеристика района исследования 58
2.2. Характеристика Назаровской ГРЭС 60
2.3. Гидролого-гидрохимические методы исследования состояния реки Чулым в районе действия Назаровской ГРЭС 61
2.4. Гидробиологические методы исследования 65
Глава 3. Гидрологические и гидрохимические параметры реки Чулым в районе Назаровской ГРЭС 68
3.1. Оценка влияния сброса теплых вод на некоторые гидрологические показатели реки Чулым 69
3.2. Исследование некоторых гидрохимических показателей воды в реке Чулым 76
Глава 4. Видовой состав, сезонная динамика и пространственное распределение фито- и зоопланктона реки Чулым 84
4.1. Фитопланктон 84
4.2. Зоопланктон 122
4.3. Оценка качества воды реки Чулым 141
Глава 5. Первичная продукция и деструкция органического вещества 144
Заключение 159
Выводы
- Химическое загрязнение
- Физико-географическая и гидрологическая характеристика района исследования
- Оценка влияния сброса теплых вод на некоторые гидрологические показатели реки Чулым
Введение к работе
Актуальность проблемы. Известно, что в настоящее время более 80% электроэнергии в промыпшенно развитых странах, в том числе и в России, вырабатывается на тепловых и атомных электростанциях (Мордухай-Болтовской, 1975а; Янг, 2000; Крук и др., 2001; Федоров и др., 2002). В конце прошлого века в мире наблюдался очень быстрый рост производства электроэнергии. Так, в США вплоть до начала 90-х годов каждые десять лет происходило удвоение общей мощности таких электростанций. При этом наблюдалось увеличение доли атомных электростанций, сбрасывающих значительно больше подогретых вод, чем тепловые электростанции (Яценко, Паламарчук, 2002; Федоров и др., 2002).
По некоторым оценкам (Янг, 2000) в начале XXI все электростанции США и других промышленно развитых стран используют для охлаждения своих агрегатов не менее 1 млрд. м3 воды в день, что составляет 1/3 от годового речного стока или весь меженный сток таких государств как США, Канада, Россия и др.
Приведенные масштабы использования природных вод, как средств теплоотведения, требуют немедленной ревизии существующих норм нагрузок предприятий энергетики на водоемы, принятых в нашей стране и не являющихся совершенными (Гидробионты..., 2000; Лотош, 2000; Нецветаев, 2000).
Для разработки эффективных мер по предотвращению теплового загрязнения водоемов необходимо проводить комплексные исследования закономерностей изменения водных экосистем под влиянием ТЭС, и собую важность здесь имеют исследования структурных и функциональных характеристик фитопланктона, который является материальной и энергетической основой существования водных экосистем, а также
определяющим фактором формирования и оценки качества воды. Не менее важно изучение следующего трофического звена — зоопланктона, уровень развития которого определяет биологическую продуктивность водоема и, в частности, рыбопродуктивность.
Необходимо отметить, что в настоящее время состояние и структура фитопланктона водоемов-охладителей изучены достаточно подробно, однако основная часть работ была выполнена на водоемах Европейской части СССР (Пидгайко, 1971; Пидгайко и др., 1974; Поливанная и др., 1974; Девяткин, 1975; Федорова, 1976; Тарасенко, 1977; Елизарова, 2000; обзоры: Мордухай-Болтовской, 1975а, 19756 и др.). Лишь несколько исследований было выполнено на уральских и сибирских водоемах (Глазырина, 1980; Горбунова, Зайцев, 1992; Гидробионты..., 2000), которые, однако, используются в качестве водоемов-охладителей предприятий Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса (КАТЭК) - крупнейшего в нашей стране.
Исследованиями выявлены некоторые общие закономерности развития сообществ фито- и зоопланктона в водоемах данного типа. Однако, имеющихся данных для проведения комплексной и объективной оценки влияния теплоэлектростанций на водоемы Восточной Сибири сегодня недостаточно.
Цели и задачи исследования. Целью работы было изучение влияния Назаровской ГРЭС, одного из элементов Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса на экосистему реки Чулым.
В связи с этим в процессе работы предстояло решить следующие задачи:
Исследовать гидролого-гидрохимические показатели воды реки Чулым на комплексе станций отбора проб и выявить изменения, происходящие под влиянием Назаровской ГРЭС.
Изучить видовой состав, сезонную динамику биомассы и
с*
пространственное распределение фитопланктона реки Чулым в условиях деятельности теплоэлектростанции.
