WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |
-- [ Страница 1 ] --

ОТЧЕТ О НАУЧНОМ ИССЛЕДОВАНИИ

№ 11.G34.31.0036 от «25» ноября 2010 г.

(промежуточный – 1 этап)

«КАЧЕСТВО ВОД В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННЫХ НАГРУЗОК И ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА В РЕГИОНАХ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ»

Научный руководитель:

зав. лаборатории качества

вод, устойчивости водных экосистем

и экотоксикологии, д.б.н., профессор

______________________Т.И. Моисеенко

Тюмень 2010

Отчет о научном исследовании № 11.G34.31.0036 от «25» ноября 2010 г. (промежуточный – 1 этап) «Качество вод в условиях антропогенных нагрузок и изменения климата в регионах Западной Сибири». Тюмень: ТюмГУ. 2010. - 153 с., 3 рис., 7 табл., 253 источника, 1 прил.

ЗДОРОВЬЕ ЭКОСИСТЕМ, ЭКОТОКСИКОЛОГИЯ, БИОИНДИКАЦИЯ, БИОТЕСТИРОВАНИЕ, ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ, ЗАГРЯЗНЕНИЕ

Объектом исследования являются водные экосистемы. Цель работы - исследование закономерностей формирования качества вод Западной Сибири в условиях антропогенных нагрузок локального и глобального масштаба, а также изменения климата; оценки экологических последствий поступления токсичных веществ, включая нефтепродукты в водные системы; разработка мероприятий по снижению негативных воздействий антропогенной деятельности на воды суши. В отчете уточняются задачи исследования и приводится обоснование способов решения задач проекта. Проводится анализ научно-технической литературы по теме проекта. Разрабатываются методологические и методические подходы в решении задач проекта, направленных на выявление антропогенных изменений качества вод; исследование зональных и ландшафтно-географических закономерностей изменчивости природных показателей химического состава вод вдоль климатического градиента (Север – Юг). Осуществляется выбор критериев и методов оценки качества вод для практики мониторинга с учетом региональной специфики загрязнения и природных условий региона и его ландшафтов. Дается ретроспективная характеристика состояния ихтиофауны в водоемах Западной Сибири в четвертичный период на фоне глобальных гео-гидрократических фуктуаций и характеристика современного техногенного давления на водные экосистемы Обь-Иртышского бассейна, разных природно-климатических зон Тюменского региона.

СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ:

Фамилия Ученая степень, звание Наименование должности Раздел отчета Подпись
1 2 3 4 5
Моисеенко Татьяна Ивановна Доктор биологических наук, профессор, член-корреспондент РАН Заведующая Отделом биогеохимии и экологии Введение, 1-4, Заключение
Гашев Сергей Николаевич Доктор биологических наук, профессор Заведующий кафедрой зоологии и ихтиологии Введение, 1, 4, Заключение
Шалабодов Александр Дмитриевич Доктор биологических наук, профессор Проректор по научной и инновационной работе 4
Соромотин Андрей Владимирович Доктор биологических наук, профессор Директор НИИ экологии и рационального использования природных ресурсов 2
Паничева Лариса Петровна Доктор химических наук, профессор Декан химического факультета 3
Петухова Галина Александровна Доктор биологических наук, доцент Профессор кафедры экологии и генетики 4
Мухачев Игорь Семенович Доктор биологических наук, профессор Профессор кафедры зоологии и ихтиологии 4
Пак Ирина Владимировна Доктор биологических наук, доцент Заведующий кафедрой экологии и генетики 4
Калинин Владимир Матвеевич Доктор географических наук профессор Профессор кафедры геоэкологии 3
Елифанов Андрей Васильевич Кандидат биологических наук, доцент Декан биологического факультета 4
Ларин Сергей Иванович Кандидат географических наук, доцент Декан эколого-географического факультета 3
Толстиков Андрей Викторович Кандидат биологических наук, доцент Профессор кафедры зоологии ихтиологии 4
Ларина Наталья Сергеевна Кандидат химических наук, доцент Профессор кафедры органической и экологической химии 3
Селюков Александр Германович Кандидат биологических наук, доцент Доцент кафедры зоологии и ихтиологии 4, 5, Приложение А
Алешина Ольга Анатольевна Кандидат биологических наук, доцент Доцент кафедры зоологии и ихтиологии 4
Жигилева Оксана Николаевна Кандидат биологических наук, доцент Доцент кафедры экологии и генетики 4
Хорошавин Виталий Юрьевич Кандидат географических наук Доцент кафедры физической географии и экологии 3
Кыров Дмитрий Николаевич Кандидат биологических наук Доцент кафедры анатомии и физиологии человека и животных 4
Гашкина Наталья Анатольевна Кандидат географических наук Старший научный сотрудник лаборатории эволюционной биогеохимии и геоэкологии 3, 4
Шаров Андрей Николаевич Кандидат биологических наук Старший научный сотрудник лаборатории эволюционной биогеохимии и геоэкологии 4
Макеев Виктор Николаевич Кандидат ботанических наук Зам.директора НИИ экологии и рационального использования природных ресурсов 2
Пологрудова Ольга Андреевна -- Ст.н. сотр. Лаборатории экологического исследования 3
Волкова Людмила Анатольевна -- Ст.н.сотр. кафедры органической и экологической химии 3
Фефилов Николай Николаевич -- Ассистент кафедры органической и экологической химии 3
Вешкурцева Татьяна Михайловна -- Асс кафедры геоэкологии 3
Соколкова Светлана Владимировна -- Начальник отдела грантов Управления по научной и инновационной работе 1
Мальцев Александр Геннадьевич - И.о. зав. лаборатории экологии и мониторинга состояния окружающей среды 2
Пислегин Дмитрий Вячеславович - Очная аспирантура 2
Сезева Алена Александровна - М.н.с. НИИ экологии и РИПР 2
Казанцев Павел Александрович - Очная аспирантура 4
Ефремова Екатерина Владимировна - Очная аспирантура 4
Гусельников Василий Леонидович - Очная аспирантура 3
Трофимов Олег Владимирович - Очная аспирантура 4
Зеновкина Дарья Васильевна -- 5 курс, ОДО спец. биология 4
Усламин Дмитрий Васильевич -- 5 курс, ОДО спец. биоэкология 4
Читаева Елена Александровна -- 5 курс, ОДО спец. Биоэкология 4
Хмелев Александр Владимирович -- 4курс, ОДО спец. Биология 4
Артеменко Сергей Владимирович -- 5курс, ОДО спец. биоэкология 4
Трофимов Александр Игоревич -- 3 курс, ОДО направление биология 4
Лазутина Дарья Васильевна Кандидат экономических наук, доцент Заместитель директора ИДПО 1
Марочкин Сергей Юрьевич Доктор юридических наук, профессор Директор ИДПО 1
Приходько Ольга Борисовна -- Главный специалист отдела государственной экологической экспертизы 1
Авдеева Вера Петровна Кандидат юридических наук Заведующая центром интеллект. собственности 1
Фатеева Гюзель Ильдаровна -- Менеджер отдела грантов УНИР 1
Храмова Наталья Васильевна -- Помощник проректора по НИИР 1
Шабелянская Ольга Федоровна -- Главный эксперт научного одела УНИР 1
Китаева Галина Николаевна -- Главный эксперт отдела аспирантуры и докторантуры УНИР 1

