Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы изучения влияния урбанизированных территорий на поверхностные воды 9
1.1. Современные представления об урбанизированной территории и источниках ее загрязнения 9
1.2. Методы изучения трансформации поверхностных вод на урбанизированных территориях 11
1.3. Методы изучения, использованные в работе 20
1.3.1. Метод функционального зонирования 20
1.3.2. Гидрологические методы 24
1.3.3. Гидрохимические методы 26
1.3.4. Гидробиологические методы 32
1.3.5. Методы оценки экологических рисков 34
Глава 2. Особенности формирования урбанизированных территорий г. Курска 39
2.1. Географическое положение рек г. Курска и урбанизированных частей их водосборов 39
2.2. Геологическое строение 40
2.3. Рельеф и экзогенные процессы 42
2.4. Климат 45
2.5. Гидрологическая изученность и режим стока рек 47
2.6. Почвы 48
2.7. Растительный покров 50
2.8. Животный мир 52
2.9. Водная биота 52
2.10. Функциональные зоны г. Курска 55
2.11. Характеристика малых экспериментальных стоковых водосборов 59
Глава 3. Трансформация поверхностных вод под воздействием урбанизированных территорий 66
3.1. Режим поверхностного стока с городских территорий 67
3.1.1. Изменение химического состава поверхностного стока на городской территории 68
3.1.2. Изменение химического состава взвешенных веществ 85
3.2. Режим транзитного стока рек Сейм, Тускарь, Кур и его трансформа ция на урбанизированной территории г. Курска 92
3.2.1. Особенности годового сток рек Сейм, Тускарь, Кур 93
3.2.2. Внутригодовое распределение стока 94
3.2.3. Изменение химического состава поверхностных вод 97
3.2.4.Изменение химического состава донных отложений 106
3.3. Трансформация водных и околоводных биогеоценозов 108
3.4. Определение степени гидроэкологических рисков 114
3.4.1. Натурные исследования 115
3.4.2. Оценка риска 123
Глава 4. Рекомендации по организации водоохранных мероприятий на городской территории 137
4.1. Соотношение зон затопления и водоохранных зон на урбанизированных территориях 139
4.2. Разработка системы водоохранных мероприятий на примере города Курска 144
Список использованных источников 152
Приложения 168
- Методы изучения трансформации поверхностных вод на урбанизированных территориях
- Гидрологическая изученность и режим стока рек
- Изменение химического состава поверхностного стока на городской территории
- Разработка системы водоохранных мероприятий на примере города Курска
Введение к работе
Актуальность темы. Концентрация промышленного производства и городского населения на сравнительно ограниченных территориях отрицательно влияет на окружающую среду, в том числе на поверхностные воды [2, 4, 9, 21, 48, 62, 87]. Городская среда представляет собой совокупность двух субсистем: антропогенной и природной. Урбанизированные образования, это зависимые экосистемы, потребляющие природные ресурсы на значительных территориях. Чем больше город, тем значительней ареал его влияния, где возникают предпосылки нарушения экологического равновесия во второй субсистеме -природной [68, 99, 137].
Одним из элементов природной субсистемы, наиболее динамических и максимально подверженных влиянию урбанизированных территорий, являются поверхностные воды. Для изучения хозяйственного воздействия на поверхностные воды и оценки уровня загрязнения рек и водоемов точечными и диффузными источниками с территории городов необходимо проводить комплексный анализ состояния и динамики всей природной среды. Однако регулярные многолетние наблюдения за поверхностным стоком с территории городов и качеством воды, поступающей с ливневым и талым стоком, практически отсутствуют. Имеющиеся наблюдения, как правило, кратковременны, и их объем ограничен. Кроме того, в исследованиях почти не уделялось внимания выносу загрязняющих веществ с наносами, поступающими с урбанизированных территорий.
В то же время результаты новейших исследований [24, 124, 141, 161] доказывают, что без учета влияния этих процессов нельзя получить объективную оценку изменения качества воды. То есть существует огромный объем данных, констатирующих ухудшение качества воды под влиянием урбанизированных систем, но при этом отсутствует детальная оценка источников этого загрязнения, их распределения во времени и пространстве. А это препятствует разработке эффективных мероприятий по охране поверхностных вод. Важным условием является необходимость детализации оценки воздействия всех уров-
5 ней геоэкологической урбосистемы на поверхностные воды [13, 52, 58, 60, 79].
