Введение к работе
Актуальность темы исследования
Взаиыодействие человеческого общества и природной среди в современный период характернзцется непрерывным усилением антропогенной нагрузки на ее основные компоненты. Одниы из наиболее негативных видов воздействия является загрязнение природной среды и, в частности, чхудцрние качества речных вод. Острые противоречия мегду прогресснрувцик загрязнениеа и спросом на чиступ воду в условиях ограниченных водных ресурсов и неравномерности их разнесения негативно влияит на все сферы хозяйственной деятельности, подрываит устойчивость природного равновесия.
В этих условиях необходимо постоянное повыяенид эффективности водоохранных мероприятий, дальнейиее развитие теоредико-кетодичес-ких основ выявления закономерностей формирования качества речных вод в условиях возрастающей антропогенной нагрузки.
Основные направления исследования качества речных вод. развития водоохраны относятся в основном к изучению представителями различных наук многочисленных связей в суперсистеме "обцество-при-рода". Однако, долевой увязки кезду этими исследованиям не происходит. Недостаточно реализуется при ревении водоохранных проблем потенциал географической науки, вознозности геграфо-гидрологического подхода и, в частности, ландпафтно-гидрологиче.жого метода.
Отсутствие единых подходов к виявлений и учету природных и антропогенных особенностей формирования качества речщіх вод, 8 той числе пространственных закономерностей формирования загрязнения от разных источников,снивает эффективность водоохранные: мероприятий. До сих пор эффективность водоохраны продолжает оцениваться не по фактическому изменении качества воды рек, а по количеству задерганных на очистных сооружениях загрязнявших вецеств, ч\о не позволяет
" V. дчитывать 50%, а в ряде случаев и более, касс загрязнявцих вечеств, поступавших от рассеянных источников загрязнения речных вод.
Нуадаптся в дальнейшем изучении вопросы, связанные с развитием достаточно простых и надезшых моделей расчетов, позволяющих делать оценки, прогноз и исследовать закономерности изменения химического состава речных вод во времени и по территории с цозиции геосистемного подхода "водосбор-река".
Существует йотребность в разработке методов совокупной оценки многочисленных антропогенных нагрузок на реки, а такае оценки сте-. пени приоритетности загрязненности речных вод по сравнении с другими природными средами в рамках геосистемы.
Актуальность рассмотренных проблем и их недостаточная изученность определили выбор темы и основных направлений исследования.
Цель и задачи исследования.
Главной целью диссертации явилась разработка методологии исследования закономерностей формирования стока химических вечеств в условиях слояного сочетания природных и антропогенных факторов, основанной на ландвафтно-гидрологическом подходе к изучении стока химических вечеств в рамках геосистемы "водосбор-река", и реализация разработанной методологии в ревении конкретных задач.
В работе решались следущне задачи: -
- Обоснование необходимости геосистемного подхода к изучении
формирования химического состава речных вод с учетом природной зо-
нальности.
;- Выявление территориальной структурной единицы в рамках геосистемы, позволяющей анализировать как природные так и антропогенные источники формирования химического состава речных вод.
- Разработка унифицированного метода оценки различных источни
ков поступления загрязнявцих вечеств в реки.
Поиск показателя оценки комплекса загразняэцих веществ.
Разработка метода расчета сниазния загрязнения от конкретных ксточников с цельп поддергания заданного качества речной водц (по химическому составу).
Крупномасптабнаа оценка роли антропогенного воздействия на формирование химического состава речных вод в современнуа эпоху.
Выявление природных факторов формирования химического состава речных вод в условиях антропогенного стресса с поаоцьв ланд-аафтно-гидрологического иетода.
' - Изучение влияния техногенизации ландсафта на формирование
водного стока и стока химических веществ на примере городской тер
ритории. _
Исследование влияния загрязненных атмосферных осадков на формирование химического состава речных вод.
Оценка транзита загрязнявших вецеств с речным стоком на разных административных уровнях.
Апробация разработанной методологии на конкретных примерах.
Иетоды исследований, исходная информация.
і, Для речения поставленных задач проведен комплекс теоретических, экспериментальных (многолетние стационарные наблюдения на водных объектах и экспедиционные обследования) исследований и расчетов.
Особенности методических реиений заключается в совместном анализе водного стока и стока химических вечеств и их генетических составлявших в рамках геосистемы, "водосбор-рекд".Расчеты проводились с помоцьи балансовых уравнений различных типов, составляемых для отдельных сезонов года и года в целом щ отдельным конкретным загрязнявшим вецестваы и для различных комплексов загрязняющих езчеств.
Для определения отдельных составляпщих балансовых моделей использовались методы построения и планиметрирования различных картосхем, а такае методы построения и расчленения гидрографов стока.
Исходники данными для проведения исследований явилась много-. летняя рехимнея статистическая информация о гидроклинатических и гидрохимческих параметрах речных вод, статистическая отчетность о
населении-иплоцадяхразличных-природных-и-антропогешшх коинлок—
сов, водопотреблении.водоотведении и составе сточних вод. Данные натурных экспериментальных наблюдений за гидрологическими гидрохимическими параметрами, проведенными под руководством автора на реках Исеть, Иексна, ряде рек и водоемов Прибалтики, Подмосковья, Северо-Запада, комплексных экспедиционных обследований в районах Каунаса, Череповца, Зкибастуза, Сочи.
Больвая часть массива исходных данных обрабатывалась с использованием стандартного математического обеспечения.Для расчетов объемов повехностного стока и масс загрязняющих вецеств, выносимых . с ним с урбанизированных территорий, использовалась компьютерная система "Сток", разработанная при участии и "по алгоритму автора.
Достоверность полученных результатов определяется пределами балансовых невязок, изменяицнхся в зависимости от конкретных расчетов от 5% до' 40Z.
Научная новизна. ....:./
В работе разработан и реализован геосистемный подход к изучении формирования хинческого стока, позволяющий учитытывать гидро-логическув специфику различных природных, природно-техногенних И техногенных ландшафтов'7 особенности трансформации на территории — водосбора водного стока и стока химических вецеств. Учитываются генетические особенности формирования химического состава речных
вод, вклвчавцих как природные, так и антропогенные сочетания. Разработан более простой по сравнении с суцествусцим метод расчета сниаения загрязнения от конкретных источников, в тон числе рассеянного поступления загрязнявших вечеств, с цельп поддержания заданного качества води (по химическому составу) в реках.
Практическое значение работы. ;
Отдельные методические разработки и результаты исследований воали разделами в отчеты многолетних НИР по плановым заданиям ГКНТ и Росгидромета. Часть разработок воала в Иетодические указания и Правила:
Нетодика прогноза и рационального использования и охрани вод, разработки водоохранных мероприятий и прогноза качества вод .-Цосква-Харьков, Иинводхоз, Госкомгидромет СССР, 1981 г.
Временные методические рекомендации по прогнозировании химического состава поверхностных вод с учетон перераспределения стока. - Ленинград, Гидрометеоиздат, 1938 г.
Правила проведения коиплекного контроля за уровнем загрязненности прирдной среды курортов и рекреационных зон. - Госкоыгид-ромет СССР, 1990 г.
Временные методические рекомендации по проведении комплекс-' них обследований и оценке загрязнения природной „ср^-ды в районах, подверзешшх интенсивному антропоген чому воздействии - Москва, Росгидромет, 1392 г.
Результаты разработок, проведенных под руководством автора, внедрены в комплексные схемы охраны природы Латвии, подготавливаемы схему охраны окруяавцей среды Павлодаро-Экибазтузскиго района, в проект./ регионального экологического мониторинга в Их кой Баакирии.
Разработанные в ходе исследования алгоритмы был,* реализованы
- о -
при расчетах загрязнения рек Клязьма, Исеть, Вексна, поверхностных вод городов Москва, Каунас, Череповец, Сочи.
Результаты работы были использованы во время пятилетней работы экспертом в Комиссии по окруаавчей среде Верховного Совета СССР, пятилетней экспертной деятельности при Водном департаменте ВІІЕСК0, экспертизах пректов в Госкомприроде и ВО "Сосзводпроекте".
Разработанная методология могет быть использована при разработ-ке-целевих-водоохрашшх_програки^схен_коиплексітго_испоЖз^вания и охраны вод, ТЗО водохозяйственных мероприятий, 0D03 при экспертизах проектов, ревении оптимизационных задач нормирования химического состава речных вод.
Занижаемые пологения:
Методология исследования закономерностей формирования стока химических веществ в условиях сложного сочетания природных и антропогенных факторов в рамках геосистемы "водосбор-река", вклвчасиая основные принципы теоретических и экспериментальных исследований, методы исследований, обоснование и выбор "единицы" анализа природных и антропогенных факторов формирования водного стока и стока химических веществ в системе.
Иетод комплексной укрупненной оценки загрязннности речных вод для территорий различных рангов в регионе.
Кетод расчета скиеєния загрязнения от конкретных источников, вклсчая-рассеянное поступление загрязнения с водосбора, с цельв поддержания заданного качества речной воды (по химическому составу).
На защиту выносятся такхе следущке пологения:
- Ряд природных закономерностей формирования химического сос
тава речных вод в фоновых регионах в современную эпоху интенсивного
антропогенного воздействия, выявленных на основании разработанной
в диссертации методологии.
- Закономерности изменения водного стока и стока химических
веяеетв под влиянием техногенизации ландгафтов на примере урбани-
зировашшх территорий.
