Текст книги "Бессточные водоемы Казахстана. Том 1. Гидрохимический режим"

Процессы самоочищения – совокупность всех природных (гидродинамических, химических, микробиологических и гидробиологических) процессов в загрязненных природных водах, направленных на восстановление объектов. В настоящее время в гидрохимии принята следующая формулировка загрязнения природных вод: превышение в рассматриваемый период фоновой средней многолетней (в пределах ее крайних значений) концентрации загрязняющих веществ или значений показателей, приводящее к ухудшению качества воды для водопотребления, обусловленное хозяйственной деятельностью [87]. Сложность и разнообразие процессов естественного самоочищения природных вод, их значимость и сущность обусловливаются большим числом загрязняющих веществ, специфическими (физикогеографическими) условиями водоемов.

Сточные воды, поступая в водоемы, оказывают негативное воздействие, прежде всего на биоценоз, нарушают естественный режим многих компонентов химического состава воды. Одновременно и взаимосвязано с разбавлением и перемешиванием сточных вод с природной водой идут гидробиологические, гидрохимические и другие процессы превращения веществ в водоеме. Процессы трансформации и превращения веществ оказывают решающую роль в самоочищении водных масс. Физико-химические процессы, протекающие в водоемах, тесно связаны с биологическими процессами, в том числе микробиологическими, и порой трудно констатировать, где заканчивается один процесс и начинается второй.

Наиболее изученным вопросом в этой области является превращение органических веществ, способствующее непрерывному смещению ионных и фазовых равновесий в природных водах [88; 89]. Сам процесс превращения органических соединений протекает в несколько стадий, в результате чего промежуточные продукты часто оказываются более токсичными, чем исходные вещества. Последнее обстоятельство приводит к продолжающемуся загрязнению вод. И, тем не менее, вода природных водных объектов имеет способность самоочищаться.

На самоочищающую способность (СС) природных вод оказывают влияние многие факторы, роль которых оценивается учеными по – разному. Одни из них склонны выделять чисто процессы самоочищения (преимущественно отмирание чуждых водоему микроорганизмов, снижение содержания токсикантов за счет физико-химических и биохимических реакций и т.п.) и собственно смешение и разбавление загрязненной воды природной. Другая группа исследователей считает разбавление как один из факторов самоочищения наряду с такими процессами, как действие солнечной радиации, осаждение, поглощение и др.

В настоящее время выделяется пять главных направлений в исследовании процессов разбавления сточных вод природной водой и СС водных объектов. Каждое из этих направлений является предметом самостоятельного изучения:

1) разработка методов расчета разбавления и перемешивания сточных вод в водоемах (водотоках) при различных условиях;

2) изучение химизма превращения токсикантов в воде, илах, донных отложениях, взвесях;

3) выявление роли микроорганизмов;

4) исследование влияния процессов фотосинтеза;

5) изучение механизма миграции загрязняющих веществ (ЗВ) в подземных водах.

Изучение СС водных объектов проводится по – разному: расчетным путем (расчет скоростей превращения ЗВ, их ПДС, моделирование, прогноз) и натурными исследованиями (лабораторные условия или непосредственно на водном объекте) [90; 91] и др.

В настоящем учебном пособии из-за ограниченного объема нереально детально осветить все вопросы, связанные с проблемой самоочищения природных вод. Ниже приведен краткий обзор литературы по выявлению исключительной самоочищающей способности водоемов и водотоков аридных зон в сравнении с водоемами гумидных областей.

Роль сорбционных процессов в снижении концентрации тяжелых металлов, фосфора в воде оз. Балкаш подробно изложена автором в разделе 3.4.

