VI.2.4. Вопросы качества вод суши
Как уже обсуждалось выше, реки играют роль интеграторов многих природных процессов. В частности, реки в их естественном состоянии играют роль дренажных систем, собирающих с бассейна сток вместе с переносимыми им растворенными, взвешенными и влекомыми веществами. Природные воды – это всегда сложные растворы, обычно содержащие много химических веществ. Естественная концентрация растворенных веществ в речных водах обычно не превышает 1 г/л. Вода рек переносит также взвешенные и влекомые наносы, тоже влияющие на качество воды. Естественные речные воды обычно бывают достаточно приемлемого качества для большинства потребителей и не требуют значительной обработки.
Фактически деятельность человека постепенно превращает реки из дренажных систем в сточные канавы, иногда с очень высоким уровнем загрязнения (свыше 100 ПДК). Мы говорили ранее, что состояние реки отражает состояние ее бассейна. Пока в бассейне преобладают природные процессы, речной сток переносит естественные растворенные вещества. Но по мере того как деятельность человека (промышленность, сельское хозяйство, строительство и др.) усиливает миграцию химических веществ, их концентрация в природных водах повышается, то есть ухудшается качество воды. При этом в природную среду, в том числе в природные воды, попадают вещества антропогенного происхождения, часто посторонние для данных природных условий, с неблагоприятными свойствами, в том числе токсичные. Общее количество загрязняющих веществ в воде достигает нескольких тысяч.
Например, изменения химического состава воды р. Рейн отражают историю изменения состояния ее бассейна. Естественное содержание хлоридов в водах Рейна было порядка 10–20 мг/л. С прошлого века, из-за промышленного развития бассейна, оно постепенно росло, увеличившись на порядок величины, так что к 1980 г. среднее содержание хлоридов в воде Рейна на границе Нидерландов и Германии стало 168 мг/л.
Вследствие очень высоких темпов экономического развития после Второй мировой войны и соответствующего увеличения отходов, вода реки стала содержать все большее количество органических биодеградируемых веществ. Поэтому качество воды, в данном случае хорошо отражаемое концентрацией растворенного кислорода в воде, сокращалось и достигло минимума в 1971 г. Дефицит кислорода стал после этого уменьшаться, приходя в норму благодаря вводу в эксплуатацию ряда сооружений по очистке сбрасываемых вод. Концентрация растворенного кислорода в нижнем течении Рейна продолжала расти, увеличившись за 1970-е гг. вдвое. С 1950-х гг., и в особенности в 1960-х, резко (в 4–6 раз) увеличилась концентрация нитратов и фосфатов вследствие заметного роста в применении продуктов химической промышленности в сельском и домашнем хозяйстве. Эта проблема также к настоящему времени решена. Качество воды Рейна продолжает улучшаться, причем настолько, что правительства стран бассейна предполагают, чтобы в реку вернулись лососевые рыбы, требующие воду очень высокого качества.
Главными источниками загрязнения природных вод являются предприятия черной и цветной металлургии, химической, нефтяной, газовой, угольной, целлюлозо-бумажной промышленности, сельское хозяйство (как земледелие, так и интенсивное животноводство), коммунальное хозяйство.
Величина сброса сточных вод в водоемы России около 70 км. Из этого количества в реки ежегодно сбрасывается приблизительно 27 км загрязненных сточных вод, требующих как минимум 10-12-кратного разбавления, а для ряда веществ и разбавления в 50-200 раз. (Для сравнения, средняя величина речного стока России равна 4260 км в год.)
Основные показатели загрязнения природных вод следующие:
– растворенный кислород (чем выше его содержание, тем лучше качество воды);
– показатель биохимического потребления кислорода (БПК). Чем выше показатель, тем больше в воде загрязняющих веществ и, следовательно, тем хуже качество воды);
– содержание в воде микроорганизмов. Их показателем служит содержание кишечной палочки (колититр);
– содержание в воде аммония (NH4), нитратов (NO3’), нитритов (NO2), нефти и нефтепродуктов, фенолов, синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), тяжелых металлов.
Химические и физические параметры воды отражают ее состояние и являются предметом гидрологии как естественной науки. Параметры качества воды отражают требования, предъявляемые к ней различными потребителями. Поэтому качество воды – категория как естественная, так и социально-экономическая.
Так же как в случае с загрязнением воздуха, обсуждавшемся ранее, для России основное нормативное требование к качеству воды в водных объектах заключается в соблюдении установленных предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ (ПДК). Для того чтобы гарантировать ожидаемое качество воды с содержанием загрязняющих веществ не выше ПДК, для предпритий устанавливается величина предельно допустимого сброса поллютантов (ПДС).