Произвести сопоставление видовой структуры, динамики численности и биомассы, а также пространственного распределения сообщества зоопланктона в течение 1991 и 2001 годов.
Оценить величину продукции органического вещества фитопланктоном реки Чулым и интенсивность деструкционных процессов в водоеме.
Выявить направление и степень изменений, происходящих в экосистеме реки Чулым.
Научная новизна. Впервые получены материалы по комплексному
исследованию влияния Назаровской ГРЭС, являющейся одним из крупнейших
предприятий КАТЭКа, включающей семь энергоблоков суммарной
мощностью 1120 МВт, на экосистему реки Чулым. Исследования
* производились с одновременной оценкой воздействия теплоэлектростанции на
гидрофизические и гидрохимические составляющие экосистемы водоема, а также определением таких параметров, как видовое разнообразие, динамика количественных характеристик, величины первичной продукции и деструкции органического вещества на участке реки общей протяженностью 120 км, в течение двух сезонов с десятилетним интервалом.
Оценивается степень воздействия теплоэлектростанции на
(* гидрологический режим и ряд гидрохимических параметров водоема.
Высказывается ряд предположений относительно закономерностей изменений
видовой и пространственной структуры сообществ фито- и зоопланктона,
происходящих под влиянием Назаровской ГРЭС.
Проанализированы изменения видового разнообразия фитопланктона реки Чулым за период времени с 1968 года по 2001 год. Отмечены сезонные пики продукции органического вещества фитопланктоном водоема и его I*
деструкции, а также воздействие на рассматриваемые процессы сточных вод теплоэлектростанции. Произведена оценка качества воды на 120 км отрезке реки Чулым методами биотестирования.
Полученные данные позволяют более глубоко проникнуть в сущность закономерностей поддержания устойчивости экосистем водоемов умеренных широт в условиях интенсивной антропогенной нагрузки со стороны объектов энергетики.
Теоретическая и практическая значимость работы. Изучение динамики видовой и пространственной структуры, количественных характеристик компонентов биоценоза водоемов-охладителей, а также продукционно-деструкционных процессов в таких водоемах позволяет понять механизм компенсационных изменений, происходящих в рассматриваемых экосистемах в ответ на воздействие оказываемое объектами тепло и электроэнергетики. Работа вносит существенный вклад в решение целого ряда фундаментальных проблем экологии, что связано с оценкой состояния экосистем в условиях интенсивной и разнофакторной антропогенной нагрузки.
Произведенная оценка состояния экосистемы реки Чулым в районе действия Назаровской ГРЭС может помочь специалистам, занимающимся разработкой норм воздействия антропогенных комплексов на природные экосистемы.
Материалы диссертационной работы включены в лекционные курсы по экологии, экологии водных организмов, ботанике Астраханского государственного технического университета.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись на Всероссийском совещании «Экологические аспекты и природоохранные мероприятия при использовании теплых вод энергетических объектов» (Москва, 1991); Всероссийской научной конференции "Эколого-биологические проблемы Волжского региона и Северного Прикаспия"
(Астрахань, 1998); научно-методических конференциях профессорско-преподавательского состава АГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.
Объем и структура работы. Диссертация представлена на 226 страницах машинописного текста, иллюстрирована 26 рисунками и 3 таблицами. Работа состоит из введения, обзора литературы, описания материала и методов исследования, 3 глав с изложением собственных результатов исследований, общего заключения, выводов, указателя цитируемой литературы и приложения. Список литературы включает 140 источников, в том числе 132 работы отечественных и 8 работ иностранных авторов.
Я сердечно благодарна моему учителю заслуженному деятелю науки РФ, заведующему кафедрой гидробиологии и общей экологии АГТУ, профессору Зайцеву Вячеславу Федоровичу.
Химическое загрязнение
Рассматривая возможные пути предотвращения загрязнения рек и водоемов стоками от тепловых электростанций (ТЭС), относящихся к наиболее крупным потребителям воды Милов М.А. (цит. по; Кривоносое, 1979) отмечает, что станции сбрасывают:
- воды, охлаждающие конденсаторы турбин;
- воды системы гидрозолоудаления и смыва полов;
- воды от химводоочисток;
- различные дренажные стоки от вращающихся механизмов с территории масломазутоскладов;
- обмывочные воды хвостовых поверхностей нагрева;
- отработанные растворы после очистки теплосилового оборудования;
- талые и дождевые воды с территории.