В региональном плане актуальность работы определяется отсутствием единой ливневой канализации в г. Курске. Ливневыпуски открываются в реки без очистки. В результате этого происходит неконтролируемый сток загрязняющих веществ и их концентрации в реках Сейм, Тускарь, Кур в несколько раз превышают ПДК в пределах городской черты и ниже по течению.
Загрязняющие вещества, поступающие в поверхностные воды, накапливаются в донных отложениях, создавая вторичное загрязнение рек г. Курска, как в меженные, так и в многоводные периоды. В результате возникают экологические риски ухудшения качества воды, изменяются классы качества воды в городской черте и ниже по течению, происходит трансформация водных экосистем [24,26, 161].
Цель работы. Оценить механизм и источники воздействия урбанизированных территорий г. Курска на реки Сейм, Тускарь, Кур и разработать эффективные методы снижения вредного воздействия на поверхностные воды диффузными источниками загрязнения.
Для реализации поставленных целей осуществлялось последовательное решение следующих задач:
экспериментальное исследование фактического поступления загрязняющих веществ с урбанизированных водосборов с различным уровнем хозяйственного воздействия на территории Курска в разные фазы гидрологического режима;
выявление соотношения поступления загрязняющих веществ с поверхностным стоком от диффузных источников в период половодья и паводков в растворенном и адсорбированном на взвешенных наносах виде;
оценка соотношения поступающих растворенных и адсорбированных на взвесях загрязняющих веществ от точечных и диффузных источников и в результате вторичного загрязнения от накопившихся в руслах рек отложений, поступивших с урбанизированной территории водосбора;
определение влияния загрязнения на элементы водных и околоводных биоценозов методом биоиндикации и расчет возникающих в результате этого экологических рисков;
разработка рекомендаций по проектированию водоохранных зон и прибрежных защитных полос, системы водоохранных мероприятий в условиях урбанизированных территорий (для более эффективной защиты поверхностных вод от загрязнения с урбанизированной территории на примере г. Курска).
Объект исследования. Реки, протекающие через центральную часть г. Курска и сток с урбанизированных частей их водосборов.
Предмет исследования. Загрязнение местного и транзитного стока на урбанизированных территориях г. Курска.
Научная новизна. Впервые проведены комплексные исследования поступления загрязняющих веществ от диффузных и точечных источников загрязнения поверхностных вод на урбанизированной территории г. Курска. Оценивается доля вклада взвешенных веществ с адсорбированными на них тяжелыми металлами в общем загрязнении рек. Установлено соотношение загрязнений от точечных и диффузных источников в разные фазы гидрологического режима. На основе оценки влияния урбанизированных территорий на гидроэкологические процессы для р. Сейм выполнены расчеты экологических рисков. С учетом выявленных закономерностей влияния урбанизированных территорий на поверхностные воды разработана и внедрена система эффективных водоохранных мероприятий для г. Курска.
Основные положения работы, выносимые на защиту
Результаты изучения соотношения влияния диффузных и точечных источников загрязнения на качество поверхностных вод.
Оценка вклада поступающих с урбанизированных территорий г. Курска адсорбированных на взвешенных наносах загрязняющих веществ в загрязнение поверхностных вод.
Оценка влияния роли адсорбированных на взвешенных наносах загрязняющих веществ во вторичном загрязнении рек г. Курска.
Результаты оценки экологических рисков, возникающих под влиянием урбанизированной территории в реках.
Рекомендации по организации и проектированию водоохранных зон и прибрежных защитных полос, системы природоохранных мероприятий с целью сокращения загрязнения поверхностных вод.
Исходные материалы и методы исследования. В основу работы положены данные натурных исследований автора на малых урбанизированных водосборах г. Курска, а также многолетние данные наблюдений на реках ТЦ «Курскгеомониторинг», сети Курскгидромета, Комитета природных ресурсов г. Курска и кафедры физической географии и геоэкологии Курского госуниверситета.