Детальными многолетними исследованиями С.С. Крученко установлено, что при упаривании вод континентального происхождения в твердую фазу выпадают осадки (карбонаты, сульфаты), увлекая за собой такие компоненты, как бром (0,002 – 0,025%), йод (0,0002 – 0,016%), бор (0,0002 – 0,005%), кремний (до 0,02%), фосфор (до 2 . 10^-5%), калий (0,016 – 0,094%) [92]. А.И. Мун доказал, что такие элементы как фтор, бром, йод, бор, литий, калий, рубидий, цезий, кобальт, никель и цинк аккумулируются из воды континентальных водоемов донными отложениями, благодаря адсорбции их различными коллоидами, но геохимическое поведение названных элементов в системе «вода – ил» различное [93].

Для долгосрочного прогнозирования качества природных вод необходимо знание о скорости самоочищения. По данным натурных наблюдений на реках СНГ И.М. Кореновской и др. [94] рассчитаны значения коэффициентов скорости самоочищения речных вод 80 % – ой обеспеченности в весенне-летний период от некоторых загрязняющих веществ (таблица 1.4). Так, наибольшим значением К, равным 1,80 1/сут, характеризуются ионы аммония, наименьшими (0,20 1/сут) – ХПК, НП, Fe, Ni и Cr.

Практически все реки России изучены на предмет загрязнения и самоочищения их вод. Выявлено, что процессы самоочищения от нефтепродуктов протекают более интенсивно при сравнительно высоких температурах в летний период и значительно в меньшей мере зимой. Так, для р.Кубани самоочищающая способность в зимний период колеблется в пределах 7-35%, а летом повышается до 20 – 60%.

Максимальные величины перерабатывающей способности (ПС) р. Кубани от нефтепродуктов (600 – 3040 кг/час) определены при наибольших расходах воды во время паводков. В межень и при низких температурах (0-5 ⁰С) нефтепродукты слабо «перерабатываются» (0,11–5,71 кг/час) [95]. Аналогичное явление наблюдается и в других реках бассейна р. Кубани [96], Донецкой и других областях [97].

Таблица 1.4 – Коэффициенты скорости самоочищения речных вод от некоторых загрязняющих веществ

Сравнительно интенсивно процессы самоочищения речных вод от некоторых веществ протекают на участках протяженностью до 10 км ниже сброса стоков. При этом СС по БПК₅, например, в р. Кальмиус (Донецкая область) составляла 57%, по NH⁺₄ ионам – 60%.

Л.Ф. Носачева и К.Р. Амрин изучали СС некоторых рек Центрального Казахстана от органических веществ [98]. Так, в р. Нуру производится сброс сточных вод предприятий химической, металлургической, энергетической промышленности, а также бытовых сточных вод. Общий объем стоков бассейна р. Нуры составлял в 1975 г. около 120 тыс.м³/сутки, а в 1987 г. уже 477 тыс.м³/сутки [99]. Концентрация фенолов в речной воде в 1975 г. уменьшается до исходной величины (0,001 мг/л) через 3 суток пробега воды от места сброса сточных вод. На участке реки, в 5 км от источника загрязнения, снижение концентрации ОВ (по БПК₅) весной составляло около 88%, летом – 53%. Осенью процессы самоочищения р. Нуры более четко выражены на значительном расстоянии (12 км) от места сброса сточных вод и составляют 55 %. Путем анализа данных по содержанию ОВ за 1987 г. в воде р. Нуры (г. Темиртау) на участках 0,5 км и 5,7 км ниже объединенного сброса сточных вод, автором получены следующие результаты по СС (в %): БО – 11,6; БПК₅ – 20,5; фенолы и СПАВ – 60%; нефтепродукты – 50%. В реки Чурубай Нуру, Сокыр, основных притоков р. Нуры, также осуществляется сброс сточных вод. В малых реках более заметно влияние стоков и самоочищение обычно заканчивается на больших расстояниях (20 – 30 км), чем в крупных реках. Наиболее интенсивно превращение ОВ происходит в летний период, когда уменьшение их содержания (по БП₃К₅) составляет 62%. Если объем₃ стоков в р. Сокыр в 1975 г. составлял 80 тыс.м , то в 1989 г. – около 269 тыс.м. С увеличением расстояния от места сброса стоков содержание растворенного кислорода увеличивалось от 0 до 76% насыщения. В летний период процессы самоочищения в реке начинают проявляться на расстоянии 30 км от источника загрязнения. Весной и осенью за счет процессов самоочищения снижение концентрации загрязняющих веществ колеблется в пределах 36 – 89%.