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.
ВВЕДЕНИЕ 9
1. УТОЧНЕНИЕ ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПРОЕКТУ 12
2. качество вод и методология нормирования загрязнения 18
3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА МАЛЫХ ОЗЕР С ЦЕЛЬЮ ВЫЯВЛЕНИЯ РЕГИОНАЛЬНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ЕГО ФОРМИРОВАНИЯ 38
4. Биологические методы оценки качества вод 60
4.1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И МЕТОДЫ БИОИНДИКАЦИИ 60
4.2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И МЕТОДЫ БИОТЕСТИРОВАНИЯ 86
5. Характеристика динамики ихтиофауны в водоемах Западной Сибири: ретроспективный и современный аспекты 101
5.1. ФОРМИРОВАНИЕ ГИДРОГРАФИЧЕСКОЙ СЕТИ И СТАНОВЛЕНИЕ СОВРЕМЕННОЙ ИХТИОФАУНЫ СИБИРИ 101
5.2. ИСТОРИЯ СТАНОВЛЕНИЯ СИБИРСКОЙ ИХТИОФАУНЫ 105
5.3. СОВРЕМЕННЫЙ СОСТАВ ИХТИОФАУНЫ СИБИРИ 109
5.4. СИГОВЫЕ РЫБЫ КАК ВАЖНЕЙШИЙ КОМПОНЕНТ СЕВЕРНЫХ ЭКОСИСТЕМ 112
5.5. ЗАПАСЫ РЫБ В УСЛОВИЯХ СОВРЕМЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОБЬ-ИРТЫШСКОГО БАССЕЙНА 113
5.6. Морфофункциональное состояние рыб Обь-Иртышского бассейна в современных условиях 116
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 128
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 129
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Морфофункциональные изменения органов рыб Обь-Иртышского бассейна при загрязнении 147

ВВЕДЕНИЕ

Стремительный рост численности населения на планете, экстенсивное вовлечение в эксплуатацию минерально-сырьевых ресурсов и технический прогресс драматическим образом отразились на состоянии окружающей среды. Лавинообразный рост ярких негативных последствий индустриальной революции проявился особенно отчетливо в середине прошлого столетия. В силу своей жизнедеятельности человек изменял, изменяет и впредь будет видоизменять среду обитания. Воды суши находятся в числе тех компонентов природы, сознательные преобразования или попутные изменения которых на планете наиболее существенны, являются коллекторами всех стоков и аэротехногенных выпадений на водосборы. В то же время вода является жизненно-необходимым ресурсом для всего живого на планете. При достаточной количественной обеспеченности водными ресурсами северных территорий России, включая Север Западной Сибири, остро стоит проблема их качественного истощения под влиянием антропогенных нагрузок локального, регионального и глобального масштаба.