Все эти стоки в соответствии с характером загрязнений можно под 14 разделить на стоки, имеющие загрязнения тепловые, механические и химические.
Сточные воды ТЭС, несущие тепловые загрязнения, исходят от системы охлаждения турбин и вспомогательного технологического оборудования (ffigler et al., 2001; Горянина, 2001; Яценко, Паламарчук, 2002).
Источниками, содержащими механические загрязнения, являются сбросы от осветлителей и механических фильтров химводоочистки (ХВО), гидросмыва трактов топливоподачи котельных отделений. Стоки с механическими загрязнителями, в виде примеси масел и других нефтепродуктов, поступают с территорий мазута и маслохранилищ из систем охлаждения вращающихся механизмов и другой маслосодержащей аппаратуры и от обмывки воздухоподогревателей.
Химические загрязненные стоки с высокой минерализацией - до 30 г/дм3 - образуются при регенерации фильтров (ХВО), присутствуют в осветленной воде и в сбросах вод после химических промывок оборудования. Стоки с минерализацией 2 г/дм - создают продувки оборудования систем технического водоснабжения, продувки котлов и водные промывки оборудования (МоисеЙцев, Мищенко, 2001).
Стоки с тепловыми и механическими загрязнениями.
В связи с ростом мощностей ТЭС принимаются оборотные системы технического водоснабжения с градирнями различных конструкций или с прудами-охладителями. Эти схемы включают сбросы теплового загрязнения в естественные водоемы (Лю Ионг Лонг и др., 2001; Яценко, Паламарчук, 2002).
Воды после продувки осветлителей и взрыхления механических фильтров ХВО, а также стоки после гидросмыва сбрасываются в водоемы непосредственно либо через золоотвал при продувке системы ГЗУ. Объем этих стоков составляет порядка 100 м3/ч на 1 млн. кВт установленной мощности ТЭС. Ливневые и паводковые стоки с территории станции сбрасываются в f водоемы по системе ливневой канализации, как правило, без очистки (Моисейцев, Мищенко, 2001).
Стоки, содержащие масла и мазут, проходят очистку на очистных сооружениях замазученных и замасленных вод и сбрасываются в водоемы. Объем этих стоков - около 50 м3/ч на 1 млн. кВт установленной мощности ТЭС.
Стоки с химическими загрязнениями.
Все химически загрязненные стоки сбрасываются в водоемы непосредственно с предварительным разбавлением их водой водоема, для достижения ПДК по условиям сброса. Объемы этих стоков (до разбавления) составляют порядка 350 М3/ч, при общем содержании около 1500 кг/дм3 на 1 МВТ установленной мощности ТЭС (Горянина, 2001; Яценко, Паламарчук, 2002).
Таким образом, общий объем сбросов в водоем от работающих сегодня ТЭС составляет около 500 м3/ч на 1 млн. кВт мощности ТЭС.
В случае пылеугольных ТЭС имеется возможность захоронения части стоков на золоотвале. В зависимости от климатического района расположения станции, поглотительная способность золоотвала колеблется в пределах от единицы до нескольких десятков кубометров в час. Естественно, что направить все количество воды на золоотвал не представляется возможным. Для оценки влияния схем технического водоснабжения ТЭС на гидрохимический режим водоемов и водотоков, Бондаревым А.А. с коллегами (цит. по: Горянина, 2001) был выбран ряд тепловых станций (ГРЭС), расположенных в различных географических зонах, работающих по разным схемам водоснабжения и использующих различные виды топлива. Выбор ГРЭС, а не АЭС не случаен, так как наряду с одинаковыми источниками сточных вод, как это указывалось выше, для ГРЭС, использующих твердое топливо, характерны сточные воды из системы гидрозолоудаления. w При характеристике изменения химического состава воды водоемов и водотоков Бондаревым и коллегами (цит. по: Горянина, 2001) были использованы сведения, получаемые различными службами ГРЭС, а также результаты наблюдений ГХИ за 1979-84 гл\ Было обследовано 12 станций, работающих по различным схемам технического водоснабжения: - по оборотной схеме - Углегорская (Донецкая область). Криворожская ГРЭС-2 (Днепропетровская область), Беловская (Кемеровская область); it - по прямоточной схеме - Новочеркасская (Ростовская область), Эстонская (Эстония), Приднепровская (Днепропетровская область); - по комбинированной схеме - Назаровская (Красноярский край), Ладыженская (Винницкая область). Прибалтийская (Эстония), Литовская (Литва), Ставропольская (Ставропольский край), Старобешевская (Донецкая область). Все перечисленные станции в качестве топлива используют газ, мазут, сланцы и уголь. Минерализация воды. В процессе эксплуатации водохранилища-охладителя затраты воды на испарение восполняются путем подпитки из внешнего источника. Это может быть или сток реки, впадающий в водохранилище или подача воды по специальному каналу или трубопроводу. Во всех случаях с подпитывающей водой поступает некоторое количество растворенных в ней солей. Так как испаряется только чистая вода, то в водохранилище накапливаются соли и повышается минерализация воды.