Естественно ожидать, что большие количества загрязняющих веществ, сбрасываемые в водоемы и водотоки, затрудняют протекание процессов самоочищения. СС воды от металлов, как правило, зависит от абсолютного содержания его в верхнем створе: при более высоких концентрациях СС воды бывает более высокой, чем при сравнительно низких концентрациях. Кроме того, решающую роль в снижении концентраций тяжелых металлов играют процессы сорбции и образования труднорастворимых соединений.

Донные отложения, взвеси оказывают значительное влияние на СС водоемов и водотоков. Изучая роль перемешивания водных масс с донными отложениями на процесс потребления кислорода биохимически нестойкими соединениями, выявлено, что константа скорости этого процесса здесь возрастает в 4,2 раза по сравнению с опытами в статическом режиме [100]. Микроорганизмы, живущие в илах, способны разлагать многие органические соединения или потреблять различные ионы веществ. Так, в мелководных (3,5 – 4,0 м) прудах Ростовской области специальными исследованиями выявлено значительное превышение содержания летучих (ЛОВ) и растворенных органических веществ (РОВ) в иловых вытяжках по сравнению с содержанием их в воде [101]. Образование ЛОВ в илах происходит в основном в результате разложения высокополимерных ОВ микроорганизмами, а также за счет процессов хемосинтеза. Параллельно с образованием ЛОВ в илах наблюдаются и процессы их потребления различными микроорганизмами, что включает новые циклы биохимических превращений.

Е.А. Спонти и соавторы изучали превращение некоторых нефтепродуктов в природных водах и стерильных условиях [102]. Ими установлено, что разрушение тридекана при начальных концентрациях 1,2 и 2,6 мг/л практически заканчивается, соответственно, на 2 и 15 – ые сутки опыта. При увеличении содержания исходного вещества до 4,9 мг/л в течение 15 суток разрушалось около 85% токсиканта. Скорость окисления тридекана в естественных условиях составляла 0,55 – 0,70 мг/сутки, в то время как в стерильных условиях она не превышала 0,03 мг/сутки. Эти цифры свидетельствуют о превалирующей роли биохимического фактора в снижении концентрации тридекана в природной воде.

Дизельные и авиационные масла обладают высокой стабильностью. В течение 50 суток опытов их концентрация в природной воде оставалась практически неизменной. Скорость окисления дизельного топлива при исходной концентрации 3,4 мг/л в среднем составляла 0,13 мг/сутки.

Лабораторные исследования, проводимые [103] по вопросу трансформации лигносульфонатов в природных водах, позволили установить наличие зависимости скорости их биохимической деструкции от присутствия донных отложений. Авторы доказали факт сорбции лигносульфонатов донными осадками и взвешенными веществами.

Изучая роль сорбционных процессов, в снижении концентрации СПАВ в природных водах, В.В. Шлычковой и др. показано, что при отсутствии донных отложений, как правило, идет торможение превращения веществ на начальном этапе (0,5 – 2 суток), связанном с периодом адаптации микроорганизмов к веществу [104]. В присутствии донных отложений в первой половине суток происходит резкое снижение концентрации СПАВ в воде за счет процессов сорбции.

Благодаря разбавлению и биохимическим процессам системы «вода – дно» состав воды водохранилищ (на примере Волгоградского) достигает фоновых (химических и биологических) показателей и отсутствие дефицита кислорода на расстоянии 10 км от сброса стоков. Все это позволило констатировать авторам [105] факт активного процесса самоочищения водоема.