Основными причинами сложившейся ситуации являются:

1) увеличение роли неконтролируемых диффузионных источников загрязнения водных объектов (смыв с городских территорий и промышленных площадок, атмосферные осадки, сток с полигонов для складирования хозяйственно-бытовых и промышленных отходов, а также с сельхозугодий, торфоразработок, от судоходства и рекреации);

2) увеличение вклада глобального загрязнения окружающей среды, аэротехногенное загрязнение водосборной территории, вторичные эффекты выщелачивания элементов и вымывания веществ с токсичными свойствами;

3) неудовлетворительная работа очистных сооружений, многие из которых нуждаются в существенной реконструкции и замене;

4) вторичное загрязнение вод загрязнения донными отложениями, в которых накопились загрязняющие вещества за предыдущие периоды;

5) деградация и долгопериодные изменения в структуре экосистем, нарушившем природные биофильтры и процессы самоочищения;

6) обмеление, заиление, зарастание, заболачивание и «цветение» водных объектов.

К исследованиям современного состояния вод суши и нормированию потока загрязнения в водные системы привлечено большое внимание научной общественности в последние годы. Качество вод – это свойства вод, которые формируются в результате сложных биогеохимических процессов на водосборе и в водоеме. В настоящее время стало очевидным, что для предотвращения качественного истощения вод необходимы новые знания о путях миграции и круговороте антропогенно-привнесенных веществ, их поведении, изменении биогеохимических циклов, воздействии на организмы, популяции и сообщества. В Европе в рамках 7 рамочной программы большое внимание уделено проектам, связанным с исследованиями водных ресурсов и оценкой их качества. В России по инициативе Госдумы и других заинтересованных ведомств начата разработка государственной программы «Чистая вода». Эта проблема напрямую связана и находится в сфере внимания мероприятий по созданию системы регионального экологического мониторинга в рамках ряда правительственных решений Российской Федерации и местных органов власти: Правительства РФ № 1229 от 24 ноября 1993 г. “О создании Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ)”, Администрации Тюменской области об участии в эксперименте по созданию территориальных подсистем ЕГСЭМ, решение Межрегионального Координационного Совета по экологическим проблемам Уральского региона о создании на основе территориальных подсистем ЕГСЭМ системы экологического мониторинга Урала (август 1995 г.), распоряжение Главы Администрации Тюменской области № 452-р от 19 июня 1996 г. об утверждении Положения о территориальной системе экологического мониторинга Тюменской области). Правительством Российской Федерации был поддержан проект по гранту Правительства РФ для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских вузах (в рамках Постановления № 220, по договору № 11.G34.31.0036), направленный на исследование процессов формирования химического состава вод Западной Сибири в условиях антропогенных нагрузок локального и глобального масштаба, оценку экологических последствий разработки углеводородного сырья, прочих видов загрязнения, на разработку биологических методов оценки качества водных экосистем и нормирования потока загрязнения. Без достаточно глубокого изучения формирования свойств вод в современных условиях промышленного освоения углеводородного сырья, антропогенных нагрузок и ответных реакций живых систем на антропогенное загрязнение невозможно обосновать систему критериев оценки качества вод и нормирования, соответственно - сохранить воды Западной Сибири чистыми, пригодными для рационального природопользования.

В настоящем отчете проводится анализ научно-технической литературы по теме проекта (Разделы 2–4), уточняются задачи исследования и приводится обоснование способов решения задач проекта (Раздел 1). В Разделе 3 разрабатываются методологические и методические подходы в решении задач проекта, направленных на выявление антропогенных изменений качества вод; исследование зональных и ландшафтно-географических закономерностей изменчивости природных показателей химического состава вод вдоль климатического градиента (Север – Юг). В Разделе 4 осуществляется выбор критериев и методов оценки качества вод для практики мониторинга с учетом региональной специфики загрязнения и природных условий региона и его ландшафтов. В Разделе 5 дается ретроспективная характеристика состояния ихтиофауны в водоемах Западной Сибири в четвертичный период на фоне глобальных гео-гидрократических фуктуаций и характеристика современного техногенного давления на водные экосистемы Обь-Иртышского бассейна, разных природно-климатических зон Тюменского региона.

1. УТОЧНЕНИЕ ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПРОЕКТУ

В проекте «Формирование качества вод и экосистем в условиях антропогенных нагрузок и изменения климата в Западной Сибири» были заявлены следующие цели и задачи, которые в процессе формирования междисциплинарной лаборатории и творческого коллектива были согласованы, выбраны и обоснованы методы работы и способы выполнения.

Цель проекта - исследование закономерностей формирования качества вод Западной Сибири в условиях антропогенных нагрузок локального и глобального масштаба, а также изменения климата; оценки экологических последствий поступления токсичных веществ, включая нефтепродукты в водные системы; разработка мероприятий по снижению негативных воздействий антропогенной деятельности на воды суши.

