Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Оценка трансформации, аккумуляции загрязняющих веществ и интенсивности процессов самоочищения в пресноводных экосистемах методами натурного моделирования

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Оценка трансформации, аккумуляции загрязняющих веществ и интенсивности процессов самоочищения в пресноводных экосистемах методами натурного моделирования"

р Г 8 ФЙЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ (РОСГИДРОМЕТ) 1 ^ И ЮЛ 1397 ГИДРОХИМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ТЕПЛЯКОВ Юрий Викторович

ОЦЕНКА ТРАНСФОРМАЦИИ, АККУМУЛЯЦИИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ И ИНТЕНСИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ САМООЧИЩЕНИЯ В ПРЕСНОВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ МЕТОДАМИ НАТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы,

На правах рукописи

УДК 504.064.36.5745:550.4.001

гидрохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Росгов-на-Дону - 1997

Работа выполнена в Гидрохимическом институте Росгидромета

Научный руководитель - засл. деятель науки и техники России,

доктор геол-минерал, наук, профессор Никаноров A.M.

Официальные оппоненты

Ведущая организация

- доктор географических наук, профессор Федоров Ю.А.,

- доктор геолого-минер, наук, доцент Бессонов O.A.

- институт Биологии Внутренних Вод РАН

Защита состоится Ш-СС(лС 1дд7 г. в ''Ч часов на заседании специализированного совета Л 024.01.01. в Гидрохимическом институте по адресу: 344000, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки 198.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Гидрохимического института.

Автореферат разослан

// 1997 г.

/

Ученый секретарь диссертационного совета Д 024.01.01

Л.В.Бражникова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из основных интегральных показателей, который часто используют в качестве характеристики состояния экосистемы, является самоочищающая способность воды. По мнению многих авторов, способность водных объектов к самоочищению воды представляет собой полезный ресурс, который может быть использован в природоохранной деятельности. Каждый водный обьект имеет определенный предел самоочищающей способности, превышение которого приводит к недопустимым перестройкам биотической и абиотической структуры.

Общепринятой методики оценки самоочищающей способности нет. Лабораторные эксперименты в изолированных емкостях использовались очень широко, в результате получены коэффициенты скорости самоочищения воды для целого ряда органических загрязняющих веществ (ЗВ). Все более широкое применение находят полевые эксперименты в модельных экосистемах (МЭС), в основном в области экотоксикологии. Эксперименты в МЭС позволяют оценить скорости трансформации, аккумуляции и миграции ЗВ в условиях, наиболее приближенных к изучаемому водному объекту. Это справедливо в том случае, если они включают все основные компоненты моделируемого объекта.

Каждый водный объект отличается спецификой протекания внутриводо-емных процессов. Для целостной и реалистичной оценки интенсивности процессов трансформации, аккумуляции и миграции ЗВ, определяющих скорость самоочищения воды, необходимо получить ответы на следующие вопросы: какие скорости этих процессов будут наблюдаться в сочетаниях различных типов растительности, донных отложений, планктонных организмов, интенсивности поступления ЗВ, продолжительности экспозиции и характера нагрузки. Вклад каждого из перечисленных факторов в настоящее время является малоизученным.

Целью работы является совершенствование методов и методологии натурного моделирования с применением МЭС для оценки скорости трансформации, аккумуляции и миграции ЗВ, а также оценки критических нагрузок с позиций способности водных объектов к самоочищению воды.

Основными задачами исследований являются:

1) разработка МЭС унифицированной конструкции, позволяющих создавать системы необходимого обьема и формы, включающих все главные биотические и абиотические компоненты моделируемого водного объекта;

2) исследование подобия МЭС и достоверности получаемых результатов; обоснование адекватности применяемых технических средств постав-

ленным задачам;

3) проведение экспериментальных исследований с некоторыми приоритетными группами ЗВ для получения кинетических характеристик скорости их трансформации, аккумуляции и миграции в компонентах водных экосистем;

4) оценка вклада основных абиотических и биотических компонентов в суммарный процесс самоочищения воды, определяющий скорость убыли ЗВ в воде;

5) обоснование способа экспериментальной оценки критических уровней поступления ЗВ в пресноводные экосистемы на основе критериев качества воды и способности экосистем к самоочищению воды.

Научная новизна. В работе впервые:

- выполнена оценка вклада основных биотических и абиотических компонентов водных экосистем в суммарный процесс самоочищения воды (без учета разбавления);

- предложен способ оценки подобия МЭС как сложноорганизованных систем, с учетом суммарного рассмотрения всех химико-биологических параметров, определяющих их состояние;

- выделена категория полевых экспериментов, позволяющая оценить критические уровни нагрузки ЗВ на водные экосистемы при различных уровнях и режимах нагрузки.

Практическая значимость. В работе предложена методика и технические средства, позволяющие наиболее точно оценить способность конкретного водного объекта к самоочищению по отношению к определенному ЗВ. По экспериментальным данным могут быть определены критические уровни самоочищающей способности пресноводных экосистем.

Результаты натурного моделирования использовались для калибровки имитационных математических моделей, описывающих миграцию ЗВ и его влияние на пресноводные экосистемы.

Апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 9 работ. Основные положения диссертации представлены на Всесоюзной конференции "Методология экологического нормирования" (Харьков, 1990 г.); Междуно-родном симпозиуме, посвященном 20-й годовщине российско-американского сотрудничества в области охраны окружающей среды (Борок, 1992 г.); Международном симпозиуме по гидрологическим, химическим и биологическим процессам трансформации и миграции загрязняющих веществ в водной среде (Ростов-на-Дону, 1993 г.); Международном научном семинаре по экологическим катастрофам и учету их последствий (Уфа, 1993 г.).

Материалы по трансформации метанола, полученные в ходе хоздого-

верных работ с ПО "Азот", использованы предприятием для определения расстояния от места сброса, на котором наблюдается полный распад мета-юла при заданных концентрациях и расходах в месте сброса сточных вод.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, указанных в •сонце автореферата.

Структура и обьем работы. Диссертация изложена на 149 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти разделов, основных выводов , списка использованной литературы из 125 наименований, в том числе 31 на иностранном языке, включает 47 рисунков, 29 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении к диссертации сбосновываетя актуальность проблемы, слагаются цели работы и подходы их решения, научная новизна, дается фаткая характеристика работы. В основу работы положены материалы экс-1ериментальных исследований, выполненных автором в 1987-1993 гг. на зеках Усмань, Дон, Сев. Донец, Киржач, М. Донец, озерах Таловатое, Сривое. В экспериментах использовались следующие ЗВ: тяжелые металлы ;медь, кадмий, ртуть, свинец); пестициды (гексахлорциклогексан); азот 1 фосфор; метанол.

В разделе 1 представлен краткий анализ современного состояния в )бласти моделирования процессов перераспределения ЗВ в пресноводных жосистемах. Рассмотрены вопросы, связанные с терминологией и классификацией МЭС.

Задачей прикладных наук, занимающихся вопросами охраны окружающей ;реды, является прогнозирование влияния ЗВ на водные экосистемы. В •идрохимии одним из плодотворных методов для решения этих задач служит (етод моделирования внутриводоемных процессов, где эффективными обьек-'ами исследования выступают модели.

МЭС и эксперименты с ниш, описанные достаточно полно в обзорах ругих авторов, не затрагивались в данном разделе. Разнообразие МЭС и словий их применения хорошо отображено в обзорах Б.Цайтшеля, К.С.Бур-ияа, В.В.Алексеева, Ф.Сендерса. Цель раздела - рассмотрение вопросов, вязанных с классификацией МЭС и терминологией, а также наиболее инте-есных работ в области изучения процессов трансформации, аккумуляции и утей миграции ЗВ методами натурного моделирования.

В настоящее время нет определенной ясности в терминологии по лассификации МЭС и условиям опыта. Выделены две категории МЭС: - ла-

бораторные системы ("микрокосмы"); - полевые системы ("полевые микр< космы", "мезокосмы", "огороженные участки" и "экспериментальные пру;

Ю. Одум предложил подход, предполагающий "использование ограниченных и частично изолированных экспериментов открытого типа", а та показанную выше терминологию в отношении типов МЭС, которая бьиа по; держана. В целом выделяют основное, что микрокосмы "функционально сходны, но могут отличаться в происхождении или по своей структуре < природных экосистем, которые они воспроизводят".

В классификации полевых МЭС также нет общепринятой терминолопя критериев их разделения. На совещании в Великобритании в июле 1991 ] принята следующая терминология :

- малые мезокосмы - системы объемом 1 - 5 м3 ;

- большие мезокосмы - системы объемом 25 м3 .

Позднее на совещании рабочей группы по полевым тестам в Потсдг (июнь 1992 г.) введены термины "полевой микрокосм" и "мезокосм":

- полевой микрокосм - выделенные объемы (или пруды) менее 15 м3 ил! проточные лотки менее 15 м длиной;

- мезокосм - то же более 15 м3 или 15 м длиной.

В этих условиях термин модельная экосистема (МЭС) как нaибoJ общий является достаточно удобным и широко применяется у нас в стрг

Начало исследованиям с применением мезокосмов было положено в конце 50-х годов нашего столетия. Первая работа такого рода выполне! на оз. Седлице в Чехословакии. В 1957-58 гг. там исследовали фитопланктон, поместив в озеро 8 пластмассовых цилиндров, длиной 10 м и и риной 2 м, снабженных на концах металлическими кольцами. Цилиндры ур решились на дне озера, в каждой серии 4 цилиндра были закрыты снизь а 4 сохраняли контакт с донными отложениями.

Наибольшее развитие получили системы, выделяющие водную толщу вместе с донными отложениями, открытые на поверхность воды. Исследо! ния на мезокосмах открытого типа использовались для оценки эффективности методов биотестирования, для измерения прямых и косвенных воздействий на экосистему, для оценки устойчивости и скорости раздожею ЗВ.

