Трансформация водных систем под влиянием хозяйственной деятельности

Основными видами воздействий хозяйственной деятельности на поверхностные и подземные водные источники являются:

• 1. Водозабор различными потребителями и отраслями хозяйства для водопользования.
• 2. Сброс отработанных и загрязненных вод в поверхностные водоемы и подземные горизонты.
• 3. Использование водоемов в гидроэнергетическом или рекреационном хозяйстве, в транспортных целях.
• 4. Инфильтрация в водоносные подземные горизонты загрязняющих соединений, возникших в различных хозяйственных структурах — на орошаемых угодьях, в жилых кварталах и на промышленных объектах, со свалок и с очистных комплексов, перерабатывающих жидкие стоки и т. д.
• 5. Закисление водных масс замкнутых водоемов в результате выпадения кислотных осадков.

Стоки

Главная трудность, стоящая перед водным хозяйством многих европейских стран, — образование в системах водоснабжения огромных объемов стоков, требующих тщательной и дорогостоящей очистки и последующего разбавления. Ежегодно в Европе формируется около 235 км³ стоков, в разной степени загрязненных. В условиях их полной очистки и последующего разбавления необходимо затратить не меньше 1500 км³ чистых вод, что составляет 65% полного речного стока Европы или весь объем его устойчивой категории. Если принимать во внимание неравномерность распределения водных ресурсов и образующихся стоков по территории европейских стран, то становится очевидной чрезвычайная острота этой проблемы во многих районах Европы.

Существуют локальные (точечные) и рассеянные источники загрязнения поверхностных и подземных водоемов, а судьба попавших в воды загрязняющих соединений зависит от режима и объема водной массы водоема. К точечным источникам загрязнения водоемов относятся: сброс неочищенных или слабо очищенных стоков с очистных объектов, сброс неочищенных городских стоков (в том числе промышленных), аварийные пуски в водоемы. К рассеянным источникам относятся: сельскохозяйственные угодья, лесохозяйственные угодья, гидростроительные объекты, оседание атмосферных загрязнений, водный транспорт.

Проблема нейтрализации и очистки жидких бытовых и промышленных стоков занимает в Европе особое место. Трудность ее разрешения заключается в том, что многие водоприемники (реки, озера, грунтовые воды) принадлежат сразу нескольким государствам. И даже если в одной стране налажена достаточно удовлетворительная система очистки стоков, а в соседней стране стоки очищаются слабо, то водоем оказывается загрязненным. В то же время крупные реки и озера Европы обычно являются объектами интернационального владения Согласно статистическим данным, в 1990 году 60% населения Европы обслуживалось сооружениями для очистки жидких стоков, образующихся в населенных пунктах. По отдельным государствам этот показатель значительно меняется. Кроме того, национальные системы слежения за сбросом стоков весьма различны и поэтому даже официальные сведения часто трудно сводимы (Statistical Coмpendiuм, 1995).

Рис. 4. Очистка стоков в европейских странах.

Страны: 1 — Австрия, 2 — Великобритания, 3 — Дания, 4 — Испания, 5 — Италия, 6 — Люксембург, 7 -Нидерланды, 8 — Норвегия, 9 — Португалия, 10 -Финляндия, 11 -Франция, 12 -ФРГ, 13 -Швейцария, 14 — Швеция.

Среди европейских стран до сих пор практически полностью не очищаются стоки в Албании, где они просто сбрасываются в реки и в море без всякой обработки. Более 50% стоков в необработанном виде поступает в водоемы в Исландии, Ирландии, Португалии. Греции и Бельгии В то же время Нидерланды. Швейцария, скандинавские страны очищают свыше 90% стоков, а в Дании они очищаются практически полностью (рис. 4).

Из известных технологий очистки жидких отработанных вод (механической, химической и биологической) полная система очистки применяется далеко не везде и в целом явно недостаточна. Например, в Германии только 30% стоков подвергается третичной очистке и т. д. Этот процесс сдерживается высокой стоимостью удаления огромной массы шламов, образующихся на очистных установках.

Особое место среди речных систем Центральной Европы занимает Рейн — главная водная артерия региона. В 1973 году стоки, сбрасываемые в реку всеми государствами Рейнского бассейна, очищались всего на 30%, а в настоящее время — более чем на 90%. Международная конвенция по комплексной защите Рейна, подписанная всеми странами Рейнского бассейна в 1985 году, предложила систему мер по полному запрету сброса в эту реку неочищенных стоков. Но это касается жидких муниципальных и промышленных стоков, а инфильтрационные и дренажные стоки с обрабатываемых интенсивно мелиорируемых пахотных и луговых угодий бассейна практически не поддаются контролю.