Для достижения указанной цели необходимо решить несколько задач.

Задача 1. Определение принципов и разработка методических основ исследований, направленных на выявление антропогенных изменений качества вод; исследование зональных и ландшафтно-географических закономерности изменчивости природных показателей химического состава вод вдоль климатического градиента (север – юг).

Основные принципы исследования с целью выявления влияния на химический состав вод изменений окружающей среды и аэротехногенных потоков загрязняющих веществ выработаны на основе многолетних исследований авторов и обобщения международного опыта. В условиях высокой заозерности водосборов, сезонной динамики, вертикальных и пространственных градиентов, которые характерны для вод Западной Сибири, сложно охватить исследованиями все объекты и сезоны в виду больших объемов и высокой трудоемкости отбора и анализа проб воды, поэтому необходима выработка принципов единой системы отбора, которая достаточно информативно представит состояние качества вод при минимальных трудозатратах и выявит основные негативные процессы в водной среде и их масштабы - локальные, региональные и глобальные; позволит в единой системе представить сравнительную оценку качества вод различных регионов на одной методической основе.

Основные принципы территориальных исследования химического состава вод выработаны на основе многолетних исследований в регионе и обобщения международного опыта и подробно описаны в Разделе 3 настоящего отчета.

1. Единовременность и сезонная сопоставимость результатов. Для озер наиболее информативным периодом является позднеосеннее охлаждение вод, когда при температуре 4°С происходит “переворот” в водоеме и показатели химического состава выравниваются по глубине. Относительно в сжатые временные сроки проводится отбор проб воды на стоке из водоема. Наиболее близкий к осеннему период начала ледостава.

2. Соответствие классов размерности водных объектов в исследованиях природному их распределению в регионе. В пределах Западной Сибири (как и в других северных районах) широкое развитие имеют малые водосборы, питание которых определяется атмосферными осадками. Соответственно, в условиях аэротехногенной нагрузки на водосборы, формирование качества вод озер автономных ландшафтов будет отличным по отношению к крупным кумулятивным водоемам. Для того, чтобы охватить основные типы озер, определяется природное соотношение размерностей - классов, к которому впоследствии приближается выборка.

3. Равномерность распределения и репрезентативность выборки для характеристики ландшафтных зон. Данный принцип наиболее сложен в реализации, т.к. зависит от транспортных магистралей и доступности водного объекта (региона) для обследования. При развитой водной сети будет необходимо: 1% (минимального) и 3% (оптимального) количества исследованных объектов от общего числа озер в регионе или ландшафтно-географической зоне.

4. Исключение из исследований водных объектов, отражающих воздействие локальных антропогенных факторов: водоемы, зарегулированные и подвергающиеся воздействию каких-либо прямых стоков; озера менее 1 м глубиной (ламбины) и имеющие высокую проточность; при соотношении площади водосбора к озеру более 100:1. Очевидно, что вышеназванные объекты не информативны в оценке последствий воздействия аэротехногенных потоков.

5. Верификация аналитических методов и результатов определения химического состава вод при постоянном жестком внутрилабораторном и периодическом (1-2 раза в год) внешнем контроле; использование единой системы стандартных растворов.

Методики отбора проб и определения химического состава вод приведены в Разделе 3 настоящего отчета.

Задача 2. Изучение факторов, условий и механизмов развития эвтрофирования, закисления, токсичного загрязнения (нефтепродукты, металлы, органические ксенобиотики - хлорорганические и полиароматические углеводороды и др.) в различных по химическому составу вод озерах Обь-Иртышского бассейна.

По результатам территориальной съемки, создаются базы данных по показателям химического состава вод. На основе анализа пространственно-временной изменчивости гидрохимических показателей озер, будет сформировано обобщенное представление о развивающихся тенденциях в регионе и процессах, развивающихся в водах суши Западной Сибири. На основе сочетания ландшафтно-географического, градиентного и картографического (ГИС-технологий) анализа основных параметров гидрохимии озер будет дана оценка процессам, развивающимся в водах суши западной Сибири. Будет дана оценка распределения в зональном градиенте показателей ионного состава вод, органического вещества и биогенных элементов, металлов, органических токсичных соединений, выделены ключевые водосборы для дальнейших детальных исследований на водосборах.

На экспериментальной водосборе (озеро Кучак) Тюменского государственного университета будут проведены натурно-экспериментальные исследования: установлены осадкоулавители и заложены лизиметры. Будет осуществляться сезонный мониторинг для понимания процессов миграции элементов в системе: атмосферные выпадения - просачивание сквозь почвенный слой – вынос в водотоки и озеро. Химико-аналитические работы будут выполняться по определенной выше программе с использованием новейшего современного оборудования.

