Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 8
ГЛАВА I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА.
ВОДОЕМОВ-ОХЛАДИТЕЛЕЙ 19
-
Время возникновения и продолжительность существования водоемов-охладителей 19
-
История отечественных исследований гидробиологии водоемов-охладителей 22
-
Общие сведения о работе систем технического водоснабжения тепловых и атомных электростанций 26
-
Основные виды систем технического водоснабжения
и типы водоемов-охладителей 33
1.5. Классификация основных форм воздействия
атомных электростанций на жизнь водоемов 38
ГЛАВА II. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 51
-
Описание исследованных водоемов-охладителей АЭС 51
-
Методика исследования экологического состояния водоемов-охладителей и принципы выделения точек
отбора проб 58
2.3. Методы определения гидролого-гидрохимических
параметров 65
2.4. Методы гидробиологических исследований 69
ГЛАВА III. ОСОБЕННОСТИ ГИДРОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ
И ТЕРМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ВОДОЕМОВ-ОХЛАДИТЕЛЕЙ 76
3.1. Водоем-охладитель как объект исследования,
его границы 76
-
Общая характеристика структуры водных масс водоемов-охладителей 80
-
Водные массы, формирующиеся на сбросе
из системы охлаждения 86
-
Водные массы, не контактирующие с агрегатами системы охлаждения электростанции 89
-
Придонные водные массы 92
-
Вторичные водные массы на участках поступления
в водоем-охладитель аллохтонных вод 94
-
Факторы, определяющие интенсивность внешнего и внутреннего водообмена 97
-
Особенности пространственного распределения
в водоемах-охладителях различных компонентов водной среды 104
3.9. Влияние АЭС на термический режим водоема-охладителя 109
ЗЛО. Биоиндикация теплового загрязнения 119
3.11. Особенности термического режима водотоков,
вытекающих из водоемов-охладителей 127
ГЛАВА IV. ВЛИЯНИЕ РАБОТЫ АЭС НА ГИДРОХИМИЧЕСКИЙ
РЕЖИМ ВОДОЕМА-ОХЛАДИТЕЛЯ 130
-
Факторы формирования и основные этапы становления гидрохимического режима водоемов-охладителей АЭС 130
-
Изменение химического состава вод при прохождении
через систему водоснабжения АЭС 141
4.3. Факторы, влияющие на химический состав различных
водных масс водоемов-охладителей 153
4.3.1. Водородный показатель рН 154
-
Кислородный режим 157
-
Минерализация воды и ее ионный состав 167
-
Карбонатно-кальциевое равновесие 174
-
Биогенные элементы 177
-
Органическое вещество 183
-
Изменения в гидрохимическом режиме водоемов, обусловленные использованием глубинных водозаборов АЭС 195
-
Особенности гидрохимического режима водотоков, вытекающих из водоемов-охладителей 204
-
Особенности загрязнения вод в водоемах-охладителях. Гидрохимические процессы, ухудшающие качество технической воды 209
-
Общие закономерности распределения гидрохимических параметров по акватории водоемов-охладителей 217
ГЛАВА V. ОСОБЕННОСТИ ЖИЗНЕДЕЯДЕЛЬНОСТИ И
ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРОБИОНТОВ
В ВОДОЕМАХ-ОХЛАДИТЕЛЯХ 222
5.1. Воздействие работы промышленных систем охлаждения
на планктон водоемов 222
5.2. Бактерирпланктон 235
-
Воздействие на бактерий шокового повышения температуры в системе охлаждения АЭС 235
-
Основные факторы формирования бактериопланктона водоемов-охладителей 241
-
Оценка качества водной среды в водоемах-охладителях по санитарно-микробиологическим показателям 253
5.2.4. Бактериопланктон на разных этапах эксплуатации
водоема-охладителя 259
5.3. Микроальгофлора 265
-
Общая характеристика и факторы формирования микроальгофлоры водоемов-охладителей 265
-
Этапы формирования сообщества фитопланктона 271
-
Таксономический состав фитопланктона водоемов-охладителей Курской, Смоленской и Калининской АЭС 276
-
Воздействие на фитопланктон повышения температуры водной среды и других факторов, обусловленных работой систем водоснабжения АЭС 286
-
Сообщества микрофитоперифитона и микрофитобентоса в водоемах-охладителях 295
-
Влияние особенностей структуры водных масс водоемов-охладителей на состав и распределение микроальгоценозов 301
5.4. Процессы термической эвтрофикации
в водоемах-охладителях АЭС 315
-
Изменение концентрации биогенов при прохождении воды через систему водоснабжения АЭС 317
-
Экспериментальное исследование влияние подогрева воды на содержание в ней неорганических соединений фосфора и азота 318
-
Влияние сброса подогретых вод на деструкционные
и продукционные процессы 324
6
5.5. Зоопланктон 328