С целью улучшения режима устья реки Рейна разработан проект «Дельта». По нему пять из шести рукавов дельты Рейна перегорожены «прозрачными» плотинами, через которые осуществляется спуск речных вод, но блокируется вход в русло морских вод. В рукавах Рейна устроены водохранилища пресных вод, в которых грязная рейнская вода очищается и используется для водоснабжения.

Низовья других крупнейших рек Средней Европы — Эльбы, Вислы, Сены и др., несмотря на предпринимаемые усилия по их очистке, оказались чрезвычайно загрязненными. Обследованиями установлено, что содержание органических соединений в водах этих рек превышает 5,0 мг/л, фосфатов — более 500 мг/л (на отдельных участках рек — даже до 1000 мг/л), азотных соединений от 2,5 до 7,5 мг/л. Концентрации этих веществ в незагрязненных водах соответственно составляют: органических соединений около 1,0 мг/л, фосфатов — всего 50 мг/л, азотных — 1 мг/л. Таким образом, концентрации в речных водах этих веществ превышены в 5−10 раз за счет недостаточно очищенных вод.

В зонах концентрации городских и индустриальных центров — Рейнско — Вестфальской области Германии, в Северо — Чешском буроугольном бассейне, Парижском и некоторых других районах — в 1970;1980 гг. складывалась критическая ситуация в водопользовании. Это вынудило правительства многих европейских стран принять срочные меры по оздоровлению имеющихся водных источников. Крупные капиталовложения были затрачены на создание очистных установок, ужесточились запреты на сброс загрязненных вод в поверхностную водную сеть. разработаны новые технологии очистки стоков и снижения норм водопотребления. Существенно ужесточился контроль за точечными источниками сброса загрязненных вод. В результате ситуация с качеством воды в реках и озерах многих европейских стран заметно улучшилась. В этой связи наметилась четкая тенденция сокращения в общем качественном ухудшении водозапасов доли коммунальных и промышленных стоков и усиления значения рассеянных источников загрязнения.

Эвтрофикация

Среди рассеянных источников, загрязняющих воды рек и замкнутых водоемов (озер, водохранилищ, отдельных участков рек), большую роль играют сельскохозяйственные, иногда лесохозяйственные угодья. Среди загрязнителей, вымываемых в процессе инфильтрации из почв в водоемы, особое место занимают азот и фосфор; повышение их концентрации в водах и вызывает процесс эвтрофикации.

Азот и фосфор поступают в воды с поверхностным или инфильтрационным стоком за счет смыва с орошаемых и удобряемых сельскохозяйственных угодий, мелиорируемых лесных массивов, при аварийных пусках очистных установок, за счет неконтролируемых сбросов коммунальных или промышленных стоков. Хорошо прослеживается корреляция между плотностью населения и концентрацией в водоемах фосфора, так как главным источником поступления этого соединения служат муниципальные стоки, особенно если они плохо очищаются. Например, в Падании или на датских островах от 43 до 64% содержания фосфора в водах связано с городскими стоками, от 22 до 41% - со сливом из сельскохозяйственных угодий и всего лишь от 5 до 10% - с природными источниками.

Повышение содержания азота в водах, отмечаемое практически во всех европейских странах, связано прежде всего с сельскохозяйственной деятельностью. Высокие дозы внесения азотных удобрений на поля — главная причина изменения концентрации азота в водных массах. Если в бассейне реки мелиорируемые угодья занимают до 10% площади, то концентрация азота в речных водах составляет менее 10 мг N/л; если мелиорируются угодья на площади от 10 до 50% бассейна, то концентрация возрастает до 2,5 мг N/л. Такие зависимости очень хорошо прослеживаются при сравнении ландшафтов, слабо и интенсивно освоенных сельским хозяйством (например, в центральных и южных районах Швеции) (Europe's Environment, 1995).

Рис. 5. Вымывание N и P в водоемы с сельскохозяйственных угодий.

Страны: 1 — ФРГ, 2 — Нидерланды, 3 — Италия, 4 — Дания, 5 — Финляндия, 6 — Польша.

В серьезную общеевропейскую проблему превратилось попадание в водную среду пестицидов. Они широко применяются при химических мелиорациях почв и в целях ухода за растениями. Европейские нормативы допускают в качестве предельной концентрацию в водах общего содержания пестицидов не более 0,5 mг/л, а по отдельным пестицидам — не более 0,1 mг/л. Однако действие химических средств защиты растений на биоту в целом и на организм человека изучено слабо, хотя сегодня в практику внедряется множество новых соединений. Например, до 1990 года в Европейских странах широко применялся такой сильный гербицид, как антрацин. Он вносился на поля для уничтожения корневой системы сорняков. Но в агроландшафтах Паданской равнины, где антрацин применялся очень часто, было выявлено значительное превышение ПДК этого яда в грунтовых водах. В 1990 году в Италии, Германии и ряде других стран появился запрет на применение антрацина и некоторых других столь же сильных химических средств.