В ходе работы применялись традиционные методы географических исследований: сравнительно-описательный, математико-статистический, картографический экспедиционный, стационарный, метод экспериментальных исследований и наблюдений, метод ГИС-технологий. При этом были использованы программные средства Maplnfo (версия 5.0) и СППР гидрохимия (версия 1.2).
Практическое значение работы. Определено соотношение точечных и диффузных источников загрязнения поверхностных вод, в том числе установлено вторичное загрязнение от накопленных донных отложений, поступивших с урбанизированной территории.
Впервые дана оценка экологических рисков, возникающих на реках г. Курска по гидрохимическим и гидробиологическим показателям, в том числе с применением методов биоиндикации.
С учетом выявленных закономерностей разработаны и внедрены рекомендации по проектированию водоохранных зон и прибрежных защитных полос. Разработана и передана муниципальным органам программа мероприятий по сокращению вредного воздействия урбанизированной территории г. Курска на поверхностные воды (справка о внедрении от 15.03.2007 г.).
Результаты работы были использованы в учебном процесс в Курском государственном университете при разработке спецкурсов: «Экологические осо-
8 бенности городских территорий», «Геоэкология и рациональное природопользование», «Методы охраны окружающей среды»; специальных дисциплин «Экологическое проектирование и экспертиза», «Ландшафтное планирование» (справка о внедрении от 15.03.2007 г.).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV симпозиуме стран Центральной и Восточной Европы «Роль естественно-научного образования в свете социальных и экономических перемен в странах Центральной и Восточной Европы» (Курск, 2003 г.), IV региональной научно-практической конференции студентов «Проблемы регионального природопользования и методики преподавания естественных наук в средней школе» (Воронеж, 2003 г.), V и VI семинарах молодых ученых вузов, объединенных Советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ «Эрозионные, русловые процессы проблемы гидроэкологии» (Брянск, 2002 г.; Волгоград, 2004 г.), XIX-XXI пленарных межвузовских координационных совещаниях по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Белгород, 2004 г.; Ульяновск, 2005 г.; Чебоксары 2006 г.), Второй всероссийской научно-практической конференции «Эколого-географические исследования в речных бассейнах» (Воронеж, 2004 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ. Материалы диссертации использованы в финальном отчете определения рисков, связанных с влиянием «горячих точек» на экологически чувствительные зоны в бассейне Днепра IDRC, при поддержке ПРООН-ГЭФ. Данные диссертационной работы использованы при проектировании водоохранных зон и прибрежных защитных полос р. Сейм и Тускарь в г. Курске.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 167 страницах, включает введение, четыре главы, заключение, библиографический список состоящих из 170 источников, в том числе 9 на иностранном языке, и 13 приложений.
Методы изучения трансформации поверхностных вод на урбанизированных территориях
Антропогенным воздействиям на водные ресурсы гидрология и смежные с ней науки уделяют пристальное внимание уже более 100 лет. В начале преимущественно исследовали изменения водного режима территории под влиянием различных видов хозяйственной деятельности. Затем, с началом научно-технической революции и связанного с ней роста загрязнения природных вод стало более актуальным изучение трансформаций качества водных ресурсов. В связи с загрязнением вод гидротехническим строительством, в том числе сопряженных с проектами межзональной переброски стока, в центре внимания оказались экологические последствия гидрологических изменений для природы, здоровья населения, хозяйства (СИ. Вендров, Р.К. Клиге, Н.И. Коронкевич, М.И. Львович, А.И. Шикломанов, СВ. Ясинский). По мере развития урбанизированных территорий внимание исследователей (О.В. Карацкая [67], Л.М. Китаев [70], Н.Н. Клюев [74], В.В. Куприянов [87], В.Е. Райнин [122], В.И. Сметанин [133], G.Mueller [170]) акцентируется на вопросах изменения качества поверхностных вод под воздействием урбанизированных территорий. Существенный вклад в изучение влияния урбанизированных территорий на поверхностные и подземные воды, а также в разработку методов по уменьшению негативного воздействия внесли отечественные и зарубежные исследователи, работающие в различных научных учреждениях. В этой области исследований работали коллективы Государственного гидрологического института, Института водных проблем РАН, Института географии РАН, географического факультета МГУ. Большой вклад в изучение данной проблемы внесли фундаментальные исследования А.Б. Авакяна и др.[2], Ю.А. Израэль [62], Г.П. Калинина [65], Р.К. Клиге [72], М.И. Львовича [96], И.А. Шикломанова [153], авторы которых избирали объектом изучения водные ресурсы России, СССР и всего мира и их антропогенные изменения. Были разработаны методы расчетов гидрологических преобразований и изменений, выполнены вариантные прогнозные оценки ожидаемого состояния водных и связанных с ними других ресурсов, предложены основные направления решения водных проблем.