В целом отмечается, что основная масса работ с применением МЭС как у нас в стране, гак и за рубежом, ставилась в основном в целях с оиндикации и экотсксикологии. Крайне мало работ, в которых эксперимг ты ставились с целью прогнозирования процессов трансформации и аккук ляции ЗВ в водных объектах. В основном такие исследования проводилис для пестицидов, биогенных веществ (азот и фосфор) и металлов. Пример

- ? -

таких работ (всего 43), выполненных на пресноводных экосистемах, обобщены в таблице в конце раздела.

В разделе 2 описаны технические средства и методы экспериментальных исследований.

Для проведения экспериментов на водных объектах в 1989 г. было создано оборудование, позволяющее выделять модельные экосистемы различного объема и формы: большие и малые мезокосмы с площадью поверхности от 1 м3 до 20 м3 и огороженные участки большего размера. Основой его служат элементы модульного типа: основания из полос нержавеющей стали; боковой поверхности из полиэтиленовой пленки; верхней части из пластиковой трубы и пенопластовых поплавков. Созданные МЗС могут иметь разную форму (круг, квадрат, прямоугольник), включать береговую линию либо только береговую надводную растительность, стоять на открытой воде. Приведены особенности сборки МЗС различной величины и формы и особенности их установки на различных водных объектах. Описаны процедуры внесения добавок ЗВ в ходе опытов, отбора проб, обработки результатов. Приведены конструкции специально разработанных пробоотборников воды, донных отложений.

Раздел 3 посвящен оценке подобия модельных экосистем водным объектам и достоверности получаемой информации.

Проанализированы данные, накопленные в ходе собственных экспериментов на водных объектах в 1989-1992 гг. Выделены параметры, по которым велось сравнение поведения модели и объекта: интенсивность перемешивания с применением гипсовых структур; температура; освещенность; концентрация кислорода; рН; концентрация органических веществ; БПК ; продукция валовая, чистая, деструкция органического вещества; видовой состав и биомасса фито-; зоо-; бактериопланктона.

Концептуальная основа - применение аппарата факторного анализа для снижения многомерности исходной информации, описывающей состояние экосистемы. По результатам экспериментов составлены матрицы исходных данных. Анализ и интерпретация результатов проводилась по объединенной матрице данных для двух (или нескольких) сравниваемых объектов. При этом выделенные комплексные переменные - факторы несли одинаковую смысловую нагрузку для сравниваемых объектов. При интерпретации результатов рассматривались первые 3-4 фактора, описывающие более 80% суммарной дисперсии. В качестве критерия подобия выбрана величина коэффициента парной корреляции (-1<г<1), отражающая тесноту связи изменения новых комплексных переменных сравниваемых систем во времени. При максимальной величине г=1 значения одной переменной возрастают в точ-

- а -

ком соответствии с другой переменкой. Использовать величину г как к$ терий подобия следует в области положительных значений, при этом прс цессы в сравниваемых системах будут идти в одном направлении.

Для удобства сравнения рассчитана величина г по выделенным факт рам. Наибольшая степень подобия или сходства наблюдается между контрольными МЭС (р. Дон, г * 0.72-0.76) и опытными с равной нагрузкой Ср. Усмакь, г = 0.61). Более низкие значения г - для пар "контроль -- р.Дон" (0.67 и 0.54) и "контроль - р. Усмань" (0.21). При сравнен* контрольной и опытной МЭС (р. Усмань, г = -0.01) видно, что процессь идут в разном направлении.

Показано, что добиваться высокой степени приближенности модели всем ее параметрам - очень дорогостоящая задача. Величину и степень приемлемости различий можно ввести только соотнося их с целью модели рования. Целесообразно, наряду с понятием подобия, рассматривать пон тие адекватности моделей. Адекватность означает, что треб вания подобия выполнены не вообще, а лишь в той мере, которая достаточна для достижения поставленной цели.

Полученная интегральная характеристика подобия хорошо отражает те различия модели и водного объекта, которые реально происходят по мере увеличения нагрузки:

- две контрольных МЭС без нагрузки - гСр= 0.76 - 0.72;

- параллельные опыты с медью - гСр= 0.61;

- контрольная МЭС и водный объект - гср= 0.21 - 0.67;

- контрольная МЭС и МЭС с нагрузкой медью - гСр= 0.18;

- то же с большей нагрузкой медью - гср= -0.01.

Это позволяет предложить и апробировать в дальнейшем данный параметр в качестве интегральной характеристики изменения состояния экосистемы под действием возмущающих факторов.

Глава 4 является основной, в которой представлены результаты э» перкментов в МЭС. Приведены кинетические параметры трансформации и миграции ряда неорганических (медь, ртуть, кадмий) и органических веществ (азот, фосфор, метанол, гексахлорциклогексан). Получены характ' рисгики скорости самоочищения воды для зтих ЗВ. На примере меди выпо. нены балансовые расчеты, позволяющие оценить вклад абиотических и 0и< тических компонентов экосистемы в интенсивность процесса самоочвдени воды.