Задача 3. Оценка экотоксикологических последствия загрязнения вод нефтепродуктами, металлами и органическими ксенобиотиками, обоснование критериев ранней диагностики загрязнения, ухудшения «здоровья» экосистем и качества вод. Планируется выбрать и обосновать наиболее адекватные и репрезентативные критерии ранней диагностики ухудшения «здоровья» водных экосистем в условиях антропогенного загрязнения среды. Для этого будет обобщен опыт использования биотестирования и биоиндикации для оценки качества среды в Западной Сибири (Разделы 4.1 и 4.2). При этом в качестве тест-объектов и оргнизмов-предиктоов предлагаются как продуценты, так и консументы разных порядков и разных таксономических групп.

Задача 4. Определение антропогенных изменений и климатических вариаций водных экосистем за последние 100-150 лет на основе сочетания нео- и палеоэкологических методов, как научной основы для разработки сценариев будущих изменений;

Исследовательская программа включает отбор проб воды и донных отложений в озерах и болотных массивах на геохимический состав, диатомовую флору и пыльцу.

Пробы донных отложений (ДО) озер природно-климатических зон отбираются на максимальной глубине (в зоне аккумуляции). Для отбора используется трубка гравитационного типа с автоматически закрывающейся диафрагмой. Колонки разделяются по вертикали через 1 см. В них определяется: содержание влаги, потери при прокаливании, как косвенный показатель содержания органических веществ (ОВ), а также концентрации: Ni, Sr, Cu, Co, K, Ca, Mg, Na, Zn, Mn, Fe, Al, Pb, Cd методом атомной абсорбции. Содержание элементов в наиболее глубоких горизонтах толщи ДО (более 10 см от поверхности) принимается за фоновое значение. Каждый сантиметр ДО анализируется на состав диатомовой флоры и пыльцы общепринятыми методами. Пробы кипятятся в 30% растворе Н2О2 для удаления органических веществ и дополнительно обрабатываются Na4P2O7 для дезинтеграции породы и очищения створок диатомовых водорослей от загрязнения. В препарате просчитывалось от 400 до 600 створок диатомовых для определения процентного их соотношения, вычислялась также концентрация створок на 1г сухого отложения и определяется их видовое разнообразие организмов. Классификация диатомей по экологическим группам проводится согласно сводкам по их экологической валентности.

Образцы торфов различных природно-климатических зон будут отбираться послойно с интервалом 3 см на всю глубину торфяной залежи, при возможности с отбором подстилающих пород, чаще всего озерного происхождения. Планируется изучение и верховых и низинных торфяников для учета различных факторов, оказывающих влияние на их формирование и косвенно – на эколого-климатическую обстановку в различные временные периоды в прошлом. Это позволит получить дополнительные независимые данные, для характеристики палеоусловий и их влияния на генезис водных объектов. Сочетание с геохимическим анализом донных отложений современных озер позволит сопоставить их характеристику в современных условиях и сделать вывод о стадии их развития и прогноза дальнейшего изменения. С этой целью образцы будут проанализированы на содержание основных геохимических показателей (рН, зольность, Еh, электропроводность), определены различные формы ряда металлов и органического вещества в торфах с целью установления форм нахождения элементов для оценки их миграции и трансформации в залежи. Параллельно планируется проведение радиоуглеродного анализа проб для установления хронологии происходивших изменений и палинологический анализ – для уточнения климатических и природных факторов в различные периоды времени.

Задача 5. Изучение молекулярных, генетических, клеточных изменений в организме животных, адаптивных перестроек, популяций и сообществ под воздействием экотоксикантов, а также закономерностей функционирования водных экосистем. На основании изучения ответных реакций на действие экотоксикантов на разных уровнях организации живой материи будут предложены методы оценки степени нарушенности как функционирования отдельных систем органов, процессов раннего онтоенеза организмов, так и популяций доминирующих видов, сообществ организмов и экосистем в целом (см. Разделы 4 и 5). Предполагается разработка интегральной характеристики устойчивости и стабильности различных водных экосистем.

Задача 6. Обоснование критериев и методов оценки качества вод для практики мониторинга с учетом региональной специфики загрязнения и природных условий региона и его ландшафтов.

Обоснование критериев оценки качества вод основывается на результатах исследований в рамках задач 3 и 5. Будут проанализированы натурные и полученные в экспериментах результаты изучения влияния загрязняющих веществ (с учетом региональной специфики формирования вод и характера загрязнения) на биологические системы, разработана мультивариантная система критериев, исходя из полученных результатов на молекулярном, генетическом, популяционном и экосистемном уровнях.

Задача 7. Разработка рекомендаций по стратегии водопользования в промышленных центрах и сохранения высокого качества вод в системе жизнеобеспечения региона.

Будут проанализированы отечественные и зарубежные технологические решения по предотвращению попадания углеводородов, буровых шламов и других загрязняющих веществ, связанных с добычей и переработкой углеводородного сырья, в водные объекты. После выбора оптимальных системы водоподготовки природных вод с учетом детально изученных гидрохимических характеристик вод в районах водозабора, будут предложены рекомендации по оптимизации водопользования.