- Оценки вкладов в загрязненность речних вид таких нсдог.таїоч-но изученных источникоп как атаосферные осадки, урбанизация, транзит загрузивших воцеств с речныл стоком.
Апробация исследования.
Результаты работы били иногократно долозеки на научішх сомина pax и Ученых Советах ИПГ. ИГКЭ, ИГШІ, ШИВО, ГХИ, Ш,\\\ "Экнлогия". ВИИИуЗВХ, заседаниях НФГО, Всесоюзних гидрологических съездах 1U и U (1973, 1900), Всесосзных гидрохимических конференциях п Ростоне-на Дону (1984. 1937), Таллине (1973, 1985), Кисловодске (1989 г.).
Результаты работы докладывались на аегдународных конференциях и симпозиумах з 1369 г. в Кембридзе, 1370 г. в Радинге, 1971 г. г. Москве, 1977 г. в Амстердаме, 1971 г. и 1906 г. в Будапеите,П"7 г. в Париге, 1992 г. а Уоскве, 1993 г. п Ростове-на-Дону.
Публикации.
По теме диссертации опубликовало на русской и английском языках 00 работ, в той числе 3 монографии.
Объеа работы.
Диссертация состоит из введения, семи глаз, заключения, списка литературы, включавшего ИЗ наименования, из них 30 зарубеаїшх. Она излоаена на 160 страницах и содерїит 30 таблиц и 19 рисунки», а тик-se Прилогения табличного материала на № страницах.
Методология исследования закономерности формирования стока химических веществ в условиях антропогенной деятельности.
Химический состав речных вод, его качественнее, количествен-ные-И-Структурнаепоказатели-тесно-связаны-с-формированием-водного— стока и стока химических веществ на водосборе и их генезисом. В.Н.Глувковыи (1934) при обосновании географо-гидрологического истода было сформировано полоязкие о связи хнкического состава вод географического ландпафта с клнкатои, геологией,геоморфологией, почвами и растнтелькостьв. Однако, несмотря на очевидность необходимости геоскстеыного подхода з анализа' сорбирований химического состава речных вод, с:; до счх пор не получил .^олзисго развития и применения и гидрохимических исследованиях.
Псдсб:;ое Гі'злль.'іи-'.а иргта0'5"-ьгп ото.чс^'елса-яг.но Евраггнішн огрицательнгіі: валдайстлкеи на качгстзо речных вод локальних источников поступления загрязгіяадіх веществ и активного развития водоохранной деятельности с цеяьэ нейтрализации именно этих источников
загрязнения. Это обстоятельство капло отражение и в"размещении обце-
іі государственной сети реаишвх гидрохимических наблюдений, и в относительной разработанности математического аппарата, позволявшего учитывать влияние сосредоточенных выпусков сточных вод на формирование качества речных вод, в вироком применении статистических методов в исследованиях пространственно-временных закономерностей формирования химического состава речных вод.
В'результате, как показали U Всесосзный гидрологический съезд, проведвий в 1386 году в Ленинграде, и XXIX Всесоюзное гидрохимическое совещание (1S87 г.) в Ростове-на-Дону, до сих пор не существует кадекиых количественных методов оценки влияния антропогенных факто-
ров формирования химического состава речных вод, действуацих на водосборе, оценки взаимосвязи меадц характеристиками речных вод и состоянием природной среды.
Состояние природной среди характеризуется полним или частичным преобразованием природных ландшафтов, что приводит к их загрязнения и виносу загрязняющих вецеств с водным стоком в реки и ппдпеми.
D настоящее время интенсивная хозяйственная деятельность приводит к загрязнении не только преобразованных лпндаафтов. Данные многолетних регимных наблюдений территориальных структур Гидромета за загрязненностью атмосферного воздуха, зидких и твердых осадков показывают, что в совреиешшй период происходит тотальное антропогенное загрязнение водосборов.
Вынос загрязнявших веществ с.водосборов зависит от степени их загрязненности, зональных ландиафтно-клииатических закономерностей формирования водного стока, гидрогеологических особенностей водосборов как на равнинных территориях, так и в горных районах.
При оценке количества загрязняащих вецеств, поступающих з ландаафт и выходящих из него, динамики сезонных и годовых циклов среди методов научного обобщения, по мнения Д.Ооианда (1947), особое значение приобретает метод балансов.
В диссертации с позиции ресурсно-балансового системного подхода разработана методология исследования закономерностей формирования стока химических вецеств в условиях антропогенной деятельности, которая является дальнейаиа развитием географо-гидрологического направления и в частности ландиафтно-гидрологического метода в изучении ресурсов поверхностных вод.
Принципиальными полоаениями методологии являится комплексное рассмотрение водного стока и стока химических вецеств и их генетических составляющих в рамках геосистемы "водосбор-река",использование при и нке влияния антропогенних факторов на химический состав речи- і:од гидрологических и гидрохимических обобщений природ-
ной зональности, учете особенностей фораирования водного стока и стека хккических веществ различных природных и антропогенных ланд-вафтов.
В данной работе термин "ланднафт" используется для обозначения природних (леса, кустарники, болота, водные поверхности и т.д.) и антропогенных (урбанизированные, сельскохозяйственные зенли) терри-
ТОрИаЛЬНЫХ КОІІПЛЄКСОБ. На ипбаНИЗЦрпПЛИНЫУ трррцтпркгсу г> <.лш;ічгапгТи.
от задач когут выделятся различные виды застройки, промыпленные и транспортные зоны, на сельскохозяйственных зеклях - поля под различными растительныии культураии и пастбица. Степень дифференциации зависит от наличия исходник данных.
Применение ландяафтно-гидролегического нетода позволяет:
-
совиестить разнородную нехеднуп информацию (природные и административно-хозяйственные характеристики) на региональном и вреиен-нок уровнях;
-
дает возможность совместного учета загрязнения, поступавшего в водные объекты ст сосредоточенных источников и рассеянный путей;
-
получать кнтегралыгуа и дифференциальную оценки загрязненности исследуецого водного объекта;
А) оценить загрязненность таких генетических составляющих, как
її' поверхностно-почвенный и подземный сток в реки;
-
выявить нагрузку загрязняпцнх веществ на речные воды в различные по водности года и сезоны года;
-
проводить расчеты не всех адцинистративннх и природных территориальных уровнях от проыилозадки до территории государства, от участка водосбора до крупной речной систекы;
-
рассчитывать снигение загрязненности речных вод до заданного уровня с учетои вкладов конкретных источников загрязнения, вкличая источники рассеянного поступления загрязняпщих вецеств.
Одн'ик из полоаительных аспектов использования данного кетода является возмогиость проведения исследования и расчетов на базе
суцествуицей в настоящее вреия общегосударственной статистической и внутриведомственной отчетности, а такЕе данных релшшнх наблвде-ний.
Данные о сосредоточенной поступлении загрязнявших вецестз в задние объекты, структуре ландгафтос, внесении удобрений, приводятся и статистической отчетности. Поступление загрязнявших веіцеств с поверхностный стокои с различных ландшафтов рассчитывается на основании данных резинных наблюдений за осадкаии, речныа стокои, количествен зидких-и тЕердкх-^&садков. н поверхностных вод по данных реяиыных и экспериыентальннх наблюдений, а в случае их отсутствия по норнативныы материалам.
Поступление загрязнявших вецеств с грунтовым стокои, дренируемых рекаии, определяется на основании расчленения гидрографов речного стока, совцеценных с графиками внутригодового распределения концентраций загрязнявших вецеств .
В зависимости от изучаемого водного объекта уравнение баланса моает включать в себя различные элементы и состарляется для разных интервалов времени. В данной работе рассматривается годовой период, а также холодные и теплые сезоны года. В зависиизстл от задач и обеспеченности исходной информацией балансы составляйся по схеие "детальных" или приближенных уравнений.
Общий вид уравнения аассы загрязнявшего вецества в речных,водах ииеет вид:
V = КУ К, * Н^-. Кг +Мсс-:К3 + jy.K, + Нг?.Г Kr , где
llp.i - иасса і-того загрязняицего вещества в речных водах; Нег.- касса і-того загрязнявшего вецества в уточных водах; Н^.і- насса і-того загрязнявцего вецества в поверхностной стоке
с урбанизированных территорий; НвеГ_.— иасса і-того загрязняющего вецества в поверхностном стоке
_ 14 -
с естественнЕх угодий; Нс/х- касса і-того загрязняичего вецества в поверхностном сток
с сельскохозяйственных угодий; %гр.І- иасса і-того загрязнявшего вецестза в грунтовок стоке,
дренируекок рекой; К ,..., Kf - коэффициенты, учитывающие процессы аккумуляции и
трансформации вецества.
Нассы загрязнявших вецеств от источников расСУіШниіи пииіуіиіен рассчитывается по следущии формулам ( 29 ). Вынос со стоком с урб визированных территорий как
*ar-i=^lS[ V h* (S)'X*i (S) + Krj"hr(S)'Xri (S)] dS- гд
Stl- - плоцадь разны:: типов территорий (индекс'і: 1 - асфальт, 2 - крыви, 3 - уплотненные земли, 4 - зеленые зоны, 5 - сельскохозяйственные угодья в черте города, 6 - водные повершети);
к*/ , кг; - коэффициенты стока с площади j -го типа соответственно в холодный ( зика, весна) и теплый ( лето, осень) периоды;
^M&Y \-(S)~ величины осадков в холодный и теплый периоды;
хх[ (S), Xn (S) - концентрации i-тогэ загрязнявшего еецества урбанизированной территории соответственно з холодные и теплые периоды года.