5.5.1. Общая характеристика зоопланктона
водоемов-охладителей 328
5.5.2 Основные этапы формирования планктонного
зооцена 334
-
Таксономический состав зооопланктона водоемов-охладителей Курской, Смоленской и Калининской АЭС 344
-
Травмирование планктонных животных при прохождении их через систему технического водоснабжения и температурное воздействие 349
-
Влияние особенностей структуры водных масс водоемов-охладителей на состав и распределение зоопланктона 363
ГЛАВА VI. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ БИОТЫ
И ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
ВОДОЕМОВ-ОХЛАДИТЕЛЕЙ 380
-
Антропогенное воздействие на водоемы-охладители АЭС 380
-
Особенности сукцессионных процессов
в водоемах-охладителях 390
-
Фаза подготовки водоема-охладителя к эксплуатации 390
-
Фаза начала эксплуатации водоема-охладителя 394
-
Фаза первой относительной стабилизации 400
-
Последующее развитие сообществ водоема-охладителя 401
6.3.Общие закономерности формирования видового состава
сообществ водоемов-охладителей 405
-
Изменение жизненных циклов и пространственной локализации организмов при искусственном повышении температуры в водоемах 413
-
Экологический менеджмент природно-техногенной
системы «АЭС - водоем-охладитель» 422
-
Схема экологического мониторинга 425 водоема-охладителя
-
Схема экологического аудита природно-техногенной системы
«АЭС - водоем-охладитель» 429
6.5.3. Процедура экологического менеджмента 440
ВЫВОДЫ 445
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 448
ПРИЛОЖЕНИЕ. Унифицированная рабочая
программа экологического мониторинга
водоемов-охладителей АЭС П-1 - П-25
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время большая часть электроэнергии во всем мире вырабатывается на атомных и тепловых электростанциях. По-видимому, подобное положение сохранится и в обозримом будущем (Егоров, Тихомиров, 1999; Слепян и др., 1999; Грудаков и др., 2000). Работа атомных и тепловых электростанций всегда сопряжена с использованием значительных объемов воды, необходимых для охлаждения их технических агрегатов. Для больших современных ТЭС с энергоблоками мощностью 500, 800 и 1200 МВт для отвода теплоты из конденсаторов турбин требуется расход воды соответственно 17, 28 и 40 м /с на каждую турбину (Гавриш и др., 1989). Для АЭС на эти же цели удельные расходы воды в 1,5-1,6 раза больше в связи с использованием турбин с низким давлением пара. Вместе с тем, несмотря на то, что ТЭС и АЭС являются крупными водопользователями, их безвозвратное водопотребление относительно невелико. Подавляющая часть объема воды, поступившего на электростанцию, через определенное время сбрасывается во внешнюю среду.
Для покрытия нужд крупных ТЭС и АЭС в большинстве случаев организуются специальные водоемы, в качестве которых используют либо в той или иной степени видоизмененные естественные водоемы, либо искусственно созданные водохранилища различного типа. В эти же водоемы, как правило, осуществляется и сброс подогретых вод из систем охлаждения. После того, как температура этих вод понизится, они могут быть повторно использованы в системе технического водоснабжения электростанции (оборотная система) или поступают в открытые водные системы могут быть переданы другим водопользователям (прямоточная система). В обоих случаях необходимым условием является понижение температуры сбросных вод перед их дальнейшим использованием, регламентированное технико-эксплуатационными и природоохранными нормативами (Фарфоровский, Фарфоровский, 1972; Маргулова, 1984). Специальные водоемы, приспособленные для охлаждения сбросных вод ТЭС и АЭС, получили название "водоемы-охладители".
Стремительное развитие тепловой и атомной энергетики во второй половине XX века привело к тому, что водоемы-охладители уже сейчас являются достаточно распространенным типом водных объектов и, по-видимому, в ближайшие десятилетия их количество будет увеличиваться.
Водоемы-охладители подвержены интенсивному антропогенному воздействию и являются объектом пристального внимания экологов и различных природоохранных организаций. Воздействие АЭС на экосистемы водоемов-охладителей носит многоплановый характер. Оно заключается не только в заметном изменении их температурного режима, но и в изменении их гидрологической структуры, загрязнении вод различными агентами как со стороны собственно электростанции, так и различных бытовых и производственных служб, в той или иной мере с ней связанных.