По мере увеличения интереса к проблемам урбанизированных территорий происходило накопление материалов по делению урбанизированной территории на зоны активного антропогенного использования. В 1974-1985 гг. одним из основных направлений научных исследований Института географии АН СССР в Курской модельной области было изучение антропогенного влияния на изменение качества природных вод. В результате этих исследований Е.П. Чернышев [152] и Н.А. Барымова [13, 15] выделили следующие типичные комплексы урбанизированных территорий с разной степенью влияния на поверхностные воды: коммунальная застройка с асфальтированными улицами; индивидуальная приусадебная застройка с неасфальтированными улицами; городская парковая зона; асфальтированные территории. Одновременно гидрологическими проблемами урбанизированных территорий занималась Г.М. Черногаева [151]. Она выделяла следующие структуры городских угодий: заасфальтированные улицы и площади; кварталы многоэтажной современной застройки, кварталы одноэтажной застройки; промышленные и коммунально-складские территории; полосы отвода железных дорог; спортивные сооружения. Современные исследователи базируются на этой системе подразделения урбанизированных территорий. Некоторые добавляют к ней булыжные мостовые, гравийные и щебеночные покрытия [133, 132]. Дифференциация территории в данном случае проводится по степени урбанизированности и основывается на ландшафтном подходе. Многие авторы в своих исследованиях применяют бассейновый принцип. В становление и развитие бассейновой концепции большой вклад внесли Ю.М. Андрейчук [9], A.M. Гареев [33], СИ. Зотов [60], Л.М. Корытный [78], С.Я Сергин [129], Ю.Г. Симонов [130], В.М. Смольянинов [136]. Родоначальником этого подхода является Р. Хортон [149], который в числе первых обратил внимание на общегеографическую роль речных водосборов. Позднее были установлены главные преимущества такого подхода: иерархия в структуре и процессах, четкая выраженность границ и зон взаимодействия природных факторов, возможность применения геофизических, геохимических и математических методов в исследованиях, а также возможность использования балансовых соотношений, что позволяет принимать наиболее обоснованные решения при регулировании природных процессов [52, 58, 60, 129, 136]. Речной бассейн вначале рассматривался только как эрозионный комплекс. В дальнейшем многие исследователи обратили внимание на преимущества комплексного использования поверхностных и подземных вод на речных водосборах, а затем были выявлены возможности бассейнового подхода при решении общих задач природопользования [58, 129, 130,134, 135, 136, 137]. Начало бассейновых исследований в нашей стране большинство авторов связывают с работами В.П. Философова [157]. Поэтому, прежде всего, необходимо назвать саратовскую школу бассейноведов. Наряду с ними успешно работают университетские и академические коллективы во Владивостоке, Воронеже, Иркутске, Москве и в ряде других городов [129, 131, 136]. Речной бассейн, по мнению Л.М. Корытного [78], представляет пространственную единицу биосферы, наиболее перспективную для многоаспектного изучения природы и экономики планеты, а также для управления окружающей средой. Он рассматривает бассейн как интегральную природно-хозяйственную систему и как таксон природно-хозяйственного районирования. Таким образом, в рамках бассейновой концепции, как считает этот автор, можно успешно решать проблемы организации, рационализации, оптимизации, районирования, моделирования, картографирования, контроля природопользования и управления природно-хозяйственными процессами [58,78,131].