Вынос удобрений с сельскохозяйственных-угодий рассчитывается как
К r/xi= <0: Г P,(S) dS , где
Js e/xJ '
О^ - доля выноса і-того загрязнявшего вещества в воду; Scix - площадь, занятая под сельскохозяйственные угодья; р (S) - плотность внесения і-того загрязняющего вещества.
Вынос загразнящих вецестз, выпавзих на территории с атмосферными осадками, рассчитывается для естественных и сельскохозяйственных ландпафтов как
)g [ К п„ ( S )-Х7с С S ) + Kr^. hr ( S 3-Хгі ( S )] dS + JgJ K^ hx < S )<; С S ) + Kri/ hT ( S ) ( S )1 dS. где
X ЛБ), Хті, (S) - концентрации і-того загрязнявцего вецества в атмосферных осадках соответственно в холодний и теплий периоды года;
S г- плоцадь естественных ландиафтсв.
Расчеты ыогут проводиться по отдельный загрязнязщик веществам, а такае по комплексу загрязнязцих веществ.
В настоящее вреия суцествует иного способов комплексных оценок качества поверхностных вод. Tea не менее оптииальнсе реасіше с точки зрения больпинства исследователей еце не найдено. Гіоиски продолзавт-ся. Применение на практике каждого из методов С цатоди, оценивавшие качество воды в виде набора различных, с точки зрения авторов, приоритетных показателей, различные типы коэффициентов загрязненности, коэффициентов комплексности,метода картографического и математического иоделирования , лазерного зондирования) дает'возцозность резать те или иные практические задачи. Однако все они не позволяют дать интегральнуа оценку загрязненности реки или ее участка, с учетои либего, складывавшегося в реальных условиях, комплекса загрязняющих химических вецеств, с одновременной дифференциацией долей вклада конкретных источников загрязнения, располоаешшх на водосборе, вклада каидого загрязявщего вецества в рассматриваемой комплексе, доли каадого источника в общий вклад в загрязнение но конкретному веществу.
Такус вознокность дает прииенешшй в данной работе показатель экономического ущерба от загрязнения поверхностных зод. Этот показа-
тель определяется по "Браненной типовой иегодике определения экономической эффективности осуществления природоохранных мероприятий и оценки экономического ущерба, причиняемого народному хозяйству загрязнением округзагцей среды", разработанной объединенной комиссией АН СССР и ГК11Т.
Экономическая оценка годового ущерба Зст.в/руб. год от годичного
сброса загрязнявших приаесей в к-й хозяйственный участок некоторым
источником определяется по формуле:
у - константа, численное значение которой рекоиендуется в "Методике ..." приникать равный 400 ( руб./усл.т). В 1S93 году значение этой константы составляет 445 рублей;
(qv - константа, значение которой зависит от наличия водных ресур-сов в регионе и напряженности водохозяйственного баланса, эти константы приведены в специальной таблице в "Методике" по 55 конкретним водохозяйственный участкаа рек бнвпего СССР;
Н^ - приведенная касса годового поступления приаесей от данного
!
источника в конкретный водохозяйственный участок (усл. т/год). Значение величины И определяется по формуле:
М = Z А/т , где
і - нонер сбрасываеной принеси,
К - обцее число принесей, сбрасываеиых источников,
ft — показатель относительной опасности і -го вещества о водоеке (усл. т/т), его значение равно величине, обратной ПДК. взятой по рыбохозяйственный нормам,
в;- обцая масса годового сброса і -ой примеси (т/гид).
Следует отыетнть , что зкоконический ущерб рассматривался яаии только как комплексный показатель и был использован в работе для
расчетов оценки степени загрязненности речных вод отдельных городов / 25, 27 /, регионов / 26 /, отдельных рек или их участков / 21 /. Так, в частности, оценка экономического ущерба, наносимого загрязнением речных вод региона, определялась по уравнении вида
Y = W Yn+ V + Y- Гйе
Y - уцерб от сточных вод промышленности и коиаунального хозяйства ;
Yr - удерб от смыва загрязнявших веществ с территорий городов региона;
Vj.//- уцерб от выноса загрязнядцих веществ-(удобрений и средств' борьбы с вредителями) с сельскохозяйственных угодий;
У„. - уцерб от выноса с естестенных и сельскохозяйственных ланд-вафтов загрязняащнх зецеств, выпавпих с аткосферныии осадканя.
Насси загрязняЕчих веществ, сфорцировавниеся з пределах определенных ландаафтоз, поступазт с поверхностным, почзенныи и грунтовым стокол в русловую сеть. Излогенные выае изтоды расчета этих насс по-зволяат перейти к проблеме регламентации их вредных воздействий на речные вода ка качественно новой основе, разработке рекомендаций по снияению поступления загрязнящнх веществ с учетов всех источников их формирования ( включая рассредоточенные и линейно-сосредоточенные источники ).
В настоящее вреая регламентация сбросов сточн.чх вод проводится по стандартизованной "Методике расчета предельно- допустимых сбросов /ПДС/ вецеств в водные объекты со сточнынк водами' сроком действия до 01.1392 СВШШВО,Харьков, 1030 г.). Приведенная з методике схема расчета чрезвычайно трудоемка и требует огромного массива исходной информации для характеристики сосредоточенных и рассеянных источников загрязнения, процессов сиенения и самоочищения в русле реки. В связи с чек требуется применение ЗВМ, подчас достаточно иоцных. В
- 18 -данной работе дается анализ особенностей этой методики,отмечаются єе позитивные и негативные стороны и делается вывод о необходимости более упрощенного подхода.
Зтот вывод согласуется с выводом, приводимый в работе О.Карау-вева (1391), который является одниа из основополозниксв модельных расчетов в области регламентации сбросов сточныхвод в реки. А.В.Карауаев указывал на ограниченные возиизности п»ииеііпниа сипест-вувцих моделей по расчетам ПДС конкретных выпусков сточных вод при расчетах по регулирования качества воды для участка реки или реки в целой, когда иеобходиио учитывать качество воды между предприятиями и населенными пунктами, когда особенно ванно объективно оценить качество воды в фоновых створах на отдельных участках и факторы, фор-мируацие его.
Е связи с вызеизлогенныи в работе предлагается использовать лан-.- —= дЕафтко-г-йдрологкческнй балансовый подход к расчетам, связанный с обеспеченней качества воды (по химическому составу) на заданной уровне.
Баланс отдельных загрязняпцих вецеств на требуемых ( в зависимости от задачи ) участках рассматривается по уравнении
И,, = И ; + И*„ + Ї . , где
31 Тр. і ПдК,- П1 ' "
И5^ - масса і-го загрязняющего вецества выше допустимой для этого участка массы с учетом предельно-допустимой концентрации;
НГр.і - масса транзита загрязнения і-го вецества;
IL.„.- масса і-го загрязняющего вецества на рассматриваемом участке, соответствующая уровне его ПДК ( а в случае изменения существующих нормативов,-любому другому заданному уровню), рассчитанная для разной водности.
НпС - масса 1-го вецества на расчетной участке, принимающая массу по ПДК.
В осноое такого расчета долгны лезать результаты гидрологической я гидрохимической съенок на входной и выходной створах участка, проведенных в основные фазы гидрологического разима. Результати съемок долгий быть привязаны к данный ииоголатних гидрологических н гидрохимических ревианых наблпдений на реке.
Расчеты следует проводить ка нескольких уровнях водности ( среднего года - 50 У. обеспеченности, маловодного - 95 % обеспеченности и ыиникального среднемесячного расхода для года 95 У. обеспеченности). Такой подход позволяет более корректно подойти к поэтапности в реализации водоахуааіШХ мероприятий, направленных на снигение загрязненности речных вод.
Для дифференциации І! по конкретним источникам загрязнения в рассмотрение вводятся коэффициенты, учитываете приоритет их вклада а загрязненность реки по і-му веществу, которые рассиатривантся как
Н : Jb
Kj = , где
и _ ц
KjC - коэффициент, характзризааций вклад j-ro источника по 1-иу загрязняющему веществу;
law - касса і-го вещества от J-ro источника.',-
Следует подчеркнуть, что в сосредоточенные источники загрязнения доляни быть вкличєїш выпуски всех канализованных сточках вод (вклв-чая ливневые), а такзе воды очистных сооружений, ксторае/как показывают наблюдения, в той число проведенные автором, б настояцее враия яздяптсд.источниками загрязнения рочних зод. -
Вклады в загрязнение речных вод отдельных сосредоточенных источников загрязнения определяйся по данным статистической отчетности, распределенных источников ( поверхностный сток с урбанизированных, сельскохозяйственных и естественных ландшафтов) раезчнтываптся по методике, приведенной выае, а вклад линейно-сосредоточенных источни-
ксв ( транзит речного загрязнения ) долген бить определен на основа-кии данных натурных наблвденкй.
Разработанная иетодология позволяет анализировать химический состав речных вод, формирующийся в результате взаимодействия естественных и антропогенных процессов, протеказцих как на водосборе, так и в санон реке. В ранках предлагаемого .систеиного подхода такой анализ когет проводиться для территорий природных и административных регионов.
Природные закономерности химического состава речных вод в условиях антропогенной деятельности.