Проблема качества водной среды водоемов-охладителей представляет значительный интерес и для энергетиков. Ухудшение качества вод может создать серьезные помехи в системе технического водоснабжения энергетического объекта и даже привести к возникновению чрезвычайной ситуации в ее работе. Примерами подобных явлений могут служить бурные "цветения" фитопланктона или интенсивное зарастание макрофитами, вызванные эвтрофированием вод.
Атомные электростанции относятся к потенциальным радиационно опасным объектам (РАОО) (Гринин, Новиков, 2000). Повышение надежности работы всех их систем в том числе и системы водоснабжения является важной задачей по обеспечению экологической безопасности. По этой причине исследование водоемов-охладителей приобретает дополнительную актуальность.
Большинство водоемов-охладителей - это крупные водные объекты многоцелевого назначения. Важным аспектом проблемы являются трудности, возникающие при комплексном их использовании. Вопросы совмещения и максимального удовлетворения (и, соответственно, оценки состояния водоема с точки зрения) требований, предъявляемых различными водопользователями и водопотребителями, часто не только не согласуются между собой, но даже противоречат одно другому. Так, например, одним из требований технического водоснабжения является максимальное понижение биологической производительности водоемов, поскольку при этом интенсивность образования многих видов биопомех также снижается. Напротив, рыборазведение, осуществляемое в большинстве водоемов-охладителей, предусматривает поддержание биологической продуктивности на высоком уровне, для обеспечения хорошей кормовой базы рыб (Топачевский, Пидгайко, 1971).
Существуют и принципиальные отличия и во взглядах на процессы, протекающие в водоемах-охладителях, у экологов, исследующих флору и фауну этих водоемов, и технических специалистов, занимающихся вопросами их эксплуатации. Одно и то же явление часто рассматривается с прямо противоположных позиций. Биологи стараются по возможности сохранить численность всех водных организмов на естественном уровне, тогда как для проектантов и эксплутациошциков часть этих организмов (например, заросли водной растительности) являются помехами, препятствующими нормальной работе атомной электростанции. Очевидно, что каждая из этих точек зрения носит весьма односторонний характер и рекомендации, выработанные на
11 основе только одного их этих подходов при игнорировании или полном неприятии другого, либо практически невыполнимы, либо недопустимы, исходя из существующих природоохранных норм. Вместе с тем, компромисс между экологическими и техническими требованиями не только вполне возможен, но и необходим. Значительное ухудшение экологического состояния водной среды, приводящее к возникновению чрезвычайной экологической ситуации в водоеме, в конечном счете, может сделать невозможным и его использование в технических целях и, таким образом, обусловить чрезвычайную ситуацию в системе водоснабжения АЭС (Безносов и др., 2002).
Наиболее перспективным путем разрешения спорных экологических проблем является проведение экологического мониторинга и экологического аудита. Оба эти вида эколого-правовой деятельности входят в состав процедуры экологического менеджмента и, в соответствии с требованиями международных стандартов ISO-1400 (Международные стандарты...., 1997), позволяют сбалансировать и объединить экономические и экологические интересы предприятия.
Как показывает зарубежный опыт, экоаудит эффективен только в том случае, если его основные цели носят двусторонний характер. Современный экологический аудит должен базироваться как на оценке соответствия природоохранным нормам деятельности аудируемого субъекта, так и на вопросах экологической безопасности самого этого субъекта, оценке зависимости его жизненно-важных интересов от внешних экологических угроз (Серов, 2000; Суздалева, 2002). Другими словами, при проведении экологического аудита какого-либо хозяйствующего субъекта, необходимо не только оценивать его воздействие на природу, но и определять ущерб (реальный и потенциальный), который несет этот субъект (или может понести в дальнейшем) от ухудшения экологического состояния среды, возникшего по причинам, не связанным с деятельностью этого субъекта. Таким образом, при исследовании водоемов-охладителей необходимо в комплексе изучать не только негативное влияние работы электростанции на водную экосистему, но и уделять пристальное внимание экологическим процессам, приводящим к возникновению трудностей в работе технического водоснабжения АЭС. Подобные явления довольно часто обусловлены загрязнением вод другими бытовыми и промышленными объектами, которые, с одной стороны, не связаны с электростанцией никакими производственными отношениями, а с другой - их функционирование (через загрязнение вод), может заметно затруднять работу системы водоснабжения. Примером может служить образование мощной биопленки в тешюобменной аппаратуре электростанции в результате загрязнения вод органическими веществами, поступающими из источника подпитки водоема-охладителя (Афанасьев, 1991). Очевидно, что наиболее эффективным экологическое аудирование будет в том случае, если вопросы воздействия АЭС на экосистему водоема-охладителя и влияние других объектов на качество вод, поступающих в систему ее технического водоснабжения будут решаться в едином комплексе. Приведенные выше суждения справедливы не только в отношении экоаудита водоемов-охладителей АЭС, но и других видов техногенных водных систем.