Наиболее широкие исследования проведены с медью (СиБ04) - всего экспериментов, далее идут ртуть ( Нг(Щэ)2 ) - 2 эксперимента, и кал; ( И(N03)2 ) - 2 эксперимента на водных объектах. МЭС круглого сечен;

диаметром 1.8 м устанавливались на однородных участках водных объектов на глубине 1.1 - 1.8 м. В каждом эксперименте устанавливалось несколько МЭС: в одних проводились параллельные опыты для оценки воспроизводимости результатов; в других ставились опыты с разной нагрузкой; в одной МЭС отсутствовали донные отложения (она была замкнута снизу; одна МЭС была контрольной. Длительность экспериментов - 7-25 суток. В ходе опытов отбирались пробы на определение концентрации металла в воде (в фильтрованной и нефильтрованной пробах), донных отложениях, высших водных растениях. Определялись параметры: температура, рН, концентрация кислорода, ШК5, численность фитопланктона, зоопланктона, бактериопланктона, продукция фитопланктона чистая, валовая, интенсивность солнечного излучения.

По результатам опытов рассчитаны кинетические параметры скорости самоочищения воды и аккумуляции металлов в компонентах экосистемы (табл.1).

Таблица 1.

Кинетические параметры, полученные в опытах с ТМ

Вид ТМ Водный объект Наблюдаемые величины К, сут'1 Приме-

в воде в донн. отл. в раст. в моллюсках

медь оз.Кривое 0.05-0.07 0.12 0.13 -

(СиБ04) р. Усмань 0.08; 0.17; 0.09 параллель н

0.09 0.19 0.09 опыты

р.Дон 0.07 0.07 0.07 -

р.Киржач 0.07 0.08 0.11 -

р.М.Донец 0.11 0.03 - 0.03

р.Киржач 0.11; 0.06 - -

0.17 0.07 - -

ртуть Р-Дон 0.11 0.04 - -

(НдЩз)2 р.М.Донец 0.33 0.14 0.13 0.03

кадмий р.Дон 0.67 0.66 - -

(СсМ)з)2 Р-Киржач 0.36; 1.27; - параллельн

0.38 1.22 - опыты

Результаты иследовашй показали, что при изоляции МЭС от донных отло-

жений и макрофитов скорость самоочищения воды уменьшилась в 8 - 10 раз. Обнаруживается также хорошая воспроизводимость результатов в параллельных опытах.

Вклад компонентов экосистемы был оценен с помощью балансовых ра* четов по данным экспериментов с медью (табл.2).

Таблица 2

Перераспределение меди в компонентах экосистемы

Водный Длитель- Количество меди к концу опыта, %. Примеча-обьект ность нэбл. в воде, в донн, во взвеш. в рас- ние сут отл. в-вах тениях

оз.Кривое 34 10 74 1 6

р. М. Донец 25 5 85-0.5

р.Дон 21 . 8 79 2 0.7

р.Усмань 13 31 55 5 0.2 параллель}

33 49 9 0.3 опыты

р.Киржач 5 41 49 1

Учитывая то, что сроки эксперимента были разными, можно оценить роль донных отложений в процентах от количества меди, попавшей к кош опыта из воды в другие компоненты экосистемы (донные отложения, взвешенные вещества, растения). Она составляет 90 - 99 X в разных эксперр ментах. Доля растений, взвешенного вещества, моллюсков колеблется от до 10 7.. Это объясняется тем, что хотя скорости поступления ТМ, налр! мер, в донные отложения вполне соизмеримы по величине с макрофитами, биомасса последних несоизмеримо ниже. В эксперименте на оз. Кривое, где дно было полностью занято макрофитами (роголистник) и половина обьема МЭС была занята ими, доля последних в перераспределении меди составляет

В 1992 году на небольшом озере в пойме р. Дон в десяти МЭС изучались процессы трансформации и миграции пестицидов при различных величинах нагрузки. Из пестицидов был выбран гексахлорциклогексан (ГХЦГ). Полученные для него значения К = 0.05 - 0.15 сут-1 зависели от велич* ны нагрузки (табл.3). Значительный вклад в суммарную величину Кв дал* донные отложения. Характер кривых концентрации ГХЦГ в донных отложен! ях показывает, что концентрация пестицида в них быстра достигает максимальных значений, затем процесс аккумуляции прекращается и далее

сменяется процессом распада, так же как и в воде. В МЭС 7 наблюдается переломный момент - более плавный рост концентрации, достижение максимума и затем некоторое уменьшение ее. В МЭС 8 и 9 доминируют процессы накопления, в отличие от других МЭС разрыв в величинах концентрации ГХЦГ в донных отложениях и воде сильно возрастает, что указывает на достижение предела аккумулирующей способности донных отложений. По литературным данным в лабораторных опытах с ГХЦГ без донных отложений получено значение К = 0.003 сут-1.