За последние десятилетия в нагеп стране выявлены зональные зака-накеркости водного баланса и его структуры, определявших формирование водного стока и стока химических вецеств в реки. Продолжатся исследования вкутризональных особенкстен формирования стока и его генетических составлявших в рааках развития ландаафтно-гидрилогичес-кого направления. Идеи этого иетода, сформированные В.Н.Глуаковык, получили развитие в работах Басса СВ., Грина н.Н., Коронкевича U.K., Корытного Л.К., Крестовского О.И., Львовича М.И., Назарова Г.В.. Субботика А.И., Черкасова Е.Д. и ряда других исследователей.
Б области изучения влияния .зональности на формирование природного химического состава речных вод следует указать, прежде всего, ставсие классическими, работы Алекина О.Й., Брааниковой Л.В., Ворон-кова П.П. и Скакальского Б.Г.
Исследованиями первых двух авторов было установлено слияние широтной зональности на форкирование иинерализациии и ионного состава речных вод. Воронцовым П.П. были впервые установлены основные закономерности изменения гидрохимических характеристик лестного стока различных природных зон. Скакальскны Б.Г. на основании ландгаафтно-гидрологического подхода выявлены зональные характеристики склони-
-21--вкх, почвенно-грунтовых и грунтовых вод местного стока различных природних зон ETC (по иииералкзацки, преобладании апионау и катионам, бикроаатной окнсляеаости и обцей несткостн).
Развитие этого направления в гидрохимической науке осложнено в
бользой степени наличием антропогенного химического загрязнения пра
ктически во всех средах, отсутствием стационарных экспериментальных
гидрохимических набладенкй ( за нсклэчгниеи единичных ), а так.зе
обобщений той гидрохимической информации, которая узе накоплена на
гндри.чаг::': воднобалансозых станциях.
8 настоящее время хникчзекий состав речных вед з значительной цере обогатился за счет вецеств прекиуцаственна антропогенного происхождения. Однако и по составу веществ, которое в природних условиях определяли качество воды ( аинеральнае и органические вещества, иикрозлементн ), заметен значительный антропогенны?, вклад в их содержание в речных водах.
Крупномасштабная оценка роли антропогенной деятельности на формирование химического состава речках вод была проведена на основании расчетов выноса минеральных солей с речным стеков с территории бываете Советского Сояза и составлявших его бассейнов иорей, а такзе реакции речной води.
Первая количественная оценка ионного стока с указанной территории била получена з бС-иэ года Гілєкин:-:; O.fl. и Бр.,ц;;иковсй :~.3. на основании данных гидрометрических и гидрохимических наблюдений,проводившихся в 40 - 50 -не годы ий устьевых участка;, рек. По их данным наибольшее количество кинеральных солей внносхлосі рекаки бассейна Карского моря - 124.С млн. тонн в год, ішнтіальноб - рекаыи Балтийского ыоря -18.3 или. тонн. По данный этих авторов выявляется зависимость выноса от объема речного стока для районов с гуиидныа клина -той. Так водный сток в Карское і^оре соетазляет почти і/З часть всего речного стока с территории баззего СССР. Кроые тогэ, прослеживается увеличение минерализации речного стока с севера на иг, от тундра к
аридный зонам. Так, при близких значениях объемов речного стока в бассейне Черного и Азовского корей и е бассейне Балтийского коря ві нос кинеральних солей с речніш стокои в Балтийское море почти в ЗЛ раза кеньге ( 35 млн. тонн и ІІ ылн. тонн соответственно ). С некоторый допуценней uosuo полагать, что цказашше расчеты характеризовали винос ккперальпых солей в "доантропогенный" период.
Оценка современного выноса с цчетои антропогенного фактора сде-
-Ийял hu ишиы' і і;,і;[Яіх1шическнх наблюдении за качеством речного сток по затікавший створаа 220 рек. По данным о концентрациях ионов и на блззденнииу расходу водь- рассчитан ванос солей за год, наиболее близ кий к среднему ккоголетнеиу, и затеи произведено взвевиваниз по бас сейкаи порей по средкеиногалзтнки объеыаи речного стока, рассчитанным ГГК в ISO? годы.
Расчеты показали, что в целой винос солей за период порядка 40 лет цзеличилса почти в 2 раза. Наименьшие изменения произвели в азиатской части бассейна Северного Ледовитого океана. Максимальное увеличение генерализации, практически в 3 раза, характерно для бассейна Черного и Р.зовского морей / табл.1 /..
Таблица 1. Сдельный занос минеральных солей с речнии стоком по бассейнам иорей, в тоннах х 10 .
По Плскини О.П. 26
Современный 78
Балтийского
Рост минерализация її содерманкя отдельны:-: мзкоз относительно природного фона изменяется в зависимости от региона от 1,5 до 2,5 раз, за исключением наименее освоенных территории в бассейнах аорей Даптевих, Восточно-Сибирского і! Чукотского, где минерализация близка к природной.
Анализ дашшх ремимиих наблюдений свидетельствует о таи, что по гидрографически;! районам, к бассейнам крупних рек из наблпдаетса существенного изменения d соотношении глазных лонсз, характерних для природных услозмй С по даянии О.и.нлекнна ). Произошло увеличение их содержания з речных водах. Особенно резко возросло содержание хлоридов - в 2 с линннн раза и сульфатов - з 2 раза ( табл. 2 3.
Зтн зазода в целой ссмладазт с результатами исследований, полученных рмдои зетсйоз ( їарассз U.K., Фадеев 3.3., Пкхонсрев ft.li., Цнркумов З.В., Пзлепенхо З.И., Хкльчевскпн В.К. н другие) па оценке тенденций з изменен:;!! минерализации п содержания отдельных иопоз з речнкх содах в антрзпагепнкк период. Однако полннЛ совместима анализ этих работ затруднен в виду разных мас~табоз пространственного н временного обобщенна.
Загрязнение атмосферних осадков за счет проииглеиных сабросоз в атмосферу привело.к образован;;:: в ряда районов кислотных осодкоз и захислекнз, б основной за рубехом, поверхностных з ід. В данноЛ работа была сделана крупномасштабная оценка этого язлзккл на территории быБзего СССР.
Анализ средних гедозмх pit, енпалкенннх по длин:и релнмннх наблюдений на 22(3 реках за двадцатилетний период, результати мониторинга закислення речпнх вод, проведенного по програмне аьтора / 35 / на реках бассейнов Белого, Баренцева и Балтийского мер эй, показали, что р!1 речных вод на рассмотренной территории близок к вентральному, а территориальное распределение зтего показатели отражает ( мкротнуз ) географическую зональность ^ариирозаїшя качества по гзрхностних под -сдвиг реакция речном води з сторону щелочной б направлении от гуимд-нмх районов к ариднмм.
Таблица 2.
Речной сток и вынос сульфатов по бассейнам морей.
п/п
Бассейн:* иерей
Плоцадь, тис.кн-
Водный
* - в пересчете на средний многолетний водность, указаннци в таблице.
Кислотные осадки, которые наблюдаются в отдельных районах страна, где икевтея мощные ксточнкки загрязнения атмосферы окислами азота к серы, могут приводить к иодкислениш вод ь'алых рек и озер в условиях природной предрасположенности этих объектов к закисленню. Крупноиасптабного закислення речных вод, связанного с загрязнением атмосферных осадков._по исследованиям автора, в настоящее время не наблЕдается / 30 /.
Влияние климатической зональности на формирование химического состава речных вод в условиях антропогенной деятельности исследо-
валось в работе длл тех фононах районов (биосфєрнпх заповедниках), где випо.іїиштся рггулгфкне наблзденка за загрязненность!) природних сред на станций): фонового мониторинга (СНОП) Перезинского, Прпок-сио-7ерраскиго, Баргузнпского (райони гуиидного климата) и Сорс-зого (арндннй клипа-). Били выбрана блиаайЕие і; Фоновії-; станциал рочнне водосборы или их участии, где речной транзит загрязняли:* вецестз или полностью отсутствует,или его несложно выявить я, кроне того, ичезтсд регулярные гидрометрические и гидрохимические наблюдения: р. Осэтр Сд. Ізарккно); р.Ока Сд. Вендерево); р.Баргузин . (с. L'croiiTO;, ,-, иптїш (до г. Падайбо) и p. Ibivi (с. Тургепевка) и р. Каин (с. Ь'дарное).
D свази с тем, что не по всец загрязняющим веществам севпедаат программа исследования з отдельных среда::, был» составлена и проанализированы баланси свинца, сулы^атсз, ДДТ п ГХЦГ. рассчитывалась выпадение этих веществ ка водосборн, а танке зинос с грунтовой и поверхностно-почвенной состзвлйзцици речного стека. Баланси составлялись за год, а таиае за топлие и холодине сезона года / Зі /.
Анализ результатов исследования показал, что для таких легко ни-грируїгдо вецестз как сульфати в оонознх районах зональнап закони-нерность формирования стока проявляется такге как її в "доантропоген-ннй период": в гумндных районах вынос с водосбора существенно презирает выпадение из атмосоерп, винос с грунтовой сое,'голбцем преобладает. В аридных районах происходит значительное накопление сульфатов на водосборе (вынос в 4-5 раз ігеньае випадення из аткасфорн). Что касается таких веществ как свинец ц пестициди, то.негазинсимо от зоны,накопление на водосбора преобладает над випсегм с речной стопой: в 2 и более раз по свинцуй в 4 и более раз пс; пестицидам.