Микроорганизмы донных отложений водоемов и водотоков способны производить детоксикацию даже почвенных гербицидов (пропанид, стам Ф-34, суркопур и др.) [106; 107]. Малопроточные водоемы (озера, водохранилища, пруды) имеют относительно устойчивый уровень воды и незначительные сезонные течения по сравнению с реками, обусловленные режимом работы водохранилища или ветровыми нагонами. Концентрация загрязняющих веществ на отдельных участках малопроточных водоемов, направление и скорость процессов самоочищения обусловливаются в основном действием ветра, аэрацией воды, изменениями температуры, характером русловых процессов. Процессы самоочищения при этом будут определяться преимущественно или физическими и химическими факторами (в условиях горного, расчлененного рельефа), или развитием фито– , зоо– и бактериопланктона (озера, пруды). Если в водоем будет поступать слишком много загрязненных сточных вод, то процесс самоочищения сильно затормозится или совсем прекратится. В летний период, когда создаются наиболее благоприятные условия для жизнедеятельности живых организмов, водоем самостоятельно способен переработать большие количества токсикантов [108-110]. Зимой при низкой температуре воды рост и активность микроорганизмов уменьшается. К тому же в этот период, образующийся лед ограничивает проникновение кислорода и света, ослабляется фотосинтез и процесс самоочищения водных масс замедляется. Самоочищение водных объектов от консервативных веществ (например, хлориды, сульфаты, натрий, кальций и др.) обусловливается только разбавлением сточной жидкости природной водой, а неконсервативных (например, многие органические вещества) – как разбавлением, так и различными процессами превращения веществ. При загрязнении и самоочищении природных вод изменяются физические свойства и химический состав из-за протекания следующих главных физико-химических процессов: окисление – восстановление; реакций полимеризации и поликонденсации; образования коллоидных растворов; процессов сорбции и десорбции; катионного обмена; образования труднорастворимых соединений; процессов выделения из воды газов и легколетучих соединений; образования комплексных соединений [111-114].

Таким образом, природные воды обладают одним из уникальных свойств – способностью к самоочищению водных масс. Причем, в водоемах и водотоках аридных зон эти процессы усиливаются из-за их мелководности, интенсивного перемешивания воды, способствующих взмучиванию, прогреваемости и активному воздействию солнечной радиации.

1.7 Эмерджентность бессточных озер аридных зон

Территория Казахстана является одной из наименее водообеспеченных республик Центральной Азии. Из 85 тыс. рек и временных водотоков лишь 200 имеют протяженность более 100 км и только 6 – более 1000 км. Из 48 тыс. озер 270 имеют площадь водной поверхности больше 10 км² каждое, 16 – свыше 100 км², два – оз. Балкаш и Алаколь – свыше 2000 км² , а Арал 640000 км² [2]. Кроме того, Казахстан занимает последнее место среди стран СНГ по средней удельной водообеспеченности (22,2 тыс. м³/км² в год). Ресурсы поверхностных вод распределены крайне неравномерно по территории республики – от 70 тыс. м³/км² в год на юго – востоке и востоке до 6,5 – 8,0 тыс. м³/км² в год в Северном и Центральном Казахстане. Проявляется также неоднородность и по времени: маловодные годы могут повторяться один раз в 20 лет, а удельная водообеспеченность в зависимости от года может изменяться даже до 20-25 раз.

Главной отличительной особенностью аридных территорий является недостаток пресной воды. В настоящее время дефицит воды в Казахстане уменьшает темпы развития промышленности и сельского хозяйства. В перспективе потребность в воде составит 55-60 млрд.м³/год ввиду развития современных промышленных технологий и народного хозяйства в целом.

Изучение глобального гидрологического цикла показало, что общий объем осадков, выпадающих на сушу земли, составляет около 119 тыс.км³/год [24]. Из них почти 61% тратится на испарение, транспирацию растительности и нужды животного мира, то есть значительный объем воды идет на внутренний влагооборот суши. Последний представляет собой основу существования биосистемы. Излишки влагооборота суши стекают в виде речного стока (около 41 тыс.км³/год) в Мировой Океан.