Физико-географическая и гидрологическая характеристика района исследования
По характеру рельефа территория района исследования, включающая участок реки Чулым длиной около 120 км, представляет выположенную, слабо всхолмленную местность, постепенно понижающуюся с юга на север. На юго-западе и юге она оконтурена отрогами Кузнецкого Алатау, на северо-западе -Ачинско-Боготольской лесостепной холмистой равниной, постепенно переходящей в Западно-Сибирскую низменность. Восточная часть района занята Чулымо-Енисейским междуречьем, к востоку от которого расположены Восточные Саяны (Мячкова, 1983 ).
Гидрография территории находится в тесной связи с ее орографическим строением и условиями увлажнения. Наиболее развита речная сеть в горной части района. Здесь сравнительно много выпадает осадков (750-900 мм), и сток составляет более 30 л/с-км .В Чулымо-Енисейской котловине осадков" мало (370-420 мм), сток резко снижается до 2 л/с-км . Основным источником питания рек являются зимние осадки, которые формируют 60-90% годового стока. В горах доля дождевого стока составляет 15-20% годового. На равнине величина дождевой составляющей падает до 3-5% (Мячкова, 1983).
Река Чулым - правый приток реки Оби, берущий свое начало с северовосточных склонов Кузнецкого Алатау, где образуется слиянием Черного и Великого Июсов.
В верхнем течении река пересекает северную часть Минусинской впадины, а затем Салганский кряж и попадает в Назаровскую тектоническую впадину. В верхнем течении Чулым — это горная река с узкой долиной, ниже, где выходит на равнину, начинаются широкие плесы с островами и перекатами.
Река Чулым на исследуемых участках характеризуется извилистым, но устойчивым руслом. Глубина в меженный период не превышает 2 метра. Склоны, особенно у левого берега, крутые, покрыты кустарником и луговой растительностью. Ширина русла в районе исследований колеблется от ПО до 130 метров, ниже по течению, в районе островов - до 200 м.
Река Чулым отличается хорошо выраженным весенним половодьем, незначительными подъемами уровня во время дождевых паводков и устойчивыми зимними уровнями.
Основная черта климата района — резкая континентальность, преобладание, особенно зимой, антициклональной погоды, способствующей сильному выхолаживанию подстилающей поверхности, а в Чулымо-Енисейской и Назаровской котловине, обусловливающей застаивание холодного воздуха, - образование длительных мощных инверсий. Летом при таких ситуациях отмечается, наоборот, сильный прогрев земной поверхности, часто сопровождаемый засухой. Лимитирующими компонентами климата следует считать часто повторяющееся инверсионное состояние атмосферы и весьма ограниченные гидроресурсы (Мячкова, 1983).
Продолжительность периода с температурой выше нуля составляет 145-147 дней. Среднегодовая температура воздуха равняется +0,1-0,2С, средняя температура января составляет -18,3-21,2С, июля +17,6-18,4С. Абсолютная минимальная температура -54,5 С, а абсолютная максимальная +38,0С. Среднегодовая относительная влажность воздуха 72%.
Среднегодовое количество осадков за год составляет 325 мм, максимальное в августе — 71 мм, минимальное в феврале - 5 мм. Средняя скорость ветра 4-6 м/сек (Мячкова, 1983). l
Почвы в районе реки Чулым преобладают светло-серые и серые суглинки. Дерново-подзолистые почвы развиты под березово-сосновыми или сосновыми лесами. По механическому составу в пойме преобладают тяжелые почвы.
Склоны террас покрывают разнотравно-луговые степи, образованные луговыми, лугово-лесными и лесными мезофитами.
Оценка влияния сброса теплых вод на некоторые гидрологические показатели реки Чулым
Тепловые электростанции для трансформации пара, прошедшего через турбину, в конденсаторах нуждаются в интенсивном отведении избыточного тепла. Для этих целей широко используется вода из различных поверхностных источников, которая пропускается через систему охлаждения электростанции, при этом изменяя ряд своих гидрологических и гидрохимических характеристик. Возвратная вода способна внести значительные изменения в гидрологический режим водоема и на его гидрохимические параметры (ПидгаЙко, 1971).