Однако научная база экологического мониторинга и экологического аудирования техногенных водоемов до настоящего времени целенаправленно не разрабатывалась. Основное препятствие заключается в том, что водоемы-охладители являются особой категорией водных объектов, обладающих комплексом специфических особенностей, в значительной мере отличающих их от других водоемов. Вместе с тем, несмотря на различия в геоморфологии, гидрологии, гидрохимии и географическом расположении, водоемы- охладители обладают рядом общих черт, позволяющих выработать единую методологию их экологического аудирования и экологического менеджмента.
Принципиальнъш отличием водоемов-охладителей от естественных водоемов, является то, что экологические условия, складывающиеся в водоемах-охладителях, определяются не только природными факторами, но и режимом работы электростанции. Часть их водного объема находится внутри технических узлов системы водоснабжения электростанции, где также идут интенсивные гидрохимические и гидробиологические процессы. Таким образом, в формировании водной среды здесь можно выделить две фазы: «естественную» или «природную», протекающую собственно в водоеме, и «техногенную», состоящую в изменении абиотических и биотических факторов при прохождении воды через систему водоснабжения. Под «системой водоснабжения» в данном случае подразумеваются все технические узлы, через которые вода движется от точки водозабора до места выхода отработанных вод в акваторию водоема. В это понятие также включаются облицованные участки водозаборных и сбросных каналов, водобойные пороги и другие технические узлы, находящиеся вне производственных зданий.
Провести пространственную границу между водоемом и технической системой электростанции во многих случаях довольно сложно (Протасов, 1991). В связи с этим, водоемы-охладители относят к разряду так называемых природно-техногенных (Егоров и др., 1994; Егоров, Суздалева, 1999; 2000) или инженерно-экологических (Протасов, 1991) систем. Однако достаточно часто эта сторона проблемы в той или иной степени игнорируется. При проведении экологических исследований водоемы-охладители, как правило, рассматривают как один из традиционных типов водоемов и, в зависимости от размеров и происхождения, обозначают как пруд, озеро или водохранилище. В соответствие с этим при оценке их состояния применяются критерии, разработанные для других типов водоемов, что в ряде случаев вызывает определенные трудности (Суздалева, Побединский, 1996; 1999; Суздалева, 1996в; 1999; 2001; Суздалева, Безносов, 2000а; Суздалева и др., 2001). Аналогичные проблемы, как известно, возникали в прошлом и при исследовании водохранилищ, которые первоначально рассматривали просто как искусственные озера. И только проведение специальных исследований специфических особенностей гидрологии, гидрохимии и гидробиологии водохранилищ позволило выделить их в особый тип водных объектов (Буторин, 1969). В связи с этим, существенно изменился и взгляд на многие аспекты экологии водохранилищ.
Таким образом, изучение структуры природно-техногенных систем водоемов-охладителей АЭС и разработка на этой основе методологии их экологического мониторинга, экологического аудита и эффективного экологического менеджмента в настоящее время является достаточно актуальной проблемой.
Цель и задачи исследования. Целью работы является исследование структуры природно-техногенных систем «АЭС - водоем-охладитель» и разработка концепции их экологического менеджмента. В соответствии с намеченной целью были поставлены следующие основные задачи:
1. Исследовать специфические особенности формирования гидрологического и гидрохимического режимов водоемов-охладителей.
Изучить воздействие работы системы технического водоснабжения АЭС на качественный и количественный состав гидробионтов водоемов-охладителей, а также характер их пространственного распределения.
Исследовать особенности процессов сукцессионного развития водных сообществ водоемов-охладителей.
4. Оценить воздействие комплекса факторов, обусловленных работой АЭС, на качество водной среды водоемов-охладителей.
5. На основе проведенных исследований разработать научно обоснованную унифицированную методологию экологического мониторинга водоемов-охладителей, экологического аудита и экологического менеджмента природно-техногенных «АЭС - водоем-охладитель».