Большую часть этого внутреннего влагооборота занимают бассейны бессточных водоемов аридных областей, такие как, Средняя Азия, Синьцзян КНР, часть Сибири и Монголии, 75% территории Казахстана. Здесь располагаются бассейны крупнейших внутренних водоемов, которые гидрологически не связаны друг с другом: Каспий и Арал, озера Балкаш, Алаколь, Эбиноор и Лобнор (КНР), Иссык-Куль, Тениз, Селеты, Чаны, Кулунды, ряд озер Кокшетауской области, водоемы – накопители в Туркмении, Узбекистане, Казахстане и др.

Каждый перечисленный бассейн – это относительно самостоятельная водохозяйственная система, имеющая свой оборот влаги, тепла, энергии и веществ. Специальные исследования К.Я. Кондратьева и др. с использованием космической информации [115; 116] позволили заключить, что «массо– энергообмен на суше достаточно локализован и имеет бассейновую структуру. Каждый такой бассейн представляет собой открытую систему, поскольку локальный круговорот здесь совершается на фоне упомянутого выше глобального цикла. Каждый из этих локальных бассейнов имеет свою зону формирования жидкого стока – горы, речную систему, замыкающее звено – бессточный водоем и горно-долинную циркуляцию в атмосфере». Так, для Каспия зоной формирования речного стока являются: Среднерусская возвышенность, Западный и Южный Урал, горы Кавказа; для Арала – горная система Памира и Таниртау; для оз. Балкаш – отроги Таниртау, Илейский и Жонгарский Алатау; для оз. Тениз – горы Центрального Казахстана и т.д.

Профессор А.А. Турсунов использовал понятие «эмерджентность», обозначающее свойство системы, только ей присущее, которым не может обладать ни один компонент, ни одна часть этой системы» [40; 43]. Такое свойство локальным водохозяйственным системам придают их речные подсистемы, с помощью которых осуществляется гидравлическая связь: горы – бессточный водоем. Здесь по рекам происходит прямой массо – и энергообмен. А именно, речной сток состоит из совокупности гетерофазного стока. Многочисленными исследованиями неоспоримо доказано, что с речным потоком в конечные водоемы (бессточные озера) поступает не только вода, но и взвешенные, твердые вещества, наносы, а также соли, различной степени минерализации остатки растительности и животного мира. Последние, в свою очередь, служат пищей для рыб разного возраста. За счет действия регулярных горно-долинных ветров, несущих в горные области пары, пыль, газы, соли, различные органические вещества (пыльца и семена растений, грибов и др.) проявляется обратная связь озеро – горы [117]. Кроме того, нередки случаи движения животных и птиц в горы. В подавляющем большинстве случаев в прибрежных мелководных частях бессточных водоемов и заболоченных их берегах концентрируется биоценоз и органо-минеральные соли. При ежегодных понижениях уровня водоемов, эпизодических высыханиях их акваторий, некоторая часть вышеперечисленной массы веществ уносится ветром в атмосферу, в том числе больше всего обратно в горы.