Гидрологическая изученность и режим стока рек
Как уже упоминалось выше, через территорию г. Курска протекают три основных постоянных водотока. Это р. Сейм, Тускарь. Кур (рис. 2.1). Нами использованы материалы многолетних наблюдений на гидрологических постах р. Сейм у с. Лебяжье и р. Тускарь у г. Курска. Опубликованные материалы по гидрологическим постам р. Сейм - с. Лебяжье и р. Тускарь - г. Курск использованы для характеристики стока воды и наносов при изучении гидрологического режима рек г. Курска [117] (табл. 2.2). Реки Сейм и Тускарь принадлежат к типу равнинных, с преобладанием снегового питания. Весеннее половодье наступает чаще всего в конце третьей декады марта, реже - в первой декаде апреля или во второй декаде марта, редко во второй декаде апреля или первой декаде марта [64]. Во время весеннего подъема уровня воды происходит разрушение льда. Весенний ледоход продолжается обычно 5-7 дней на р. Сейм и 3-5 дней на р. Тускарь; на р. Кур ледохода не бывает. Половодье на р. Сейм продолжается обычно 50-60 дней, на р. Тускарь 35-50 дней. Замерзают реки чаще всего во второй декаде ноября; ранний срок замерзания приходится на третью декаду октября (1966 г.), поздний - на вторую декаду декабря (1969 г.). Ледоставу предшествуют забереги. Осеннего ледохода, как правило, не бывает. Продолжительность ледоставного периода в среднем составляет 120 дней, в отдельные годы до 146 дней (1956-1957 гг.) или не превышает 55 дней (1960-1961 гг.). зимней межени и питание реки осуществляется только за счет подземных вод. Однако нередки и зимние паводки. В результате вторжения теплых морских воздушных масс происходит повышение температуры, выпадение дождей, таяние снега и в итоге значительные (до 2 м) повышения уровня воды в реках. Толщина льда на р. Сейм у Курска в среднем 35-40 см, в суровые зимы до 60 см (1960 г.), на р. Тускарь 40-50 см, в суровые зимы 70-80 см. В теплые зимы толщина льда не превышает 20-22 см [73, 127]. Почвенный покров г. Курска представлен в основном оподзоленными, выщелоченными и типичными черноземами. Типичные черноземы имеют большую мощность (до 80-100 см) перегнойного (гумусового) горизонта, почти черную его окраску, комковато-зернистую структуру. Выщелоченные черноземы отличаются более светлой окраской перегнойного горизонта при такой же или несколько меньшей мощности, чем типичные. Оподзоленные имеют меньшую мощность (50-70 см) гумусового горизонта, серую окраску, присыпку кремнезема. Ниже гумусового горизонта у всех черноземов лежат горизонты вымывания и почвообразующая порода. Черноземы славятся своим плодородием. Они содержат значительное количество гумуса (до 8-9% под естественной степной растительностью и 4,5-6,5% на пашне), соединений азота, калия, кальция, фосфора, имеют слабокислую или близкую к нейтральной реакцию среды [11,64]. Значительную часть территории города занимают также серые лесные почвы. Они сформировались в прошлом под покровом лесной растительности. Имеют серую окраску гумусового горизонта, хорошо выраженный горизонт вымывания с присыпкой кремнезема.