2. качество вод и методология нормирования загрязнения

Вода нужного объема и необходимого качества является необходимым условием сохранения здоровья населения, биоразнообразия, эстетического и рекреационного потенциала природы, производства пищевой и технической продукции. Россия обеспечена водными ресурсами, средний многолетний суммарный речной сток – 4300км3, что составляет около 10% речных вод всего Земного шара (при занимаемой площади 11.5% и населения 2.6%). Суммарный объем вековых запасов пресной воды в озерах России составляет 26.5 тыс.км3. (в том числе в озерах: Байкале - 23 тыс.км3, Ладожском – 903 км3, Онежском -295км3). Средняя водобеспеченность одного жителя РФ за счет речных вод составляет около 30 тыс.м3 в год. Воды суши в пределах России распределены неравномерно. Своеобразие территории России проявляется в том, что в южных регионах, где высокая плотность населения и наиболее развито сельское хозяйство, запасы вод ограничены; основные речные бассейны густонаселенных районов замыкаются внутренними морями (Каспийским и Азовским), для гидрологического режима и экологических условий которых также требуется вода определенного количества и качества, а также с определенным режимом подачи. Таким образом, водные ресурсы в большой степени становятся фактором, лимитирующим развитие хозяйства и влияющим на деградацию среды обитания человека. Антропогенное воздействие привело к резкому ухудшению качества вод в большинстве регионов, а Поволжье, на Урале и в южных районах Сибири ситуация близка к катастрофической.

Водные ресурсы на территории Тюменского региона издавна широко использовались в рыбохозяйственных и транспортных целях. Централизованное водоснабжение начало развиваться только с 1864 г., когда по инициативе городского головы Ивана Алексеевича Подаруева в г. Тюмени был построен первый водопровод. К началу XX в. этот водопровод износился и был построен новый (1915 г.) с объемом подачи воды 1,5 тыс. м3сут. или порядка 0,0005 км3 в год. С тех пор отмечается рост водопотребления и особенно интенсивно оно приняло с развитием нефтегазовой отрасли в Тюменском регионе. В настоящее время общий забор воды для нужд населения и промышленности достигает 1,5 км3 в год. При этом, основной расход воды приходится на электроэнергетику (37%), нефтегазовую промышленность (25%) и жилищно- коммунальное хозяйство (20%) [1].

Загрязнение рек Тюменского региона имеет региональной особенности, к которым следует отнести его географическое положение. С запада, юга и востока он окружен приподнятыми водоразделами, значительная часть которых занята развитыми в промышленном и сельскохозяйственном отношении районами. Реки с территории промышленного Урала несут биогенные вещества, нефтепродукты (НП), тяжелые металлы и радионуклиды. Иртыш, Ишим и Тобол снабжают Тюменский регион, кроме загрязнений промышленного характера, также пестицидами и теми же биогенными веществами. Воды Оби несут большой набор индустриальных поллютантов Кузбасса. Все эти загрязнения дополняются собственными сбросами, и в результате воды всех крупных и средних рек области оказываются загрязненными значительно выше нормативных значений. Основу гидрографической сети региона составляют малые реки. Определяя загрязнение больших рек, сами малые реки ни в меньшей, а чаще в большей степени оказываются загрязненными вследствие своей маловодности. Все малые реки региона по особенностям антропогенного воздействия можно разделить на две группы. К первой относятся водотоки южной, сельскохозяйственной зоны. Здесь главными загрязняющими веществами выступают азот, фосфор, пестициды. Эти ингредиенты поступают диффузным путем за счет смыва с сельскохозяйственных полей, пастбищ, летних лагерей скота, территорий животноводческих ферм [1].

В северной части Тюменского региона в районах добычи углеводородного сырья малые реки испытывают антропогенные воздействия, в основном связанные с загрязнением НП, минерализованными водами, фенолами, химическими реагентами. При этом поступление поллютантов в водотоки происходит в зна­чительной степени диффузным путем за счет смыва НП с нефтезагрязненнх земель. В процессе формирования поверхностного стока часть ПН оказывается в гидрографической сети. Наиболее интенсивный смыв происходит в период весеннего половодья, когда сток формируется на всех геоморфологических уровнях. На это часто накладывается миграция углеводородов из недр, спровоцированная бурением и отбором флюидов. Далее добавляются биогенные углеводороды и аварии трубопроводов, пересе­кающих реки. В результате все малые реки в пределах месторождений углеводородного сырья содержат нефтяные углеводороды, концентрация которых в 5-10 и более раз превышает нормативные значения, даже и в том случае, если на водосборе данной малой реки в пределах месторождений нет объектов нефтегазового комплекса [1].

Нефтедобыча оказывает влияние на все компоненты гидросферы таежных экосистем – поверхностные, грунтовые и подземные воды. Можно выделить две основные формы воздействия – механическую и биохимическую. Первая проявляется как физическая трансформация ландшафтов, определяющих расходную часть водного баланса территории: стока, испарения и фильтрации. Вторая – как химическое и биологическое загрязнение.