В аридной зоне Земли располагаются и бессточные озера Центральной Азии, представляющие особый интерес в изучении: Сарыкамыш, Арнасай, Сонколь, Чатырколь, Улунгуль и др. Сюда не вошли Каспийское море, оз.Иссык-Куль, Сайрамнур и Баграш – Коль (КНР), а также озера Западной Сибири и Северного Казахстана, большая часть территории бассейна которых находится в гумидной зоне. В отличие от последних бессточные водоемы Центральной Азии находятся в аридных областях с континентальным климатом, общей зоной формирования, горной системой Памир – Таниртау, специфическими особенностями гидрофизических, гидрохимических, гидробиологических, гидрологических и других свойств и показателей. Эти свойства обусловлены влиянием на водоемы очень большой солнечной радиации, мелководности, ветровой деятельности, значительного испарения и зимнего вымораживания, перемешивания водных масс, развитой биосистемой. Все это способствует проявлению опресняющего эффекта бессточных озер аридных зон. Суммарное влияние перечисленных выше факторов обусловливает обратное влияние бессточных озер Евразии на глобальный климат, о котором говорит профессор А.А. Турсунов в своих последних работах. Данное обстоятельство обусловливает свойство эмерджентности этой системы озер, которые отличаются от водоемов гумидных областей. В связи с этим нельзя слепо переносить или приписывать выводы, полученные для гумидных озер, на водоемы аридных зон. Известно высказывание авторитетного ученого академика А.И. Воейкова о том, что Аральское море является «ошибкой природы». Академик Л.С. Берг определил оз. Балкаш, как «географический парадокс», поскольку по непонятной тогда (1903 г.) причине, почему имеется «пресное озеро без истока, в стране с сухим континентальным климатом, среди пустынь, где выпадает менее 200 мм осадков в год» [118]. Наоборот, они представляют собой закономерный и очень важный компонент сложной водно – хозяйственной природной системы, действующей в глубине Евразиатского континента с аридным климатом. Поэтому целесообразно изучать эти водоемы с позиции развивающейся науки гидроэкологии [43; 119; 120]. Гидроэкология предусматривает изучение сложных систем «водный объект – суша – живые организмы» с точки зрения биоцентристских и антропоцентристских положений. Сущность биоцентристских основ заключается в получении и применении экологических и геоэкологических, антропоцентристских – географо – санитарно – гигиенических регламентов, нормативов, документов. Ряд ученых считают, что геоэкологическая оценка водоемов и водотоков должна количественно измерять среду обитания живых организмов, самих организмов, а также скорость обмена между ними и водной, донной средой [121]. При этом приходится осуществлять прогноз изменения связей как во времени, так и пространстве. По мнению [122; 123] гидроэкологическое состояние водоемов и прилегающих к ним территорий включает степень соответствия взаимосвязанных качественных и количественных компонентов водных ресурсов (поверхностные, подземные, почвенные, атмосферные воды) нормальным условиям жизни и здоровья людей. Кроме того должна быть соблюдена экологически приемлемая норма средо – и ресурсоформирующих свойств изучаемых ландшафтов, в том числе воспроизводство водных ресурсов.

А.А. Турсуновым на основе многолетних научных исследований впервые в Казахстане сделана попытка системного обоснования основ гидроэкологии применительно к аридным областям [119]. Им сделан глубокий анализ причин экологических кризисов, показана острая необходимость пересмотра некоторых укоренившихся стереотипов мышления о природных водах и водохозяйственных системах. На примере р. Амударья [124; 125] произведено гидроэкологическое исследование мониторинга бассейна Аральского моря. Аналогично изучены и водоемы северных областей Таджикистана [126].

Климатическая, орографическая неоднородность территории, гидрологические, гидрогеологические, своеобразные растительные условия бассейна оз. Балкаш и других водных объектов, активно происходящие гидрохимические, физико-химические и гидромикробиологические процессы создают ряд отличительных свойств изучаемых бессточных водоемов. Некоторые из них, в частности, самоочищающая способность водных объектов, были упомянуты выше. Более глубокое исследование этих отличительных особенностей водоемов аридных районов будет приведено ниже. В цитированных выше работах гидрологов, гидротехников отличительные особенности бессточных озер отмечались на уровне предположений и гипотез. В предлагаемой работе эти особенности доказываются предметно: путем специальных натурных и лабораторных исследований внутриводоемных процессов, таких как карбонатное равновесие и ранняя садка солей, поглощение ряда элементов сорбентами, влияние испарения, дополнительного нагрева водных масс, фотосинтеза и воздействия прямых солнечных лучей, зимнее выхолаживание и вымораживание воды, воздействие нагретых вод и другие процессы.