В связи с этим, нами были произведены измерения скорости течения и максимального расхода воды в русле реки Чулым на всех пяти станциях отбора проб.
Гидрологические условия реки Чулым в период исследований в 1991 и 2001 годах характеризовались следующими показателями: скорость течения и расход воды в русле реки в первый и второй сезоны экспедиционных работ (1991 и 2001 годы соответственно) достоверных отличий не имели.
Наименьшая скорость течения воды в реке была зафиксирована в сентябре на уровне 0,4 м/с во время межени, в тоже время максимальная скорость течения воды была отмечена во время паводка на уровне 1,4 м/с.
В непосредственной зависимости от рассмотренного гидрологического параметра находится максимальный расход воды в русле реки. Подобно скоростям течения было отмечено и изменение расхода воды, находящееся в зависимости от водности тока. Так, расход воды в период межени в осенние месяцы достигал наименьшего значения, зафиксированного на уровне 200 м3/с. В период половодья максимальный расход воды составил 704 м3/с. Половодье на участке реки с естественным температурным режимом происходит в период с мая по июль. 1«
Оценивая суточные расходы воды в целом можно охарактеризовать гидрологическое состояние реки Чулым в период исследования. Объемы водных потоков за период исследований варьировал от 200-215 м3/с до 375-704 м /с, характеризует стабильную водообеспеченность Назаровской ГРЭС водными ресурсами.
Одной из важнейших гидрологических характеристик водоема, , оказывающих непосредственное влияние на качественную и количественную структуру автотрофных планктонных сообществ, является прозрачность воды (Алекин, 1970). Проведенные нами измерения указанного показателя позволили установить, что прозрачность воды в реке Чулым на станциях 1-5 в 1991 году изменялась от 0,9 до 1,8 м, в 2001 году — от 0,7 до 2,2 м. При этом, необходимо отметить, что наименьшие ее значения в оба года исследований наблюдались в конце июля и на станциях, находящихся в непосредственной близости от места впадения сбросного канала Назаровской ГРЭС в русло реки (станции 2 и 3). Максимум прозрачности отмечался в осенние месяцы. Среди исследованных станций наиболее высокие показатели прозрачности в оба года проведения замеров были зафиксированы на фоновой станции 1.
Замерзание поверхности реки наблюдается с конца октября - начала ноября, вскрытие - в конце апреля - начале мая.
Результаты исследования температурного режима реки Чулым в 1991 и 2001 годах в районе действия Назаровской ГРЭС представлены на рисунках 1 V и 2 соответственно.
Изучение температурного режима исследуемого участка реки Чулым в период первой серии экспедиционных исследований в 1991 году позволило установить, что температура воды в марте, до начала вскрытия ледового покрова реки, на станции 1 составила 0,5 С (рис. 1). Через месяц, в третью декаду апреля, в период вскрытия льда на реке Чулым, температура воды составила 2,1 С. В течение следующего месяца температура воды в водоеме значительно повысилась и составила 11,0С (р 0,05).
В течение следующих трех летних месяцев температура воды в реке Чулым на фоновой станции 1 достигала следующих значений: в июне - 15,4С, в июле - 21,1 С и в августе - 16,7С. В течение сентября и октября 1991 года температура на рассматриваемом участке реки продолжала снижаться и в третьей декаде достигала соответственно 11,3С и 4,5С (рис. 1).
Произведенные измерения температуры воды в реке Чулым в 500 м ниже по течению места впадения сбросного канала Назаровской ГРЭС, позволило установить значительное влияние подогретых сбросных вод теплоэлектростанции на температурный режим водоема на станции 2. Так, в частности, установлено, что на рассматриваемом участке водоема в течение всего года поверхность воды не покрывается ледяным покровом. Это объясняется тем, что в марте и апреле 1991 года температура воды на станции 2 достигала 11,2С и 14,8С соответственно, а в течение мая поднялась до 18,2С. На протяжении летних месяцев максимальные значения температуры воды в реке Чулым были зарегистрированы в июле - 31,2 С, в июне и августе они составили 23,4С и 24,6С соответственно. Осенью температура воды в реке на рассматриваемом участке снизилась до 14,2С в сентябре и 13,6С в октябре.