В России ПДК по разным показателям превышены на основном протяжении следующих рек: Волга, Дон, Терек, Урал, Обь, Енисей, Амур. При этом измерения концентрации загрязнителей производятся только для списка веществ, состоящего из десятка названий, тогда как промышленность сбрасывает в водоемы вместе со сточными водами сотни и тысячи различных веществ.
В Российской Федерации население в целом не обеспечено питьевой водой надлежащего качества вследствие неудовлетворительного состояния как источников воды (поверхностной и подземной), так и систем централизованного водоснабжения. Примерно 30 % исследуемых проб не отвечают гигиеническим требованиям по санитарно-химическим и микробиологическим показателям. Речные воды России содержат штаммы холеры, тифа, дизентерии, вирусного гепатита и других болезней.
Загрязненная вода взаимосвязана с возникновением и распространением болезней. В развивающихся странах 25 млн. чел. умирает каждый год вследствие воздействия патогенов и загрязнений питьевой воды. От диареи умирает ежегодно 3 млн детей в возрасте до 5 лет. Около 80 % всех заболеваний в мире связаны с питьевой водой неудовлетворительного качества. К 1990 г. более 1 миллиарда человек не обеспечено чистой питьевой водой и более 1,7 миллиарда не обеспечено канализацией.
Даже в США – стране, относительно благополучной с точки зрения качества питьевой воды, существует серьезная проблема желудочно-кишечной инфекции, вызванной видами простейших микроорганизмов Cryptosporidium и Giardia. Ежегодно более 700 000 жителей США заражается криптоспоридиозом. Во время эпидемии в г. Милуоки в 1993 г. заболело 400 000 чел. и умерло 104. Это одна из серьезных болезней, вызванных микробами, потому что инфекция вызывается очень малой дозой и она может быть резистентна по отношению к обычно применяемым методам дезинфекции питьевой воды. Например, хлорирование воды оказывается в этом случае неэффективным.
Существуют две основные категории источников загрязнения водных объектов: источники точечного загрязнения и рассеянного загрязнения. К первой категории относятся, например, сбросы промышленных предприятий и очистных сооружений коммунальных стоков. Ко второй категории относятся, например, загрязнения, связанные с сельским хозяйством, такие как загрязнения вод продуктами удобрений и пестицидов. Стратегии управления точечным и рассеянным загрязнением весьма различны. В первом случае необходимо иметь дело с каждым источником, в то время как при рассеянном загрязнении необходимо осуществлять стратегию управления всем речным бассейном, а точнее говоря, стратегию управления состоянием ландшафтов бассейна, в особенности антропогенно трансформированных.
В стратегиях по улучшению качества воды, как правило, начинают с точечного загрязнения и по достижении определенных успехов затем обращаются к регулированию рассеянного загрязнения. В России пока основное внимание, да и то недостаточное, уделяется контролю точечного загрязнения.
Загрязняющие воду вещества и их индикаторы могут быть также разделены на несколько групп, вызывающих специфические проблемы качества воды в различных типах водных объектов и, соответственно, требующие различных стратегий их контроля.
• Микробиологические индикаторы, связанные со здоровьем человека (концентрация кишечной палочки как индикатор количества патогенных бактерий и др.).
• Взвешенные вещества (общее содержание, мутность и прозрачность воды).
• Органические вещества. Индикаторы загрязнения: растворенный кислород, биохимическое и химическое потребление кислорода (БПК и ХПК), фосфаты, хлорофилл-А.
• Биогенные вещества (соединения азота и фосфора).
• Основные ионы (общее количество растворенных веществ, электропроводность, рН, кальций, магний, натрий, калий, хлориды, сульфаты, бикарбонаты, бор, фтор, жесткость воды).
• Неорганические микрозагрязнители (алюминий, мышьяк, бериллий, кадмий, хром, кобальт, медь, цианиды, сероводород, железо, свинец, литий, марганец, ртуть, молибден, никель, селен, ванадий, цинк).
• Органические микрозагрязнители (Их много: полихлорированные бифенилы (диоксины), бензапирен, пестициды и др.; они очень вредны даже в очень малых концентрациях; вследствие их малой концентрации их определение представляет большие трудности).
Основные типы проблем, связанных с загрязнением различных водных объектов, представлены в табл. 11.
Таблица 11
Основные проблемы качества воды
Рассмотрим основные особенности этих проблем.