В результате увеличения на водораздельных пространствах площади урбанизированных территорий в настоящее время эти почвы заняты под многоэтажной застройкой и твердым покрытием автодорог. Зачастую они переуплотнены, испытывают недостаток влаги и в результате деградируют. Почвы речных пойм Сейма и Тускари в пределах г. Курска отличаются от почв водораздельных пространств. Вдоль русла образуются слоистые аллювиальные почвы легкого механического состава, для которых характерно чередование темных перегнойных слоев со светлыми песчаными наносами. В центральной, повышенной части поймы преобладают аллювиально-луговые зернистые почвы. Во время половодья вода здесь течет медленно, поэтому отлагаются илистые частицы, содержащие различные химические элементы. После спада воды пойма покрывается густым покровом луговых трав. Перегнивая, они обогащают почву гумусом. Поэтому зернистые почвы центральной поймы содержат 8-12% перегноя. Широко распространены в поймах рек менее плодородные болотные и лугово-болотные почвы. На надпойменных террасах сформировались черноземные и лугово-черноземные почвы. В некоторых местах пойм и надпойменных террас, а также на днищах балок расположены торфяники. Вследствие большой рекреационной нагрузки на прибрежные участки эти почвы также испытывают переуплотнение. Естественная растительность г. Курска представлена лесами, кустарниками, травянистыми и болотными сообществами. На территории Курска к настоящему времени отмечено 102 вида древесно-кустарниковой растительности, 74 вида трав лесов, парков, лесонасаждений, 119 видов травянистых растений луговых, болотных, прибрежных местообитаний, 160 видов растительности сорных, придорожно-рудеральных местообитаний, 17 видов растений водоемов и 42 вида возделываемых растений [119]. Основные растительные сообщества представлены лесами. Основной породой является дуб обыкновенный, который имеет две формы - раннюю и позднюю. Дуб является одним из самых красивых и долговечных деревьев, хорошо выполняет водоохранную и почвозащитную роль, имеет прочную и ценную древесину, что послужило причиной его вырубок. Вместе с дубом растут клен остролистный, ясень обыкновенный, вяз гладкий, липа мелколистная. Под пологом этих деревьев произрастают клен полевой, клен татарский, а на более светлых, недостаточно увлажненных участках - груша обыкновенная, яблоня дикая, рябина обыкновенная, ива козья, ильм шершавый. Богат травянистый покров дубравы. Ранней весной здесь зацветают эфемероиды - многолетние растения с коротким периодом вегетации и длинным периодом покоя: пролеска сибирская, чистяк весенний, ветреница лю-тичная, первоцвет весенний, гусиный лук. В дубравах распространены сныть обыкновенная, ландыш, осока волосистая, копытень европейский, звездчатка дубравная, папоротники, перловик поникший. В конце лета в лесах растут белые грибы, сыроежки, лисички, подберезовики. Мхов и лишайников мало. В результате вырубок дуба на территории г. Курска формируются мелколиственные леса, чаще всего березовые и осиновые.
Травяной покров здесь представлен в основном злаками (мятник лесной, полевица обыкновенная, овсяница луговая, душистый колосок, купырь лесной, борщевик сибирский, лютик едкий.) и разнотравьем [44, 45, 46, 63]. Сосновые леса приурочены в основном к песчаным террасам правого берега Сейма и занимают около 6% лесопокрытой территории. Здесь они созданы человеком. Степная растительность сохранилась лишь на склонах балок, некоторых участках междуречий. Здесь произрастают ковыли, типчак, тонконог стройный, люцерна серповидная, клевер альпийский, вязель разноцветный, полыни, чабрец, шалфей. Луга расположены в основном в поймах Сейма и Тускари и их притоков, по склонам и днищам балок. Наиболее богат и разнообразен травянистый покров самой обширной и равнинной центральной части пойм. Здесь преобладают тимофеевка луговая, овсяница луговая, лисохвост луговой, клевер луговой, тмин обыкновенный. В пониженных влажных местах растут осоки, мятлики, лютики. В балках расположены суходольные луга. На склонах балок травостои разрежены и представлены типчаком, тонконогом, мятликом узколистным, смолкой обыкновенной, тысячелистником обыкновенным, шалфеем луговым. Произрастают также подмаренник настоящий, люцерна серповидная. На днище балок травостой густой и более продуктивный. В составе злаки, бобовые, разнотравье. Луга используются как сенокосы и пастбища. Из-за интенсивного использования, особенно под выпас скота, травостои сильно изрежены, нуждаются в улучшении, а почва уплотнена и закочкарена.