Ланд:афтно-іслппатпчес;сие зскалькне закономерности формирования химического состава речных вод были рассмотрена на принесе сульфатов для водосборов, рзсполоненких в различных ландаастпе- климатических зс. ;Х Русской равкннн, средних по площади, в которых отсутствует
крупные локальные источники загрязнения.
Балансовое расчета по приведенной бкзє методике показали, что в зоне тайги примерно 55.0 7. сульфатов в речной стеке формируется за счет вккызаккя с территории водосбора в весенний период, 10.5 %- за счет подземного стока, 15 7. - за счет жидких осадков и 11 У. - за счет стока талих вод весной.На нге Европейской территории России, в степной зоне около 30 У. сульфатов поступает в реки с грунтовка "стоком, ЪУ. - за счет поверхностного весеннего стока.
В структуре поступления сульоатов с период половодья, преобладающа роль па сезере Европейской территории России играет вкыыеание сульфатов с поверхности водосбора, в зоне лиственных лесов - грунтовый сток в реки, и вниквание с водосбора, в лесостепной и степной зонах наблюдается поступлений сульфатов ?, реки прсицу-ественно с ґрунтовна стекся.
Зти закономерности xopozo соотносятся с зональными закономерностями форинрования водного баланса: убыванием коэффициента полного речного стка от 0.5 в таеаноГ» зоне до 0.15 в стеш'ок, спи-шшо) в этой хе направлении абсолатнк:: значений речного стоки и его составлявших (поверхностного и грунтового), форикрованиец на большей части территории 60—?0 У. объеаа годового речного стока в периид половодья.
Выводи о преобладаний роли грунтового стока в яориирииании содержания сульфатов в речных водах в засушливых и сухих районах сов-" падают с выводами В.П.Зверева (1971) о том, что на территории бив-гего СССР "в районах достаточного и недостаточного увлажнения на 'первое несто в обцеа балансе растворенных солей выходит подземннй химический сток, который в пределах сухих зон yse становится докнни-руюцик".
Вопросы о роли почвенно-груктового и грунтового стока в формировании баланса химических вецеств в речных водах, влиянии па его.хи-нический состаз атмосферных осадков в настоящее время уало изучены.
- г\і - у
палось в работе для тех «м*пму. дзДаі^пХйао сфер них заповедниках), где выполняется регулярные наблюдения за загрязненности природных сред на станциях фонового иоииторинга (CKJH) Березинского, Приок-ско-Терраского, Баргузииского (райони гуиидпого климата) и Перового (аридный климат). Били выбрана близайгие к фоновий станциям речные водосборы или их участки, где речной транзит загрязняли* веществ или полностью отсутствует, или его неслозно виявить и, крике того, имеется регулярные гидронетрические и гидрохимические на-блвдения: р. Осетр (д. Каркино); р.Ока (д. Вендерево); р.Баргузин .. (с. Ногопто); р. Витим (до г. Бадайбо) и р. Иски (с. Тургглевка) и р. Иьин (с. Ударное).
В связи с теи, что не по все* загрязнявших веществам совпадает программы исследования в отдельных средах, были составлены и проанализированы балансы свинца, сульфатов, ДДТ и ГХЦГ. Рассчитывалось выпадение этих вецестз на водосборы, а такге вынос с грунтовой и поверхностно-почвенной составлявшими речного стока. Балансы составлялись за год, а такіе за теплые и холодные сезоны года / 31 /.
Анализ результатов исследования показал, что для таких легко мигрирующих веществ как сульфаты в фоновых районах зональная закономерность формирования стока проявляется такге как и в "доантропоген-ный период": в гуыидных районах вынос с водосбора существенно преэы-вает выпадение из атыисферы, вынос с грунтовок составляема преобладает. 8 аридных районах происходит значительное накопление сульфатов на водосборе (вынос в 4-5 раз аеньгг выпадения из атмосферы). Чти касается таких вецестз как свинец и пестициды, то,независимо ст зоны,накопление на подосооре преобладает над выносом с речным сто-ксы: в 2 и более раз по свинцу/ в А и более раз по пёстиц'/.даы.
Лакдгафтки-кликатичгские зональное закономерности формирования химического состава речных вод были рассмотрены на примере сульфатов для водосборов, расположенных в различных ландсафтпо- климатических зонах Русской равнины, средних по плазадн, в которых отсутствует
- 20 -крупнее лекальные источники загрязнения.
Балансовые расчет:-» по принесшей вь'зе методике показали, что п зоне тсГ.гн примерно 55.5 У. сульфзтоз в речной стоке формируется за счет виулваиия с территории водосбора в весенний период, 18.5 7.- за счет подземного стока, І5 7. - за счет хидких осадкон и 11 У. - за счет сто:;а талч:< оод весни?,.На иге Европейской территории России, в степпей зоне сксло 90 7. сульфатов поступает о реки с грунтовым стоком. G/. - за счет поверхностного весеннего стока.
В структуре поступления сульфзтоз в период половодья, преоблада-Ецьт рель ка север.? Европейской территории России играет внмызание сульфатов с поверхности водосбора, в зоне лиственных лесов - грунтовый сток в реки и вымывание с водосбора, в лесостепной и степной зонах наблюдается поступление сульфатов в реки преимущественно с ґрунтовка CTOKC.I.
Эти закономерности хорого соотносятся с зональними закономерностями формирования водного баланса: убыванием коэффициента полного речного стка от 0.5 в таегней зоне до 0.15 в степной, сниаенкемв зтоа за направлении абсолзтных значений речного стока и его составлявших (поверхностного и грунтового), формированием на большей части территории 60-70 7. объема годового речного етика в период половодья.
Вквсдц. о преобладаете!"! роли гру.чтовего стока а .формировании со-дергакиз сульфатоз в речнах водах в засугливаХ и сухих районах сов-падагт с выводами D.П.Зверева С і3713 о тем, что на территории бывшего СССР "із районах достаточного и недостаточного увлажнения на первое кесто в оС^ем балансе растворенных солей выходит подзимний химический стек, который в пределах сухих зон ухе становится домипи-русчик".
Вопросы о роли почзенно-груктозого и грунтового стока в формировании баланса химических sc.H.ec"~ J}^11I"!'.'-—' '''> влиянии на его химический состаз птносферних осадков в настоящее грека мало и'знчпш
Ha :.:0.1 приведена аналитическая модель структури водного баланса, .прзддехенная автериы з 1977 году / у' /. S схеме. изиПрагсипой на рисунке, аналитический путем блли узязанк иегду собой коэффициенты, определившие структуру подлого баланса: Кр =- - коэффициент полного речного стока, характсризуплий итоговую фазу расхода осадков, полини речной сток и испарение: -у - коэффициент, характеризуючий соотпоаоние в полной речнек стеке груїітозои и пезехностно-ппч-венной составдяпзеи: Kw = ~— коэффициент валового увлагиеиия территории, показквас^ий, какая часть осадков расходуется на филь-% траиии з почзу и задергивается растителышетьа. а какая стекает поверхностном путей з реки; коэффициент испарения К ; -^ характеризует соотнесение расходования валового увлагнения-территории на испарение к питание рек грунтовыми водами.
В основе схеии легит зависимость мегду коэффициентом полного речного стека н коэффициентом испарения. Соотношение этих козффішиен-tod представляет собой поле, ограниченное крт-ой нЗС и пряной ПС. Прямая ftC, выражаемая уравнением Ка= I - К, характеризует такие условия на речном водосборе, когда поверхностней сток отсутствует н питание рек происходит только за счет грунтовых вод (U= R). Такие условия, в частности, могут наблюдаться з районах распространении вулканических туфоз, крупнообломочного натериада и открытого карста. Кривая ЯЗС отражает условия, неблагоприятнее для инфильтрации осадков. випадаа:;.'.х на водосборе - ґрунтовки стек в реки достигает минимальной величины и стремиться к пула. На основании уравнений Ка = 1 - Kj.-Kvv' и Кft = r~^'Fffiif) введенных я3 системы водноба-лацсоБЫХ уравнений і>Бсвича К.Л. / 1563- /, проведена днффсгонциац'.ія поля с псиог,ы) коэффициента узлагкекия территории ( Kv) и коэффициента грунтового питания реки (V"u)-
сі лі ач es ай oj as as
Аналитическая иодель структура водного баланса.
— - граница природных зон
-
- аридные зони
-
- сеииаридіше зоны -
-
- гуьидные зоны равнинных районов IU - гухидные зоны горних районов
Якализ «одели показывает, что доля поверхностного и грунтового стока когет теоретически изменяться во scex зонах от 07. до 1С02. Зксг.ериийнта/.ьниаи исследованиями, проведешшии в СИП на 50-тн ре-перккх водосСсрах (1S33), показало, что с одной стороны при сходных гидрологических "слоаиях и состазе пород, разница о минерализации речного стека Судет связана с объонох годового стока, котории подчиняете* закону географической зональности. С другой стороны, в одной и тсЛ їо природной зоно разница а кинерализацки ґрунтових бод. дренируемых ргкаии с зодосберев, слогениих разішаи породами кохет различаться как миниауя з 1С раз. Зти выводи подтзерхдаят приоритет-
На ркс.і приведена аналитическая иодель структури йодного баланса, предложенная автором в 1377 году / к /. 3 схепе, изображенной на рисунке, аналитически;! путей били увязана кезду собой коэффициенты, определяющие структуру водного баланса: К„ = — - коэффициент полного речного стока, характерпзуяцил итогозуз Фазу расхода осадков, поліпі!': речной сток и испарение; ' = ~ - коэффициент, характернзуз-5ин"соотношение о полной речной стока грунтовой I! повехностно-поч-зенной составлявшей; Kw = ~— коэффициент валового увлажнения территории, показиващпй, какая часть осадков расходуется на ? и л ь - _ трацмз в почву и задергивается растительность.1:, а какая стекает поверхностным путей в реки; коэффициент испарения К6 = — характеризует соотнесение расходования валового увлажнения- территории на испарение и питание рек груктозпни бодл'чи.