Основные защищаемые положения. Предметом защиты являются следующие положения:
1. Все водоемы-охладители, вне зависимости от происхождения и геоморфологических особенностей, обладают сходной структурой водных масс, не имеющей аналогов среди других типов природных и искусственных водоемов. Это позволяет в совокупности рассматривать водоемы-охладители электростанций как отдельную категорию водных объектов.
2. Состав и пространственное распределение гидробионтов в водоемах- охладителях отражает характер взаимодействий в природно-техногенной системе «АЭС - водоем-охладитель». В связи с этим, механическое использование традиционных методов оценки качества водной среды, разработанных на естественных водоемах, дает неправильное представление об экологическом состоянии водоема-охладителя.
3. Объект экологического менеджмента - это единая природно- техногенная система, в которой водоем-охладитель и электростанция являются отдельными звеньями, функционирование которых взаимосвязано и взаимообусловлено.
Теоретическая значимость и научная новизна работы. Впервые проведено специальное систематическое изучение водоемов-охладителей как отдельной категории водных объектов. На основании анализа и обобщения
16 результатов, полученных при исследовании различных водоемов-охладителей, выявлены специфические особенности слагающих их водных масс.
Определены факторы, влияющие на формирование гидрохимического режима в отдельных водных массах водоемов-охладителей. Выявлены основные закономерности в составе и пространственном распределении организмов, обитающих в них. Экспериментально исследовано явление термической эвтрофикации. Выявлены специфические особенности распределения загрязнителей по акватории водоемов-охладителей.
На основании результатов экспериментов и наблюдений обоснована принципиально новая схема воздействия работы системы технического водоснабжения электростанции на водные организмы. Впервые проведено целенаправленное исследование влияния жизнедеятельности перифитонных сообществ, формирующихся на поверхности технических узлов системы водоснабжения, на планктон водоемов. Для обозначения этих явлений предложен термин "биотехнопульверизация".
Выявлена общность состава биоты водоемов-охладителей и закономерности ее формирования. Впервые предложена общая схема сукцессионного развития экосистем водоемов-охладителей.
Проведенные исследования позволили разработать новые унифицированные программы экологического мониторинга и экологического аудита техногенных водоемов, на основе которых создана концептуальная схема экологического менеджмента природно-техногенных систем «АЭС -водоем-охладитель».
Практическое значение. Результаты работы могут быть использованы в следующих областях практической деятельности: - для оценки экологической безопасности и предупреждения возникновения чрезвычайных ситуаций в системах технического водоснабжения АЭС, а также других энергетических и промышленных объектов; при проектировании водоемов-охладителей; для разработки природоохранных нормативов; - при организации экологического мониторинга, при проведении экологического аудита и экологической экспертизы техногенных водоемов; при разработке мер борьбы с биопомехами; при разведении рыбы в водоемах-охладителях.
Апробация работы. Результаты работы докладывались: на международном симпозиуме "Мониторинг и оптимизация природопользования" (Москва, 1996); международной научной конференции "Биологические проблемы устойчивого развития природных экосистем" (Воронеж, 1996); международной конференции "Урал-экология-96" (Екатеринбург, 1996); конференциях Московского государственного университета природообустройства (Москва, 1998; 1999, 2000, 2001, 2002); 3-й международной конференции "Экология и развитие северо-запада России" (Санкт-Петербург, 1998); конференциях Государственной научно-технической программы "Глобальные изменения природной среды и климата" -"Экосистемные перестройки и эволюция биосферы в настоящем и геологическом прошлом" (Москва, 1998; 1999), научных конференциях "Проблемы региональной геоэкологии" (Тверь, 1999; 2000); научной конференциях в МГУ "Проблемы биотехнологии" (Москва, 1997), "Проблемы экологии и физиологии микроорганизмов" (Москва, 2000), "Автотрофные микроорганизмы" (Москва, 2000), "Водные экосистемы и организмы-2, -3; -4" (Москва, 2000; 2001; 2002); конференции Международной академии экологической безопасности (Санкт-Петербург, 2000); на VIII съезде Гидробиологического общества РАН (Калининград, 2001); Х1-ом международном симпозиуме по биоиндикации (Сыктывкар, 2001); заседании кафедры гидробиологии МГУ (Москва, 2002).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 64 работы.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 488 страницах машинописного текста и состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и приложения (25 стр.). Диссертация включает 71 таблицу и 37 рисунков. Список литературы содержит 317 отечественных и 29 иностранных наименований работ.