Таблица 3

Кинетические параметры, полученные в опытах с ГХЦГ

N МЭС Режим нагрузки Козфф. скорости самоочищения воды Кв, сут-1 Козфф. скорости распада в донных отложениях Кдонн, сут-1

1 разовая 0.12 0.06

2 _ н 0.15 0.08

3 ежесуточная 0.11 -

4 разовая 0.11 0.0 7

5 _ « в 0.10 0.05

? _ к — 0.08 0.05

8 __ II — 0.06 -0.03

9 _ ** _ 0.05 -0.05

Исследования трансформации соединений азота и фосфора представлено опытами на рр. Дон, М. Донец и Киржач. В МЭС ежесуточно вносились разные количества комплексного удобрения "Рост-1", содержащего азот и фосфор. Рассчитаны коэффициенты скорости самоочищения волы К для азота (№эбщ): 0.18-0.21 (р. Киржач); 0.33 (р. М.Донец); 0.14 (р. Дон). Для фосфора (Робщ) они составили: 0.21-0.24 (р. Киржач); 0.44 (р. М. Донец); 0.28 (р. Дон). По полученным величинам К применявшееся в опытах комплексное удобрение Рост-1 можно отнести к промежуточной группе органических вешеств на границе с группой биологически мягких веществ (К > 0.3).

В 1988-1989 гг. на р. Северский Донец в районе г. Рубежное проводились опыты в ЮС для оценки скорости распада сточных вод предприятия, содержащих метанол. По данным опытов рассчитаны коэффициенты скорости самоочищения воды по метанолу и ВПК5 (табл.4).

Таблица 4

Результаты расчета коэффициентов скорости самоочищения воды

N МЭС Значение К, по Значение К, Величина нагрузки по

метанолу, сут-1 по БПК5, сут"1 метанолу, мг/л

13 - 17 ИЮЛЯ 1987 г.

4 3.5 - 16.8

7 0.75 - 50.1

октябрь 1988 г.

1 3.26 - 4.54

2 0.85 - 43.2

3 0.26 - 205.2

4 0.25 - 216.2

май 1989 Г

1 2.63 0.63 11.2

2 3.34 0.68 10.1

3 4.80 0.21 4.95

4 4.90 0.06 4.81

5 2.44 0.66 11.3

6 2.91 0.69 12.0

Результаты опытов в МЭС показывают, что в диапазоне нагрузок > 5 мг/л полученные величины К изменяются в пределах 0.25 - 0.75 сут-1; при нагрузках 5-15 мг/л К = 2.6 - 3.5 сут-1; при нагрузках до 5 мг/ К = 3.3 - 4.9 сут-1. По данным моделирования метанол попадает в групп биологически мягких веществ (К> 0.3). По данным лабораторных опытов для него приведено значение к, рекомендуемое для расчетов, равное 0.5 сут-1 и полученное при температуре 20 °С.

С учетом того, что МЭС в разные годы устанавливались на одном участке реки, появилась возможность определить зависимость значений К от температуры воды. На рис.1 показана зависимость значений К от темп ратуры в опытах, разбитых на 3 группы по величине нагрузки (до 5мг/л, от 5 до 15 мг/л и свыше 50 мг/л). Во всех группах скорость самоочищен растет при увеличении температуры, при этом темпы роста значений К па дают при переходе к большим нагрузкам на экосистему.

К, сут"1 5 4 3 2 1

Рис.1. Зависимость коэффициента скорости самоочищения от температуры воды в экспериментах с метанолом (р. Сев.Донец): I, II, III - диапазоны нагрузок метанола на экосистему.

Расчеты кинетических параметров, характеризующих скорость трансформации, аккумуляции и миграции ЗВ в компонентах экосистемы, выполнялись по уравнении первого порядка Стригера - Фелпса. Как показали собственные пробные расчеты, а также работы других авторов, модели с порядком реакции п, не равным 1, имеют трудноинтерпретируемую размерность. Сравнительная оценка интенсивности самоочищения, полученная по разным уравнениям, невозможна. Поэтому при сравнении кинетических параметров для разных водных объектов и различных условий целесообразно применять уравнение первого порядка.

При постановке модельных экспериментов важным является вопрос о влиянии на результат характера нагрузки по ЗВ. До настоящего времени почти все работы, выполненные с целью оценки скорости самоочищения воды от различных ЗВ, реализованы по схеме разового внесения в начале опыта. В то же время в реальных водных обьектах часто наблюдаются и другие условия, когда в единицу обьема экосистемы постоянно поступает ЗВ. Ряд экспериментов в МЭС выполнен по второй схеме. Для расчетов ис-

т-i-1-1-1-1-\-1-г

10 14 18 22 26

Температура воды, °С

пользовалась модификация уравнения первого порядка, где исходной концентрацией ЗВ является суммарное количество ЗВ, поступившее в ШС в ходе опыта. В табл.5 приведены результаты сравнения опытов с разовой и постоянной нагрузкой, выполненные в рядом стоящих ШС. В каждой серии опытов в МЭС с постоянной нагрузкой скорость самоочищения воды

Таблица 5

Результаты экспериментов при разных режимах нагрузки

Водный объект Обьем МЭС, м3 Величина и условия нагрузки У/о (Уп), Величина К, в воде сут-1 в донн, отл.