Заражение патогенами – очень важный фактор высокой заболеваемости и смертности от желудочно-кишечных болезней. Оно находится в прямой зависимости от плотности населения и уровня его социально-экономического развития и потому в большей степени характерно для развивающихся стран. В развитых странах вода в системах питьевого водоснабжения обрабатывается, в то время как в развивающихся странах обработка не всегда удовлетворительна, если она вообще производится. Даже в развитых странах загрязнение патогенами контролируется не полностью, как мы это только что видели в случае с криптоспо-ридиозом в США. В развивающихся странах оно широко распространено вниз по течению от городов и густонаселенных сельских территорий вследствие недостаточного развития канализации и систем очистки воды. В Индии, например, достаточно полная очистка сточных вод в конце 1980-х гг. производилась только в 8 городах из 3119 и в 217 городах производилась частичная обработка. Река Ямуна, протекающая сквозь Нью-Дели, получает ежесуточно 0,2 млн куб. м совершенно необработанных сточных вод. В результате индекс патогенного загрязнения воды увеличивается в пределах города в 3200 раз, достигая 24 млн колипалочек на 100 мл воды. Высокий уровень загрязнения патогенами и органическими веществами отмечается в р. Ганг, где осуществляется специальная программа улучшения состояния этой великой реки Индии.
Заражение патогенами и загрязнение органическими веществами взаимосвязаны. Органические вещества – самая большая группа загрязнителей, исторически появляющаяся обычно первой, в самом начале процесса загрязнения реки. Они попадают в воду в растворенном или взвешенном виде, главным образом со стоками канализации или с нерегулируемыми бытовыми стоками. В отдельных местах целлюлозно-бумажная и пищевая промышленность также вносят свой заметный вклад. Географическое распространение загрязнения органическими веществами в целом совпадает с распространением патогенного заражения.
При относительно небольшом уровне сбросов загрязняющих веществ по сравнению со стоком реки, принимающей загрязнения, загрязненная вода перемешивается с речной, и качество воды в реке, хотя и ухудшающееся, остается все же приемлемым. Обычный уровень разбавления – порядка 10–12 раз. При росте объема сточных вод разбавление уже не решает проблему ("Solution to pollution is not dilution"). Здесь видна аналогия с высокими и сверхвысокими трубами как средством снижения загрязнения воздуха вблизи предприятия за счет перемешивания загрязнений с более чистым воздухом. В обоих случаях стратегия разбавления – это лишь временное и неглубокое решение проблемы.
Реки обладают значительной самоочищающей способностью благодаря растворенному в воде кислороду, количество которого постоянно пополняется из атмосферы вследствие турбулентного режима течения рек. Когда поступление органических веществ в реку начинает превышать ее самоочищающую способность, загрязнение воды прогрессивно возрастает. Для решения проблемы загрязнения воды органическими веществами и патогенами необходимо осуществлять комплекс мероприятий. Главную роль здесь играет снижение объема поступающих с бассейна загрязнений и, с другой стороны, строительство очистных сооружений.
За последние два-три десятилетия, вследствие целенаправленной стратегии, загрязнение природных вод патогенами и органическими веществами в развитых странах уменьшилось. Увеличилась концентрация растворенного кислорода и снизилась величина БПК. Были затрачены значительные усилия по снижению притока сточных вод и вложены значительные средства в строительство очистных сооруженией и модернизацию существующих, причем они выполняют не только первую и вторую стадии очистки (механическую и биологическую соответственно), но и во многих случаях третью, химико-биологическую, очищающую сточные воды от соединений фосфора и азота.
В развивающихся странах, наоборот, загрязнение органическими веществами и заражение патогенами растут вследствие увеличения объема бытовых стоков при низком качестве или отсутствии систем очистки сточных вод. Для более чем 1,7 млрд жителей развивающихся стран необходимо построить инженерные системы канализации. Поскольку содержание кислорода в воде обратно пропорционально ее температуре, климатические условия развивающихся стран также играют неблагоприятную роль в снижении самочищающей способности рек. Несмотря на значительные успехи в строительстве систем питьевого водоснабжения и канализации в развивающихся странах, расширение этих систем не поспевает за ростом населения и в особенности за увеличением численности населения крупных городов, и общий уровень загрязнения воды продолжает увеличиваться, превращая эту геоэкологическую проблему в одну из важнейших.
Взвешенные вещества в речных водах – это преимущественно тонкие частицы почвы. Концентрация взвешенных наносов является показателем степени водной эрозии почвы и потому состояния бассейна. Сельское хозяйство играет значительную роль в этом процессе. В целом, при прочих равных условиях, чем выше площадь пахотных земель, тем больше сток наносов.