В осново схєіпі ле:знт зависимость мезду коэффициентом полного речного стока и коэффициентом испарения. Соотношение этих коэффициентов представляет собой пола, ограниченное кривой АЗС к прямой Р.С. Пряная ЯС, вкрапаекая уравнение:.: К^ = і - КЕ, характеризует такие условия ка речной водосборе, когда поверхностный сток отсутствует и питание рек происходит только за счет грунтовых вод (U= R). Такие условия, в частности, могут наблюдаться з районах распространения вулканических туфов, крупкооблоиочного материала и открытого карста. Кривая нЗС отражает условия, неблагоприятные для инфильтрации осадков, випадаючих на водосборе - грунтовый сток в реки достигает минимальной величини.и стреиитьси к нуля. На основании уравнений К = і - Kc-Kv/ и ^-,=7^-7777-^. выведенных из систеиц водноба-лаисовых уравнений Львовича К.П. / 19СЗ /, проведена дифференциация поля с поио^ьв коэффициента увлазнения территории ( Kv) и коэффициента грунтового питания реки (*fu).
<;.; -— л.' »?~
т~
' T"t-
-—- ' lj і NJ.V«
^
Щ\Ниг
а и и w м 5 и « и tec Рис.1.
Аналитическая модель структуры водного баланс;
граница природных зон
-
- аридныо зоны
-
- сеииариднке зона
-
- гувидные зоны равнинных районов IU - гуиидние зоны горних районов
Анализ модели показывает, что доля поверхностного и грунтового стока uoseT теоретически изменяться во всех зонах от ОХ до 100%. Зксперииентглышь'и исследованиями, проведеннігки в США на 50-тк реперних водосборах СІЗСЗ), показано, что с одной сторони при сходных гидрологических условиях и саста-зе пород, разница о минерализации речного стока будет связана с объемен годового стока, историй подчиняется закону географической зональности. С другой стороны, в одной и той же природной зоне разница в генерализации ґрунтових вод, дренируеиих реками с водосборов, сложенных разным» породой:: ..сгет различаться как икнииуи s 10 раз. Эти выводы псдтвергдаат г. :оритет-
'Ы - 23 -
нуа С наравнэ с клинатои ) роль геологического фактора в формировании химического состава речных вод и необходимости учета грунтовой составлявшей при анализе баланса химических вегеств в речных водах.
D данной работе генетическая связь атмосферных грунтовых и речных вод была проанализирована на оснозаник экспериментальных исследований их химического состава, проведенных авторри в 1SS0 - 3! годах на Подмосковной водсбаллнеозой станции, а танзе обобщения результатов надл"дення за кинерализацнеи ч ц'аннин составом на этой станции за период і947 - ІЗС0 г.г.
Результаты исследований показали, что минерализация атмосферных осадков и содержание в них сульфатов соответствует фоновый змачени-иа. Реакции всех пикш апди ниркальная. Наблюдается четкая связь иеяду резимон онпаденпя атмосферных осадков, уровнями ґрунтових вод и уровнями води в реке Недвеаке, Внутригодовые средина косячные концентрации сульфатов в грунтовых и речных водах, осреднениях за многолетний период, изменяется з пределах 10 кг/л. Экспериментальные значения концентрации сульфатов з атмосферних осадках примерно в 15 раз ниге средних годовых значений в грунтовых водах и в 30 раз нисе концентрации з речных водах. По расчетам Субботина її.П. грунтовай сток в реку Иедвенка визе зонального и составляет около 452 полного речного стока, что позволяет с учетои выводов, приведених вине, сделать заключение о примерно разной вкладе грунтовой и поверхностной составляющих в формировании баланса сульфатов в водах Иедзенки.
Среди антропогенних факторов Формирования химического состава речных вод рассматривались источники поступления загрязняющих ве-дестн в роки: сосредоточеннее, рассредоточенные (поверхностный сток с урбанизированных и сельскохозяйственных территорий, загрязненный атмосферными осадками поверхностный сток с естественных ландиаотов) и линейно-сосредоточенные (транзит загрязнявших веществ,поступивших с водосбора, водный транспорт, лесосплаз).
Результаты нноголетнкх работ автора по долгосрочному пропюзиро-
- зо -
вакиа качества речнігх вод, проводимых в рамках НИР ГКПТ, показали,
что к 2000 году основная ыасса загрязняющих веществ скорее всего бу
дет поступать из рассредоточении источники!? (взвешенные и оргапичп-
скна вещества, биогенные элементы, нефтепродукты, ыеталлы, пестициды
и другие), от водного транспорта (нефтепродукта, взнесенные и орга
нические соцестза), лесосплава (биогенные и органические вещества!
/ 33 /.
Что касается оценок влияния на загрязнение речных ппд спсредптп-чекнчх источников загрязнения, то этот вопрос с методологической точки зрения является наиболее проработанный на сегодня. Среди бпль-еого количества цатеиатичееккх моделей прежде Rcern следует указать иоделк Ксраузева ft.Б,, Родзиллера К.Д., Беспенной М.Я., Оллькпве-кой Й.Н., Сухорукова Г.А..
Специфическими особенностями рассредоточенных источников является болыгая плоцадь Еаноса загрязнений, трудность их регламентирования, а частично и '/.денглф'дкацки. В настоящее время эти вопросы еце недостаточно изучены, суцестауацие расчетные схемы носят в значительной мере ориентировочный характер и не всегда дают возможность получить достоверные сведения о рассеянно» поступлении загрязнявших
ВЄ:;ЄСТЕ.
В этой связи в данной работе исследовались вопросы влияния урбанизации и загрязненных атмосферных осадков на формирование химчиско-го состава речных вод. Многолетние теоретические и экспериментальные исследования автора в этой области отличлкся от работ других авторов ( Зкгорнна Г.Г.. Правоаикского М.Й., Хвата В.М.,Приыа II.Г., Скакальского 5.Г.- по вопросам влияния урбанизации, Зверева В.П., /іавриненко P.O., Пелвиенко В.И. и его еколы, П.Л.Зуева и других -по вопроса»; влияния атмосферных осадков ) применением системного ландгафтно-гидролопіческого подхода, изложенного выше.
Закономерности изменения водного стока и стока химических земств под влнр.ккек технагзназации ландшафтов на npvutepe урбанизированных территорий.
Техногопизацня природних ландшафтов, снизанная с их полним или частичный преобразование*; (ирезде всего естественного покрова"), при внесении на их поверхность нз атиосоерн практически всего существующего комплекса загрязнявших веществ находит наиболее яркое отрази-" ние на урбанизированных территориях.
Снижение инопльтрацнэнноЯ способности водосборных территорий, увеличение скорости добегания приводит к росту поверхностного стока с городах, а содержание в неа комплекса загрязнявших вецеств и значения их концентраций делают его с о но с танин и;.; но загрязненности со сточными водами предприятии.
R качестве иллюстрации форсированна водного стока и его химического состава на полностьп технагенизированнон ланднафте в работе рассмотрена одно нз типичннх для города предприятии с его территорией, расположенное в Люберецкой промазленной зона, которое было обследовано автором в І331 году.
Приходная часть водного баланса складывается из водозабора из горканалкзации и атмосферних осадков, випаданих на его территорий. D водоотведеняи 5SZ приходится на дола хозяйственно-битовых н производственных условно-чистых вод и 42% - на долп ливнепнх вод. Анализ химического состава разных видов вод на предприятии показал, что ли-вневнй сток по ряду токсичних веществ (нефтепродукт», СПАС, Ї0ЛЄ30, свинец, иедь. циик) загрязиенен на уровне или существенно внес сточ-них под предприятия.
Стуктура ландшафтов в городе многообразна и зклпчает в себя как непроницаемые н ^алопроницаеигш территории типа асфальта, бетона, коммунальных и проикилешшх застроек, уплотненных илодадок и т.д..
так и. проницаемы?) территории в виде газонов, скверов,парков к сельскохозяйственных территорий, занятых садаыи и огородами. В связи с этиа значительно изменяются условия стока по сравнении с естественными территориями в окрестностях города.
Обобщение отечественных и зарубежных данных экспериментальных наблюдений на урбанизировшшх территориях показали, что на непроницаемых и иглопроницаеиах территориях коэффициент поверхностного "стока колеолатса от и,з до 0,а ( в зависимости от типа территории и сезона года ).
Влияние города на гидрологические процессы в больвой степени зависит от зональных физико-географических условий, а такде от размеров города и его исторического развития. Для налах и средних городов с численностью населения кснее 300 тысяч человек -площадь непроницаемых территорий, как правило, пеньке 207,. В крупних городах, где число жителей достигает миллиона и более, плоцадь, занятая застройкой и асфальтом, колеблется от 302 до 702 в отдельных района города.