р.М.Донец 4.7 медь, №о=100 мкг/л 0.11 0.03

4.7 медь, №1= 20 мкг/л сут 0.13 0.05

р.Усмань 3.5 медь, \йо=114 мкг/л 0.08 0.17

3.4 медь. Ио=105 мкг/л 0.09 0.19

3.5 медь, №1=15 мкг/л сут 0.11 0.22

р.Дон 4.9 медь, Ио=160 мкг/л 0.07 0.07

4.9 медь, Ип=38 мкг/л сут о.оа 0.09

и аккумуляции меди в донных отложениях несколько выше, чем при разовой в начале опыта. Вопрос о том, будет ли это положение сохраняться в течение более длительного времени, остается открытым. Он также связан с соотношением величины нагрузки и самоочищающей способностью конкретной водной экосистемы или ее участка, материалы по этому вопросу представлены в следующем разделе.

В разделе 5 рассатривается применение результатов натурного моделирования для оценки резерва самоочищающей способности и предельно допустимых воздействий загрязняющих веществ на водные экосистемы. Многие авторы говорят о том, что состояние экосистемы может оцениваться с точки зрения способности ее к самоочищению воды, которая характеризуется свойственными для данной экосистемы минимальными и максимальными значениями. Механизмы, за счет которых осуществляется самоочищение воды, нарушаются или могут оказаться полностью подавленными в том случае, если скорость поступления превышает скорость ассимиляции (усвоения) ЗВ либо аккумуляции их в компонентах экосистемы, когда начина-

ют выпадать из гидробиоценоза наиболее чувствительные виды и виды, участвующие в процессах самоочищения. В справочной литературе скорость самоочищения характеризуют одним значением К (сут-1), полученным как правило по данным лабораторных опъГгов. На примере данных экспериментов в МЭС показано, что оценка самоочищающей способности водных объектов по данным опыта с одной концентрацией ЗВ не может объективно характеризовать этот процесс.

По результатам экспериментов в МЭС с медью, свинцом, азотом и фосфором, метанолом и гексахлорциклогексаном построены графики зависимости коэффициента скорости самоочищения воды (К, сут-1) от величины нагрузки. На рис.2а (медь, р. Киржач) в эксперименте с постоянным поступлением меди в экосистемы отчетливо выделяются три зоны:

(I) - в этом диапазоне нагрузок увеличение поступления меди сопровождается сопровождается увеличением способности экосистемы аккумулировать ее в других компонентах;

(II) - увеличение нагрузки сопровождается быстрым снижением способности системы к самоочищению воды;

(III) - возможности экосистемы к самоочищению воды полностью исчерпаны, увеличение нагрузки практически не влияет на значение К.

Для соблюдения условия непревышения резерва самоочищающей способности экосистемы нагрузка не должна превышать величин, ограниченных зоной I. В данном случае постоянное поступление ЗВ в экосистему не должно превышать 26 мкг/л сут в пересчете на ионную медь. Такие же характерные зоны выделяются и в опытах с гексахлорциклогексаном, где нагрузка на МЭС была разовой. Максимальная скорость самоочищения воды наблюдалась при величине разового поступления пестицида 8 мкг/л.

На рис.2в показаны результаты эксперимента со свинцом СРЬ(Шз)г] на р. Дон в 1993 г. Первый эксперимент (кривая 1) был проведен в условиях постоянной нагрузки в трех мезокосмах (10, 50 и 100 мкг/л сут) в течение 16 дней. Затем МЭС были установлены в новом месте и эксперимент длился 9 дней при нагрузках 12, 60 и 120 мкг/л сут (кривач 2). Во втором эксперименте наблюдаются более высокие скорости самоочищения. Это можно обьяснить тем, что МЭС повторно были установлены в более мелком месте в зарослях макрофитов, покрывавших всю поверхность донных отложений. Из-за малого диапазона нагрузок трудно выделить характерные зоны, но по характеру кривых можно заключить, что максимум самоочищающей способности находится в районе поступлений 100-110 мкг/л сут свинца.

По результатам экспериментов с азотом и фосфором (комплексное

К,сут-1

"Т-!-1-!-1-1-1-1-1-Г

20 40 60 80 100

Нагрузка на экосистему Wn, мкг/л сут (медь)

К, сут 0.24

2/2.2 4/4.4 6/6.6 8/8.8 Нагрузка на экосистему Wn, мг/л сут (фосфор/азот)

К, сут-1 0.3

0.2

0.1

О

О 50 100

Нагрузка на экосистему Wn, мкг/л сут (свинец)

Рис.2. Влияние постоянной нагрузки на скорость самоочищения воды

удобрение Рост-1, рис.26) построены графики зависимости величины К от постоянной нагрузки на МЭС отдельно по азоту и фосфору. Максимальная скорость убыли по азоту наблюдается при величине нагрузки порядка 4.1 мг/л сут, а по фосфору 5.8 мг/л сут. Из этого модно заключить, что для данной экосистемы лимитирующим фактором в большей степени является фосфор.