Разведочный этап характеризуется незначительным загрязнением водных объектов даже в 50 – 70-е годы, когда многие скважины бурились по берегам рек. Исключение составляют залповые аварийные выбросы нефти с устья скважин, когда происходит загрязнение большой площади с попаданием нефти в поверхностные водоемы. Ликвидированные и находящиеся в консервации скважины могут быть потенциальными (а иногда становятся реальными) очагами загрязнения подземных, грунтовых и поверхностных вод в результате разрушения цементных мостов, заколонных межпластовых перетоков, подтекания устьев. Нерекультивированные шламовые амбары (ША) без гидроизоляции (в отличие от ША при строительстве добывающих скважин) также являются источником миграции загрязняющих веществ в грунтовые воды. Отмечено, что в большинстве ША содержание НП, мышьяка и бенз(a)пирена превышает нормативы ПДК и ПДУ, в некоторых из них отмечено превышение нормативов по меди, цинку, свинцу и никелю. Максимальное загрязнение обусловлено углеводородами (УВ) [2].

Среди механических форм воздействия на поверхностные водные объекты на этапе строительства объектов нефтедобычи наиболее значимым является зарегулирование поверхностного стока (начиная со строительства при прокладке автодорог) и вызванное этим понижение или повышение уровня грунтовых и поверхностных вод. В результате этого естественные водные объекты иногда перестают функционировать как исключительно природные образования, становясь природно-антропогенными. Наиболее характерные примеры – озера Самотлор, Кымыл-Эмтор и Белое, акватории которых разделена песчаными насыпями на отдельные сектора под технологические объекты добычи и автодороги (Рис. 1) [2].

 Рисунок 1. Техногенная сегментированность озер Кымыл-Эмтор-0

Рисунок 1. Техногенная сегментированность озер Кымыл-Эмтор (1), Самотлор (2) и Белое (3), Самотлорское месторождение (снимок 2005 г., Google Earth).

На снимке отчетливо просматривается разное спектральное окрашивание сегментов озер, что может свидетельствует о неодинаковом режиме их функционирования. Е.Ф. Тамплон (1998) считает, что крупные озера, такие как Самотлор, давно перестали существовать как единое водное пространство [3]. Их акватории расчленены отсыпанными островами и дамбами, на которых размещены кустовые площадки и транспортные коммуникации. Все, что сливается с кустовых площадок или выливается из трубопроводов при аварийных разрывах, попадает в озера. В результате этого большинство озер, оказавшихся на территории месторождений, особенно те, которые разбиты насыпями на отдельные непроточные участки, сильно загрязнены НП и механическими взвесями. Животный мир таких озер либо полностью уничтожен, либо крайне обеднен.

В период строительства трубопроводной системы происходит также нарушение русловой части и прибрежных участков водоохранных зон и защитных береговых линий. Исследования В.А. Ефимова (2000) по оценке состояния рек и ручьев, пересекаемых трассами трупроводов, выявили следующие виды воздействия на русла и поймы рек:

чрезмерное захламление русел остатками строительных материалов (трубами, пригрузами и др.);

захламление древесными остатками, заносимость, заиление и зарастание русел;

разрушение берегов и последующий размыв траншей и прибрежной полосы;

перекрытие (полное или частичное) русел рек трубами газопровода;

перекрытие русел рек временными притрассовыми дорогами;

захламленность пойм остатками строительных материалов и древесными остатками;

изрытость пойм;

нарушение задернованности прибрежной полосы и поверхности пойм;

перекрытие пойм трубами в обваловке и без нее на высоту 0,5-2,0 м.

Указанные воздействия, вызванные серьезными нарушениями при строительстве трубопроводов, отступлениями от проектов и частично недостатками самого проекта, приводят к стеснению руслового потока, нарушению водного режима, повышению мутности воды, снижению рыбохозяйственного значения рек [4].

Наиболее существенным фактором техногенного загрязнения водных объектов при освоении нефтяных месторождений является химическое загрязнение. По мнению А.М. Никанорова и соавторами (2002), для нефтедобывающей промышленности основными загрязняющими веществами гидросферы являются НП и минеральные макрокомпоненты (сульфаты, хлориды, магний и др.), которые в больших количествах содержатся в попутно извлекаемых высокоминерализованных пластовых водах [5].

Наибольшую опасность представляет химическое загрязнение водных объектов, особенно крупных рек области, на этапе добычи нефти. Согласно С. А. Мирошниченко, основными причинами загрязнения поверхностных и подземных вод в районе разработки нефтяных месторождений, как правило, являются:

нарушение герметичности в устьевой арматуре скважин; 

освоение скважин и их капитальный ремонт без учета требований регламента на проведение этих видов работ;

несоблюдение правил хранения нефти и горюче-смазочных материалов в резервуарах;

аварии, связанные с природными и техногенными причинами [6].

По мнению В.И. Уваровой, попадание нефти и НП в р. Обь и другие крупные реки происходит из трех источников: 1) эпизодические, разливы в результате аварий на водных переходах трубопроводов и с нефтеналивных судов; 2) сброс нефтесодержащих сточных вод промышленными предприятиями, смыв НП с производственных площадок и улиц городов региона; 3) поверхностный и подземный сток с территорий нефтепромыслов. К указанным источникам необходимо добавить еще и судоходство [7].