Изменение химического состава поверхностного стока на городской территории
Поступающие из атмосферы осадки перехватываются растительностью и затем испаряются или просачиваются через растительный покров, поступая на подстилающую поверхность. Часть этой воды впитывается в почву, а часть образует местный поверхностный сток [112]. По мере того как вода движется по водосбору, значительно изменяется ее химический состав [5, 88, 90]. Особенно сильно он меняется на городской территории вследствие трансформации основных природных компонентов (почвенного и растительного покрова) и в результате обогащения различными загрязняющими веществами (табл. 3.1). Целью наших исследований было оценить уровень загрязнения поверхностного стока, формирующегося на территории г. Курска. За последние 10-15 лет в городе существенно изменился уровень хозяйственной нагрузки на все элементы ПТК [159]. Прекратили работу часть предприятий, ужесточились экологические требования и усилился экологический контроль за работой предприятий, их выбросы строго регламентируются. В то же время резко возросла интенсивность автотранспортных потоков. Все эти изменения сказались на уровне загрязнения атмосферы, почвы, растительности и, следовательно, поверхностных вод. Поэтому основной задачей нашего ис- следования стало экспериментальное исследование фактического состава поверхностного стока с урбанизированных водосборов в новых социально-экономических условиях, сравнение его качества в предыдущие периоды. На территории Курской области начиная с 80-х годов проводились разовые исследования поверхностного стока в условиях городской территории, в природных условно не измененных территориях (лес, луг, пашня) и на сельскохозяйственных угодьях [13, 14, 15, 68, 70, 74, 152, 158, 159]. Анализ приведенных в этих работах данных показал наличие в стоке с урбанизированных территорий высоких концентраций нефтепродуктов, тяжелых металлов и других загрязняющих веществ. Сопоставив данные своих наблюдений с ранее проведенными, мы выяснили, что начиная с 1980 года происходит постепенное увеличение в ливневом и талом стоке с городской территории концентраций нефтепродуктов и тяжелых металлов (рис 3.1, 3.2). Причем резкое увеличение приходится на период 1993-2003 годов. На первый взгляд экономическая ситуация в стране должна была благоприятствовать уменьшению этих концентраций. Но сокращение числа предприятий не привело к улучшению экологической ситуации. В основном это связано с развитием автотранспорта, количество которого постоянно увеличивается. Именно автотранспорт является в настоящее время основным звеном, которое влияет на изменение качественного химического состава лив-несточных и талых вод на территории г. Курска. Концентрация тяжелых металлов, нефтепродуктов и т.д. в городском стоке зависит от интенсивности автомобильного движения, его скорости и класса, состояния дорожного покрытия и качества топлива [34, 47]. По сезонам года можно выделить два периода увеличения концентраций загрязняющих веществ.
Первый пик увеличения концентраций загрязняющих веществ в ливнестоках проявляется весной во время таяния снега и льда на урбанизированных водосборах. Характерной особенностью местного весеннего стока урбанизированных территорий г. Курска является то, что он осуществляет доставку загрязняющих веществ, когда на реках еще не окончилась зимняя межень, непосредственно перед весенним половодьем на реках. Концентрация загрязняющих веществ в весеннем поверхностном стоке с городской территории не постоянна. В начале снеготаяния на урбанизированной территории сток более насыщен загрязняющими веществами, чем в конце половодья. Причина этого в том, что по мере формирования поверхностного стока территория «промывается» и в дальнейшем, несмотря на увеличение объемов стока концентрации загрязняющих веществ, немного снижаются. Проанализировав полученные нами на урбанизированных водосборах экспериментальные данные, приведенные в табл. 3.1, можно сделать ряд важных выводов. Азот в стоке представлен тремя формами: нитратной, нитритной и аммонийной. В стоке с различных элементов городской территории характерно преобладание аммонийной формы азота, указывающей на слабо протекающие окислительные процессы. Нитриты представляют собой промежуточный этап окисления минерального азота. Наименьшая концентрация минерального азота (суммы его трех форм) отмечается в стоке с высокоурбанизированной территории (многоэтажная коммунальная застройка). Значительному содержанию минерального азота в стоке в пределах индивидуальной городской застройки способствует разложение хозяйственно-бытовых отходов. Аналогичные результаты были получены в работах ученых лаборатории гидрологии ИГ РАН [13, 15,152]. Одним из источников поступления растворенного фосфора в природные воды является сток с городской территории, где преобладает его минеральная форма. Формирование общего фосфора на городской территории в определяющей степени зависит от плотности населения и интенсивности автомобильного движения. Концентрация растворимых фосфатов в поверхностном стоке колеблется в больших пределах. Наибольший смыв приходится на частный сектор, где смыв соединений фосфора примерно в 3 раза больше, чем в стоке с других участков города. О содержании расстворенного органического вещества в стоке с городской территории можно судить по таким показателям, как химическое потребление кислорода (ХПК), биохимическое потребление кислорода (БГЖ5). Поверхностный сток с городской территории отличается несколько большим количеством органического вещества. Это обусловливает и сравнительно большую его окисляемость [13]. Содержание нефтепродуктов в поверхностном стоке с городской территории значительно, концентрации в 10000 раз превышают ПДК (рис. 3.3). Наибольшие концентрации этого вещества наблюдаются в стоке с территорий, где преобладает многоэтажная застройка.