Для оценки качества поверхностных вод используются дифференциальный и комплексный подходы. В первом из них показателем качества воды служит предельно-допустимая концентрация ЗВ в воде (ПДК). Результаты экспериментов в ЮС позволяют выделить диапазон нагрузок (постоянных или разовых), в пределах которого не будут превышены определенные величины ПДК, исходя из самоочщэкжей способности экосистемы. На рис.За показаны результаты опыта на р.Дон в 1993 году, когда в МЭС вносился свинец в режиме постоянной нагрузки, представленные в координатах величина нагрузки - величина ПДК свинца в воде в конце опыта. Опыт проводился в двух повторностях, 16 дней (кривая 1) и 9 дней (кривая 2). Вблизи начала координат расхождения в ходе кривых незначительны. Точка А на графике соответствует величине наибольшей нагрузки (Икрит)на экосистему, при которой концентрация свинца в воде реки не превысит ПДК (10 мкг/л). В данном случае это означает, что поступление свинца в ' единицу обьема воды не должно превышать величины порядка 3 мкг/л в сутки. По данным экспериментов с постоянной нагрузкой с медью (р. Киржач, 1990г.) отмечена максимальная нагрузка для меди (0.5 мкг/л сут) при величине ПДК равной 1 мкг/л.

По результатам экспериментов с метанолом (р. Сев. Донец) построены два графика (рис.36 и Зв). На одном из них показано влияние разовой нагрузки на величину ПДК метанола в воде через одни сутки после внесения, на другом - влияние на величину ПДК по значению БПК5 в воде. Таким образом, если качество воды для данной экосистемы будет лимитироваться не по одному, а по нескольким параметрам, в экспериментах должны контролироваться параметры, необходимые для их расчета.

В табл.б приведены значения критических нагрузок на экосистему, полученные по данным экспериментов в МЭС с постоянной нагрузкой. Они рассчитаны с различных позиций. Значения, приведенные в колонке 3, отражают предельную скорость поступления ЗВ в единицу объема воды в сутки при максимальной способности экосистемы к самоочищению. В колонке 4 приведены значения нагрузки, при превышении которых концентрация ЗВ в воде превысит Щ(К при максимальной величине К.

П I

6Ь I

« 1

§ 4!-

д 1 ✓

$ ЗЬ

к к я о

§

//

1 <'/ 7'

П1и._

20 40 60 80 100 120 Нагрузка на экосистему мкг/л сут (свинец)

20 г

О) §

(Я

(б)

•

г/

101- /•

:/

Ш

пй_

10

20

5г !

4!-

ю

(В)

Ф

/

/

ЗЬ /

Й I /

о

£ 2Ь

10

20

Нагрузка на экосистему Ч10, мг/л (метанол)

Рис.3. Влияние нагрузки на качество воды в единицах ПДК

Таблица 6

Критические нагрузки на водные объекты для некоторых типов ЗВ по данным экспериментов в МЭС

Водный объект, Кмакс, Икрит по способности Wкpит при условии вид ЗВ сут-1 системы к самоочищению непревышения ГЩК

р. Киржач, 0.14 27 мкг/л сут 0.14 мкг/л сут

медь

Р- Дон, 0.3 100-110 мкг/л сут 3 мкг/л сут

свинец

р Киржач,

азот 0.21 3.9-4 мг/л сут азота

фосфор 0.24 5.8-6 мг/л сут фосфора

Исследования, проведенные с помощью МЭС на водных объектах, послужили основой для совершенствования методологии натурного моделирования и получения новых результатов по перераспределению ЗВ в пресноводных экосистемах. В заключении сформулированы основные результаты.

1. Созданы МЭС унифицированной конструкции, позволяющие изолировать часть водного объекта обьемом от одного до нескольких десятков кубических метров. Они могут включать все основные компоненты водной экосистемы: воду, донные отложения, высшие водные растения, гидробион-тов. МЭС могут устанавливаться от береговой линии или на выбранном участке водного объекта при оптимальной глубине их установки до 2 метров. Описана методика установки МЭС и проведения опытов.

2. Предложен математический аппарат, позволяющий перейти в описании изменения состояния экосистемы от комплекса выбранных химических и биологических параметров к одной интегральной характеристике (гСр). Оценена степень подобия МЭС по отношение к водному объекту по 6-7 химическим и 4-5 биологическим параметрам. Во всех экспериментах величина гСр находилась в области положительных значений в диапазоне величин от 0.57 до 0.76, что указывает на то, что процессы в сравниваемых объектах идут в одном направлении.

3. Проведены эксперименты с рядом приоритетных групп ЗВ. Получены кинетические параметры скорости самоочищения воды при разовых нагрузках:

- для меди К = 0.05 - 0.33 сут-1 (всего семь экспериментов на разных

водных объектах);

- для ртути - 0.11 - 0.33 сут-1 (два эксперимента);

- для кадмия - 0,36 - 0.67 сут-1 (два эксперимента).

Получены коэффициенты скорости накопления ТМ в донных отложениях:

- для меди К = 0.03 - 0.19 сут""1;

- для ртути - 0.04 - 0.14 сут-1;

- для кадмия - 0.66 - 1.27 сут-1;

соизмеримые по величине с коэффициентами скорости накопления ТМ в высших водных растениях (медь ~ 0.07-0.13 сут-1, ртуть - 0.13 сут-1) и моллюсках (медь 0.03 сут-1 и ртуть - 0.03 сут-1).