Окисление водной массы водоемов

Серьезное качественное изменение водных масс, обусловленное выпадением кислотных осадков из загрязненных воздушных потоков, отмечается в ряде европейских стран.

Одно из сильнейших антопогенных воздействий на водоемы юго-восточной части Скандинавского полуострова и южной Швеции оказывается выпадающими кислотными дождями.

С начала 1970;х годов обнаружилось повышение кислотности в озерных и речных водах региона, сопровождавшееся массовой гибелью рыб. Это явление привлекло внимание научных кругов и широкой общественности в целом к проблеме кислотных осадков, выпадающих из воздушных потоков, насыщенных соединениями SO2, NO2 и взвешенными частицами. В аэрозольном состоянии эти соединения способны переноситься на многие сотни и даже тысячи километров от пункта выброса и затем в виде сильных кислот (серной или азотной) выпадать с осадками на пути перемещения.

Если в естественном состоянии рН озерных вод равен 5,0 или 6,0, то после выпадения кислотных дождей рН снижается от 4,3 до 3,0. В таких условиях происходит вымывание в водную среду подвижных форм алюминия — очень сильного токсиканта для обитателей замкнутых водоемов. Повышение концентрации алюминия не только снижает репродуктивную способность многих видов рыб и остальных гидробионтов, но и приводит к их массовой гибели. Воды озер при этом оказываются почти стерильными, их прозрачность повышается, но исчезает все живое, за исключением сфагнового мха, который устилает днища водоема.

Этот процесс особенно интенсивен там, где и в естественных условиях биологический фон характеризуется повышенной кислотностью. Это главным образом территории с хвойнолесной растительностью (таежные) или с торфяниками и болотами. Образующиеся при разложении органических остатков агрессивные фульвокислоты усиливают выщелачивание. Ситуация обостряется на цокольных равнинах, где в коренных породах или в поверхностных отложениях отсутствуют карбонаты или другие легкорастворимые соединения, служащие естественным буфером для выпадающих на поверхность кислот. Такие территории крайне уязвимы для дополнительного привноса кислот с осадками.

В настоящее время сильнейшее закисление озер наблюдается на обширных пространствах южных районов Норвегии, Швеции, Финляндии и в Дании, а также в водах Германии, Австрии, Чехии, Шотландии.

С конца 1970;х годов проводятся систематические наблюдения за уровнями кислотности поверхностных водоемов и перемещающихся загрязненных воздушных масс в масштабе всей Европы. Было установлено, что только в период с 1940 года по 1977 год рН водных масс снизился с 6.7 до 4,7; в результате из 5000 озер южной Норвегии полностью лишились рыбных популяций 1750 озер, а еще 900 — сильно пострадали от закисления. В южной и центральной Швеции гибель рыбных популяций произошла в 2500 озерах. В общей сложности это вредное воздействие коснулось в разной степени 18 000 озер Норвегии и Швеции.

Исследованиями установлено, что главными виновниками столь тяжелых последствий водоемов Скандинавии являются выбросы промышленных предприятий не Норвегии и Швеции, а Великобритании и земли Северный Рейн — Вестфалия в Германии. Трансграничный перенос газообразных загрязнителей стимулировал международные усилия для борьбы с этим общеевропейским бедствием. В ходе выполнения международной программы LRTAP по контролю за загрязнением воздуха, действующей в рамках ЕЭК ООН с 1979 года (с 1989 года в ней принимают участие 20 европейских государств, а с 1994 года — 25 государств), была разработана концепция «критических нагрузок» на окружающую среду. Понятие «критическая нагрузка» определялась как ". количественный уровень оседания одного или нескольких загрязнителей, ниже которого, по современным представлениям, не обнаруживаются явные признаки вредного воздействия на особо чувствительные компоненты окружающей среды" (Heltelingh и др., 1991). По результатам исследования была составлена на территорию всей Европы карта «Уязвимости экосистем к кислотным осадкам» в масштабе 1:10 000 000. Наиболее уязвимы, согласно этой карте, оказываются таежные зоны Скандинавии и Финляндии, Шотландии, Галисии, высокогорий Альп и некоторых других горных систем Европы, сложенных кристаллическими породами.

Меры по снижению выбросов в атмосферу вредных соединений дали определенные положительные результаты: наблюдается некоторое снижение эмиссий S02, пыли, но объемы выбросов азотных соединений не снизились. Последние обследования начала 1990 годов свидетельствуют о продолжающемся процессе антропогенного подкисления водоемов. Из 13 600 озер, обследованных на территории Норвегии, в 1991 году 2600 озер оказались стерильными, а в 3000 озер популяции рыб сильно уменьшились в численности. Общее сокращение рыбных популяций оценивается величинами от 92 до 305 тыс. особей, а в весовом выражении — от 345 до 1150 тыс. т. Столь массовая гибель живых организмов пагубно сказывается и на качестве речных и озерных вод.