Разработка системы водоохранных мероприятий на примере города Курска
В ходе организации водоохраной зоны было выделено 65 объектов, оказывающих негативное влияние на реки и их водоохранные зоны, (приложения VII, VIII). Поэтому нами была произведена разработка мероприятий, позволяющая обеспечить улучшение экологического состояния водоохранной зоны и рек на территории г. Курска (приложение IX-XI). Ливнесбросная сеть должна заканчиваться водоочистными прудами или отстойниками для очистки загрязненных вод, с осаждением взвесей с последующим биохимическим и химическим окислением органических веществ и удалением загрязненного осадка [126, 133]. Значительная часть загрязняющих веществ в поверхностном стоке с урбанизированных территорий переносится 145 на частицах взвесей, поэтому для уменьшения поступления их в водный объект необходимо максимальное осаждение твердого стока перед сбросом ливневых и талых вод в водоприемник. Для этого необходимо организовывать соответствующие гидравлические режимы осаждения взвесей в отстойниках. Для интенсификации процесса осаждения взвешенных частиц можно использовать многокамерные отстойники (рис. 4.4-4.5). Для лучшего отстаивания стоковых вод отстойник стандартных размеров желательно по его длине разделить не менее чем на три части вертикальными стенками - водосливами. При этом в конце последней секции необходимо установить уловитель нефтепродуктов [33,133]. Такого типа отстойник целесообразно установить на конечной точке сбора ливнесточных, поливомоечных и талых вод водосбора №2 на ул. Никитской. Этому способствует рельеф местности, наличие площадки и удобного асфальтированного подъезда для опорожнения его от отстоя и осадков. 1 - головная секция; 2 - промежуточные секции отстойника; 3 - направление движения очищаемых вод; 4 - концевая секция, оборудованная уловителем нефтепродуктов; 5 - уровень воды; 6 - отстой; Qc и Q0 - расход соответственно загрязненных стоковых и осветленных вод; L0 - длина отстойника.
В случаях, когда нет возможности установить отстойник такого типа или создать геохимический барьер, можно устанавливать отстойники с резервуаром успокоителем (рис. 4.5). Отстойник предназначен для очистки сточных вод от нерастворимых грубодисперсных примесей, взвешенных веществ и нефтепродуктов. Поток сточных вод поступает в резервуар-отстойник через резервуар-успокоитель и отводится через колодец в водоем (рис. 4.5). Резервуар-успокоитель необходим для гашения колебаний, вызываемых сосредоточенным стоком; для исключения взмучивания донных отложений, для осаждения наиболее крупных частиц [146, 148]. Параметры резервуара зависят от содержания взвешенных частиц в стоке и определяются шириной В, глубиной Н, длиной резервуара L, высотой перегородки резервуара-накопителя h и заглублением водосливного колодца h. параметров резервуара состоит в обеспечении максимальной экологической безопасности поверхностных водоемов при минимальных размерах и затратах. Средняя экономическая эффективность по капитальному строительству отстойника Эк = 0, 59 [146, 148]. Экологическая эффективность системы заключается в степени очистки стоков на выходе из системы и снижении концентрации загрязняющих веществ до ПДК. Минимальное снижение концентраций наблюдается в максимальном ливневом стоке - 88,3%, максимальное - при наблюдаемых минимальных расходах ливневого стока - 96,1%. По конкретным загрязнителям снижение концентраций происходит: нефтепродуктам от 84,9 до 95%; БПК5 - от 90 до 96,8%, аммонийному азоту - от 70 до 72%; фенолам - от 87,9 до 96%; взвешенным веществам - от 95,5 до 98,2%. Несмотря на значительное снижение первоначальных концентраций загрязняющих веществ, на выходе из отстойника-резервуара не прогнозируется их изменение до ПДК при максимальных и средних концентрациях загрязняющих веществ в стоках.