4. Оценен вклад отдельных компонентов экосистемы в процесс самоочищения воды. При установке МЭС без донных отложений скорость самоочищения воды уменьшалась почти в 10 раз, т.е. на порядок (для меди соответственно К=0.06 и 0.008 сут-1, для ртути - 0.33 и 0.04 сут-1, для кадмия - 0.36 и 0.04 сут-1). С учетом различной длительности опытов к концу эксперимента в донные отложения поступало 90Х - 99% от количества ЗВ, убывших из воды.

5. Показано, что рассчитывать скорость самоочищения воды можно как в условиях разовой, так и постоянной нагрузки. Приведена формула для расчета К, сут-1 при постоянной нагрузке на МЭС. При одинаковой длительности опытов скорости самоочищения воды от ТМ были выше при ежесуточном их поступлении (табл.9).

6. Получены коэффициенты скорости самоочищения воды для ряда органических веществ в условиях различных по величине нагрузок:

- для гексахлорциклогексана - 0.05 - 0.15 сут-1;

- для метанола - 0.25 - 4.9 сут-1;

- для азота - 0.14 сут-1.О (р.Дон), 0.18-0.21 сут-1 (р.Киржач), 0.33-0.5 сут-1 (р.и.Донец);

- для фосфора - 0.21-0.24 сут-1 (р.Киржач), 0.28 сут-1 (р.Дон), 0.44-0.63 сут-1 (р.М.Донец).

7. Выделена категория экологических экспериментов в МЭС, с помощью которых можно оценивать критические нагрузки на экосистему с различных позиций. Показано, что оценка самоочищающей способности водного объекта по данным эксперимента с одной концентрацией исследуемого ЗВ не может быть обьективной.

При постановке нескольких МЭС с разной величиной нагрузки (как разовой, так и постоянной) на графике зависимости скорости самоочищения от величины нагрузки выделено 3 зоны:

в I зоне увеличение нагрузки сопровождалось увеличением скорости

- Et -

самоочищения воды;

во II зоне увеличение нагрузки приводило к быстрому снижению скорости самоочищения воды;

в III зоне дальнейшее увеличение нагрузки практически не влияло на скорость самоочищения воды.

По результатам таких опытов может быть определена критическая нагрузка на экосистему.

8. По данным опытов возможна оценка критических нагрузок с позиции непревышения ПДК в воде для данного ЗВ при максимальной для данной экосистемы скорости самоочищения воды.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Никаноров A.M., Тепляков Ю.В. Проблемы изучения процессов трансформации загрязняющих веществ методами физического моделирования // Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Методология экологического нормирования". 4.1. Харьков, 1990, с. 46-47.

2. Никаноров A.M., Тепляков Ю.В., Уразаев К.К. Подобие модельных экосистем водных объектов: критерии подобия и способы их оценок // ДАН, 1994, т.338, с. 130-133.

3. Трунов Н.М., Тепляков Ю.В., Тавлинова Т.И. и др. Комплекс технических средств для натурного экологического моделирования на водных объектах // В кн.: Экологическое нормирование и моделирование антропогенных воздействий на пресноводные экосистемы. Вып.1 Ленинград, Гидрометеоиздат, 1988, стр. 17-24.

4. Никаноров A.M., Тепляков Ю.В., Уразаев К.К. Подобие моделей экосистем водных объектов: критерии подобия и способы их оценки // Водные ресурсы, 1966, том 23, N 5, с. 578-582.

5. Никаноров A.M., Трунов Н.М., Тепляков Ю.В. Натурное моделирование гидродинамических процессов в водных экосистемах // Качество вод и научные основы их охраны. Труды V Всес. гидрол. съезда. Т.5. -Ленинград, Гидрометеоиздат, 1991, с. 230-236.

6. Никаноров A.M., Трунов Н.М., Тепляков Ю.В., Шакунова H.H., Чмутен-ко Л.О. Методы натурного моделирования в системе прогнозирования и регулирования качества поверхностных вод // Тезисы докл. VII Все с. симп. по современным проблемам прогнозирования, контроля качества воды и озонирования, секция 1, Таллин, 1985, с. 137-139.

7. Никаноров A.M., Трунов Н.М., Шакунова H.H., Тепляков Ю.В., Чмутен-ко Л.О., Быстров A.B., Аскалепов В.Н. Натурное моделирование основных процессов взаимодействия загрязняющих веществ и водных экосис-

тем // Экологическое нормирование и моделирование антропогенных воздействий на водные экосистемы. Вып.1, Ленинград, Гидрометеоиз-дат, 1988, с. 9-17.

8. Никаноров A.M., Тепляков Ю.В., Детенбук Н. Натурное моделирование как метод количественной оценки функций интенсивности задерживания и трансформации загрязняющих веществ в ветлендах // Доклад на Межд. симп., посвященном 20-й годовщине российско-американскогосотрудни-чества в области охраны окружающей среды. Борок, Россия, 19 июля -- 2 августа 1992 г.

9. Teplyakov Yu.Y., Nikanorov A.M. Simulation of heavy metal effect on fresh water ecosystems in mesocosms and estimation of water body self-purification propeties // Hydrological, Chemical and Biological Processes of Transport of Contaminants in Aquatic Environments, IAHS Publication, ПО 219, 1944, pp. 293-303.