Результати расчетов ( объемов поверхностного стока ) для малих, средних и крупних городов, расположенных в различных природних зонах, позволили выявить ряд закономерностей в его формировании. В малых и средних городах лесной к лесостепной зон наблюдается иеньиее увеличение стока на единицу прироста непроницаемых площадей по сравнений с крупными и крупкейсими городами. Это явление можно отчасти объяснить тем, что в їіалііх к средних городах в балансе городских зеїіель болызуа долю занимают сельскохозяйственные территории, которые в сумае с зелеными насазденидки могут составлять 502 и Польше от обцей территории. Увеличение стока на территориях небольвих городов изменяется б пределах 25 - 502 по сравнении с неурбапизированпыии ландааотаии, что находится в диапазоне внутризональной вариации коэффициентов поверхностного стока лесной и лесостепной зон.
В городах с алоцадьа непроницаемых территорий порядка 30 - 402 сток уоеєт увеличиться на 100-200%. Максимальное увеличение поверх-
- 33 -ностного стока по сравнения с зональний наблздается в аридных районах, где он нозет многократно возрасти на городской территории, т.к. в аридных районах увеличивается различия в формировании стока на непроницаемых и проницаеных поверхностях. Если в условиях достаточного увлажнения на проницаемых территориях сток формируется даге в летнее вреия года, то а аридных районах осадки в теплый сезон практически полностью расходувтея на увлажнение почвы и ннфнльтрациа.
Наибольшие объемы поверхностного стока форкирузтея в крупных и крупнейЕИХ городах в зоне достаточного к избыточного увлажнения. В целой для иалых и средних городов объемы поверхностного стока находятся в пределах от нескольких тисяч м^до 25 илн.и3 в год, для крупных городов объени поверхностного стока вырастает до'-45 нлн.н3, а в крупкейзих достигает 200 клн.и?
Следует иыеть о виду, что на иалых реках с расходов до 100 н /с поверхностный сток с территории города иояет достигать 102 речного стока аиле города. На средних и крупных реках вклад поверхностного стока с урбанизированных территорий значительно падает и составляет в речнсы стоке около IX, например, сток с территории г. Петербурга в р. Неву.
Гораздо более негативное воздействие повехностнкй сток с урбанизированных территорий оказывает на качество речных вод, винося в них болызое количество загрязнявших пецеств.
Вклад поверхностного стока.с территорий городов в загрязнение водных объектов сопоставим с вкладов промиаленных и хозяйственно-бытовых предприятий и достигает в крупных пропиленных городах 40-50Х суммарного выноса веществ. Наиболее загрязненный поверхностный сток формируется в промысленной зоне города и в сунне с загрязненным стоком автомагистралей иоает составлять 90Х суммарного выноса загрязняющих вецеств с территорий города.
Практически во всех городах приоритетными загрязнявшими вешест-вани по массе выноса с поверхностный стоком является взвезенные вг-
-.34 -цества, органические вецества к нефтепродукт. Масса взвеиенннх Re-цеств в поверхностной стоке крупних проїшсланних городов гунидных районов иоіет достигать 100 тис.тонн в год, органических веществ ( по БПК ) - 3 тыс.тонн в год и нефтепродуктов - 3 тыс.тонн в год.
Оценка вклада в загрязненность речных вод атцосферных осадков.
Как показнвашт комплексные экологические обследования городов, кроие указанных вецеств в поверхностной стоке с городских территорий иогет присутствовать довольно больгой перечень загрязняацих веществ, в той числе ртуть и бенз(а)нирен ( вещества I класса опасности ). Присутствие специфических для промыаленности загрязняющих вецептв в поверхностной стоке с городской территории свидетельствует о загрязнении поверхности города выбросами проїшгалешшх предприятий. По расчетам Оридмана 8. Д. и Василенко В.К., от 3 до 5И масс загрязняющих веществ, віібраеизаеїшх з воздух предприятиями города, загрязнявт его территория. и в целой на все территорий бызвего СССР в 1990 году випадало около 15 илн.тонн сульфатной сери и примерно 0,5 млн.тонн составляла сууыа выпадений нитратного и аыиоиийпого азота.
Выше указывалось, что в ходе данного исследования автором получена оценка антропогенной составлявшей сульфатов в речном выносе и коря, равная примерно ВО илн.тонн в год. Учитывая расчеты Фридмана В.Д. и Василенко'В.II. при допущении, что в течении года в гунидных районах практически все вшіадашцие. на поверхность нодосбирив сульфаты поступант в речнуи сеть, поено подсчитать, что вклад атмосферних осадков в загрязнение речных вод сульфатами составляет 25Х их общего содергания. Этот вявод бил проверен на основании сопоставления выпадений сульфатов на водосборы с содерганиеи их в рнчних водах. Нагрузка випадення сульфатов на речние водосборы рассчитывалась пла-никетрирова::;:ек карт годовых вкладений сульфатной серы, построенных Фрндканои %.й. и Василенко Б.Н. по данныа мониторинга загрязнения
- 35 -'; атмосферных осадков, а содерзание сульфатов з речных водах рассчитывалось по данный резимннх наблюдений за расходами воды и концентрациями сульфатов в речных водах.
Анализ результатов исследования показал, что в целой на территории страны к гидрографический районан вклад атмосферной составляйте находится на уровне 20*/. от общего содержания сульфатов в речноа стоке. По бассейнам иорей па первом песте - Каспийское (20%), затем Черное и Балтийское (14%. 13%).
По крупным речныи бассейнам вклад атмосферной составляющей изменяется от 5'/. до 30%. Наибользий вклад атмосферной составлявши в речном балансе сульфатов отмечается эГ! бассейн? Лнеира (23%). Этот вы-вод подтверздаит расчеты В.К.Хильчевского, выполненные для бассейна Верхнего Днепра. Минимальное значе. ие наблндается в бассейне Северной Двины, что объясняется малой природной минерализацией осадков в этой зоне и относительно налой хозяйственной освоенностью этой территории. Это становится более очевидным, если для сопоставления взять бассейн Западной Двины, где атмосферная составляющая в выносе сульфатов возрастает до 16%. Атмосферная нагрузка сульфатов на территория этого бассейна на 17% вине, чей в бассейне Северной Двины в годовой разрезе и существенно визе'в холодный'период года. В Каунасе концентрация сульфатов в холодный период составляет 8,6 мг./л, практически в 2 раза превыиая концентрации теплого периода года. Локальные источники загрязнения играят больяуп роль в общем загрязнении этой территории антропогенными атмосферными сульфатами. В центре сланцевой промышленности г.Кохтла-Ярве концентрации S0^~-в осадках холодного периода возрастает в 8 раз, а в теплый в 10 раз по сравнения с фоновыми значениями. Кроме того Прибалтика находится под воздействием воздушного трансграничного переноса загрязннищих веществ из Западной Европы.
Выпадение загрпзнязяих везеств, обусловленных трансграничным переносом, контролируется сетьз станций, входящих в общегосударствен-
- зо -
куп систему мониторинга.Что касается проблемы трансграничного переноса -загрязнявших вецеств с рсчныа стокои, то ее еце предстоит ре-аать.
Транзит загрязняющих вецеств с речным стокои.
В карте 1992 года в Хельсинки (Финляндия) 22 странам и ЕвропеА-скик соооцествоа сила подписана конвенция по охране И ИСПОльзіШНИИ трансграничных водотоков и иендународных озер. Одной из основных це-яей этого соглаавния является развитие национальных и иеядународных иер по предотвраценна, ограниченно и сокращении, сбросов токсичных веществ в воднуа среду.
Не ценес актуальна эта задача н на внутригосударственной уровне.
Б связи.с переходои в І93І году к экономический ыетодаи управления природоохранной деятельностьа в России установлены нормативы и платы за сброса загрязняющих веществ в поверхностные води. Расценивая зто явление как положительное, следует теи не иенее отаетить, что при взимании платезей к штрафов практически не учитывается качество воды в иестах водозабора из рек. где в результате транзита загрязнения оно не достигает нормативного уровня.
Б этой связи необходимо не только определять качество води в местах, где реки пересекаат административные и государственные границы, ко к выявлять и оценивать источники загрязнения. Расчеты^показывает, что крупний источник формирования сточных вод ьіоеєт негативно влиять на качество речной воды ка расстоянии в десятки километров.
В связи с этик в данной работе сделана оценка речного транзита загразняп^их вецеств на некдугороднем уровне ( р.йсеть от истока до Каненска-Зральского ), иегобластнои ( граница иегду Московской и Владіширской областями по р.Клазьме ) и цеяреспубликанскои ( Россия и соседние республики ).
Для расчета влияния транзита загрязнявших вецеств по реке Исеть
в пределах Свердловской области бнл использован экономический дцерб от загрязнения ( в качестве комплексного показателя ).
Расчеты проводились по разный группировкам ( в зависимости от превышения ПДК на разных участках реки ) из 12 наиболее распространенных зецеств: органических ( по БПК^-), взвешенных, нефтепродуктов, Fe, С Г, SO1', Hi, Zn, Pi, K02, ШІ , СПИВ. Токсичность этих вицеств рассматривалась в 2-х аспектах: рыбохозяйственнон и санитарном.
Пространственная агрегаций в расчетах проводилась по следующим уровняй: город, конплскс предприятий, отдельные предприятия.
Временная агрегация проводилась на годовой уровне и средних ае-сячішх уровнях, отразаисдх основные фази гидрологического резина: непень, половодье, доздевце пазодки.