Общий сток наносов по рекам мира оценивается приблизительно в 20 млрд т в год. Перемещение наносов в пределах речных бассейнов, по крайней мере, в пять раз больше, порядка 100 млрд т. Деятельность человека значительно увеличивает сток наносов, во многом благодаря нарушению естественного состояния поверхности почв в бассейне реки. Антропогенно увеличивающийся сток наносов приводит к ухудшению условий судоходства на реках, заилению водохранилищ и оросительных систем. Имеются расчеты, указывающие, что в США экономические потери от эрозии почвы меньше, чем ущерб от наносов, переносимых реками.
Тонкие частицы почвы, переносимые в виде наносов, обычно адсорбируют на своей поверхности соединения фосфора. Это тот самый ил, который р. Нил приносила на поля каждое половодье, поддерживая плодородие почв Египта в течение тысячелетий. После сооружения плотин на реках почти все наносы аккумулируются в водохранилищах вместе с адсорбированным фосфором. Это ведет к снижению как плодородия почв, так и рыбной продуктивности в нижних бьефах плотин. Мероприятия по снижению эрозии почвы в бассейнах рек в то же время управляют перемещением фосфора в бассейне. Мы снова видим высокую степень сложности взаимосвязей в экосфере и ведущую роль воды в управлении территориальными системами.
Причины и факторы асидификации обсуждались в разделе V.4. Принято, что природные воды находятся в состоянии асидификации, если показатель их кислотности (рН) равен или меньше 5,0. В Швеции насчитывается 85.000 озер. Из них 4000 рассматриваются как серьезно асидифицированные и 18 000 бывают подкисленными в некоторые критические периоды, в особенности во время снеготаяния. В 4500 озерах почти нет рыбы, а 1800 озер столь асидифицированы, что стали почти безжизненными. В южной Норвегии тысячи озер асидифицированы, из них 1750 потеряли рыбу. В Финляндии асидифицированы 500 озер из 8000. В Швеции рН воды озер уменьшился от более чем 6,0 в 1940-х гг. до менее чем 5,0 в 1970-х гг, то есть кислотность выросла более чем в 10 раз, и с тех пор рН почти не меняется. Имеется много указаний на асидификацию озер в Канаде, США, Дании, западной и северной Великобритании, Германии, Нидерландах, Австрии, Швейцарии.
Многие процессы в экосфере определяются кислотно-щелочными реакциями, то есть зависят от величины рН. Все биологические процессы в водоемах, такие как рост водорослей, распад микроорганизмов, нитрификация и денитрификация, имеют свою оптимальную величину рН, обычно в пределах 6–8. Изменения флоры и фауны в водных экосистемах – важный индикатор асидификации. В озерах восточной Канады ракообразные, насекомые, некоторые водоросли и зоопланктон исчезают уже при рН=6,0. В связи с высокой токсичностью для рыб иона алюминия, весьма мобильного при рН<5,5 и потому появляющегося в воде озер, количество видов рыб и их численность сокращается. Рыбные популяции исчезают при уменьшении рН до 5,0. При рН<5 репродукция земноводных ограничивается. Подобная картина характерна и для озер Скандинавии.
Асидификацией озер можно в определенной мере управлять. Общая цель заключается в уменьшении кислотности воды до уровня рН>5,0. Существуют два основных подхода: а) снижение выпадения кислотных осдков на озеро и весь его бассейн; б) непосредственное воздействие на воду, главным образом путем ее известкования.
Мы уже обсуждали вопросы снижения кислотных выпадений в разделе V.4. Воздействие на воду как озер, так и их притоков достигается посредством внесения известняка. Стоимость его в Скандинавии составляет примерно 10–25 долларов США за тонну, включая стоимость затрат по внесению вещества. Около четвертой части площади Швеции, или около 118 000 кв. км, нуждаются в известковании. Стоимость таких работ составляла бы более 20 млн долларов в год. Известкование в Швеции проводится на примерно 3000 озер. Одна из важных проблем при этом – необходимость учитывать накопление тяжелых металлов в озере (кадмия, никеля, ртути, хрома, меди, цинка), поскольку известняк содержит их в определенных концентрациях.
После известкования химическое состояние воды озера быстро улучшается и реакция становится близкой к нейтральной. Биологическое восстановление происходит медленно, а популяция рыб полностью не восстанавливается даже в течение пяти лет после известкования. Для поддержания озер в удовлетворительном состоянии известкование необходимо периодически повторять.