Кассы загрязняс^их веществ рассч-тывалгхь по данный непосредственных гидрохимических и гидрометрических набладений на пунктах сети ОГСНК, расположенных в пределах городов в бассейне р. Исеть на 160 км участке от истока до контрольного створа г.Каненска-Уральско-го, и данных комплексных гидролого-гидрохииическнх съеиок,проведенных Эральским УГКС в течение 1384 года у населенных пунктов, где отсутствовали сетевые посты наблюдения. При этом учитывались только те массы, которые превышали соответствупцуп характеристику на уровне І ПДК для каядого конкретного вещества.
Результата расчетов, полученные для дер.Палкино, г.Екатеринбурга, г.Араниля, дер.Калаткино, г.Двуреченска ( приток р. Исеть-р.Сы-серть ) и г.Какенска-йральского показываат.что уцерб от загрязнения поверхностных вод отмечается узе в первом населенном пункте в истоках реки ( дер.Палкино ). Санкционирование крупного города с более чем киллионнші населением ( г.Екатеринбург ) приводит к образование довольно серьезного загрязнения реки на десятки километров. Уцерб от загрязнения реки возрастает в 260 раз низе г.Екатеринбурга.
Транзит загрязнения от г.Екатеринбурга приводит к току, что практически на всем рассматриваемом участке происходит разбавление сто-
-:38 -
чных вод, сбрасываемых предприятиями нигележацих городов, уве загрязненной ВОДОЙ.
Расчеты показали, что уцерб от загрязнения городами отдельных участков реки возрастает в половодье и паводки в 2-3 раза но сравнении с ыеяенныи периодон, что преаде всего связано со смывом загрязнявших веществ с городских территорий и активизацией процесса вторичного загрязнения из дошшх отлоесний.
Разработанная в работе метгдология позволила оценить и ранянро-вать по приоритетности негативного воздействия на речные води вклад конкретных промысленных предприятий, коммунальных хозяйств, поверхностного стока с городских территорий. Практически во всех рассмотренных пунктах 402 обцего ущерба от загрязнения речных вод приходится на долю неканализованного поверностного стока, формирующегося на их территориях.
Исследование масстабов транзита загрязняЕзих веществ на межобластной уровне показали, что за год Клязьмой из Московской области во Владимирские переносится примерно 4000 тонн амонийного азота, 1500 тонн аелеза, 250 тонн нефтепродуктов, более 200 тонн нитритоз. 100 тонн СПАВ, 50 тонн формальдегида, более 10 тонн фенолов и меди, 5 тонн цинка и никеля.
Анализ данных многолетних регимкых каблвдений свидетельствует о росте загрязнения вниз по течении р.Клязьмы в пределах Московской области по фенолам, нефтепродуктам, СПАВ, формальдегиду, ионам аммония, нитратам, гелезу и кеди. Рост загрязнения прослаивается как. по Фоновым, так и по контрольным створаы. Кроме традиционных источников загрязнения: сточных вод предприятий, зивотноводческих ферм, смыва удобрений с сельскохозяйственных полей, а такге стока загрязнявцих вецеств, випадаючих с атмосферными осадками, выявлен такой источник загрязнения как кустовые очистные сооруаения С HSIiKX ). на которых собирается сточные воды предприятий нескольких городов, [[осмотри на наличие биологической очистки и аэрация сточных вод, эти предприя-
-39-:
тия коммунального хозяйства, размещенные за пределами городов, является ноцннми источникаии загрязнения речной воды и донных отлояений. Ниже их выпусков набьлюдается превыаение предельно-допустимых конце-траций практически по всену перечни перечисленных виге веществ.
Расчеты транзита загрязняющих веществ с речным стоком на межреспубликанском уровне проведены для европейской территории России, стран Балтии и Закавказья, Украины, Белоруссии и Молдови на основании данных резинных наблюдении за расходами воды и концентрациями загрязняющих веществ на сети ОГСПК. При сборе иифорнации выбирались блигайзие к границе аегду двумя странами створы, і388 год бил выбран как реперний по признаку наличия полной исходной информации.
Данные суточных иаблидении осреднялись за годовой период и анализировались относительно соответствия концентраций загрязнявших вецеств существующим критериян загрязненности поверхностных вод: Потоки загрязнявших вецеств рассчитывались на основании данных наблюдений за расходами воды и концентрациями загрязняющих веществ.
Анализ результатов показал, что на всех рассмотренных реках существует транзитный перенос масс загрязняющих вецеств, препицавчих разревенные норнативами величины по тому или другому перечня загрязняющих вецеств ( сульфитам, нефтепродуктам, фенолам, азоту аммонийному, нитритам, меди, цинку, никелю, хрому, пестицидам ).
Иаксиыальные из рассчитанных потоков наюлшдаатся из Румынии на Украину ( р.Дунай ), из Украины в Рос-.ив ("р'1'Северский Донец на виходе из Украины в Россию ), а такзе из Украины в Молдову ( р.Днестр на выходе из Украины в Молдову ).
Анализ размещения пунктов общегосударственной сети гидрохимических и гидрометрических наблюдений свидетельствует о том, что контроль за транзитом загрязняющих веществ в настоящее время ноге г осуществляться только на межреспубликанской уровне.
Наличие нореглаыентируеиых рассредоточенных источники» будет слуаить и в перспективе основой для формирования транзита загрязня-
- 40-ецих вецеств по районаа. Для ренения этой проблемы необходима тесна увязка водоохранной деятельности с рациональный землепользованием і охраной воздувного бассейна от загрязнения.
Разработана методология исследования формирования химического состава речных вод в условиях, складываацихся в результате взаиыо-действил прнродних-н актропвренных факторов,которая позволяет получать территориально-дифференцированные и комплексные оценки загрязненности речных вод.Принципиальными полоеєнияіш разработанной ието-дологки являются:
анализ фориирования химического состава речных вод в райках геосистемы "водосбор-река";
использование ландшафтно-гидрологического метода, позволявшего учитывать специфику различных природных, природно-техногенннх и техногенных ландшафтов при анализе формирования водного стока и сті ка химических вецеств на водосборе, а такге роль их генетических сі ставлявших;
дифференцированная и комплексная оценки роли отдельных источников антропогенного загрязнения речных вод, вклвчая рассеянное поступление загрязняЕЧИх вецеств с водосбора;
балансовый ландвафтно-гидрологический подход" к расчетам снив; ния загрязненности речных вод от конкретных источников для поддерг. ния заданного качества воды по составу химических вецеств.
Теоретические и методические разработки дали возмогность выяви ряд природных и антропогенных закономерностей формирования хиничес кого состава речных вод, оценить роль таких малоизученных источник загрязнения речных вод как урбанизация и загрязненные атмосферные осадки, транзит загрязняющих вецеств по рекам.
Установлено, что воздействие антропогенных источников поступ.:;;-
- 41 -ния загрязішіпцих иоцисти и реки сопоставимо с природным влиянием.Винос минеральных солей с речнын стоком возрос в 2 раза по сраиненив с "доантропогенным" периодом. Вместе тем увеличение содержания загря-зняпщих веществ в речных водах не привело к изменении реакции соды, которая для преобладающего числа рек близка к нейтральной, природной.
Влияние широтной ыакрозональности И ландаафтно- климатической зональности в формировании химического состава речных под рпш-дейи-вается в настоящее вреня во всех районах, где отсутствуют крупные локальные источники загрязнения.
Выявлено, что в условиях, близких к природным, в гуыидных районах вынос легко иигрирцюцих ноноз (на примере'сульфатов) преобладает над поступлением их с атмосферными осадками, в аридных районах преобладает накопление. Для металлов ( на примере свинца ) и веществ антропогенного происхождения ( пестициды ) наблюдается существенное преобладание поступления из атносферы над выносом с речным стокам как для гумидных так и для аридных районов.
Техногенизация ланднафтов приводит к формированию на их территорий больвого количества загрязняющих веществ, выносимых в основном с поверхностным стоком в реки. Этот источник загрязнения речных вод станет приоритетный в близайсей перспективе. В настоящее время за счет повехностного стока с урбанизированных территорий загрязненность рек по комплексу показателей ( преяде всего органический веществам и нефтепродуктам ) иозет возрастать в 2-3 раза в половодье и паводки.
Вклад загрязненных атмосферных осадков в содержаний сульфатов в речных водах в целой на территории бывшего СССР составляет около 20%, изменяясь в бассейнах отдельных крупных рек от 10 до 30%.
Ландиафтная неоднородность структуры водосборов и пространственная вариация техногенной нагрузки приводит к тону , что п пределах одной природной зоны вклад городов в суммарное загрязнение рек изменяется для сульфатов и азота ( от 1 до W7. ), вклад сельского хозяй-
- 42 -ства от 10 до 25% по сульфатам и от 40 до 90% по кикералыюии азот
Результаты апробации разработанной методологии в различных per онах территории бывшего СССР показали, что вклад рассредоточенных источников загрязнения речного стока спивается в аридных районах, связи с преобладаниеы накопления загрязнявших вецеств на водосборе над выносом их с водным стоком в реки. Приоритетней роль загрязнен речных вод в этих районах играет сосредоточенные сбросы С в том чис сбросы коллекторно-дренахной сети ) и транзит загрязнения.
Разработанная иетодология применима для различных по плоцади речных бассейнов и административных территорий всех рангов и моает быть адаптирована к действующим и вновь вводимым нормам и регламен там в области регулирования качества речных вод.