Бассейн р. Обь объединяет большую часть территории Тюменской области в ландшафтно-геохимическую систему. По мнению А.В. Соромотина (2010) возможность выноса загрязняющих веществ из очагов формирования через водосборные площади малых рек в русло Оби и дальнейшая их миграция определяют переход регионального уровня воздействия нефтедобычи на глобальный [2]. Основным загрязняющим веществом является нефть. Разрабатывая прогнозную модель загрязнения нефтью Западно-Сибирской ландшафтно-геохимической области, Ю. И. Пиковский (1993) предполагал, что из общего объема нефти, которая может поступить в бассейн Оби, в неподвижном резерве почв останется 36 %, в донных отложениях речной сети бассейнов 2-го порядка – 8 %, в донных отложениях Оби – 24 %, в море будет вынесено около 5 % [8].

Официальные данные по Ямало-Ненецкому АО свидетельствуют, что содержание НП в водах крупных рек в несколько раз превышает ПДК. Гидрохимические анализы состояния воды в р. Обь показывают, что загрязнение НП начинается еще в Ханты-Мансийском АО – Югре. На границе с Югрой, в районе Казым-Мыса, содержание НП в 2004 г. достигало значений 1,24 мг/дм3. Несмотря на процессы самоочищения, концентрация НП в обских водах значительно превышала ПДК вплоть до впадения в Обскую губу в районе г. Салехарда (0,74 – 0,77 мг/дм3). Причем содержание НП в Тазовской губе выше, чем в Обской за счёт рек, протекающих по Пуровскому нефтегазодобывающему району. На отдельных участках Обской губы содержание нефтепродуктов в воде превышает ПДК в сотни раз. В целом по ЯНАО уровень загрязненности поверхностных вод НП в 2004 г. превышал ПДК в 30-50 раз [9].

Одним из концептуальных решений проблемы управления антропогенным воздействием с целью гармоничной ко-эволюции человечества и биосферы является развитие методологии нормирования потока загрязняющих веществ в окружающую среду. В 1970-1980-х годах, когда пресноводные водоемы и значительная часть прибрежных акваторий оказались тотально загрязненными, была сформулирована концепция нормирования с учетом ассимиляционной емкости, самоочищения водоемов, буферной способности водных систем [10-13]. Рядом ученых, она стала подвергаться ожесточенной критике, как легализующая загрязнение. В качестве альтернативы, западными специалистами был выдвинут принцип «нулевого» сброса, который, по мнению многих ученых, утопичен. Бесспорно, принцип предотвращения загрязнения, взамен борьбы с последствиями, на основе безотходных и маловодных технологий является одним из руководящих для охраны водоемов от загрязнения. Вместе с тем, человек воздействует на водные системы различными аспектами своей жизнедеятельности, и не только прямые стоки промышленных производств загрязняют водные объекты, но и существуют много опосредованных и даже до конца не осознанных путей и масштабов воздействия, например диффузные источники, аэротехногенные потоки, выщелачивание (и вымывание) из отвалов горных пород и свалок, смывы удобрений и пестицидов с полей, вторичное загрязнение вод из донных отложений, разложения пластификаторов и других в своей основе безвредных веществ, но в процессе разложения, давать токсичные продукты.

Водоемы, в конечном счете, являются коллекторами всех техногенных потоков рассеивания элементов и веществ с токсичными свойствами. Поэтому, в той или иной степени загрязнение водных объектов будет всегда происходить. Вопрос не в том, возможно ли в принципе нормирование потока загрязнения в природные объекты, а насколько в ее рамках будет разработана и предложена корректная система регламентации для практического использования.

Концепция нормирования. Наряду с темами, посвященными изучению потепления климата, проблема экологического нормирования является одним из наиболее популярных направлений в современных исследованиях. Учитывая высокую актуальность и практическую значимость, многообразие направлений, по которым ведутся исследования, число теоретических воззрений на проблему нормирования может быть достаточно большим. Можно выделить подходы на уровне биосферных решений [14] ; геосистемных [15], [16], [17] и экосистемных [10], [11], [12], [18], [1 9], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27]. Однако большая часть рекомендаций по ограничению нагрузок разрабатывается, к сожалению, по какому либо одному фактору воздействия - будь то закисление, эвтрофирование, нефеуглеводороды, компоненты радиоактивного или отдельные элементы и вещества токсичного загрязнения. Современный период характеризуется большим разнообразием антропогенyо обусловленных явлений в природе, когда на жи вые организмы воздействует результатирующая всех прямых и опосредованных эффектов комплексного загрязнения, как нами было показано на примере влияния нефтедобычи. Экологическое нормирование - ключевая проблема в формировании системы экологической безопасности. Без предварительного, достаточно глубокого изучения свойств экосистем и механизмов формирования их откликов на различные антропогенные воздействия, без получения определенных данных о дозах и их эффектах для конкретных систем сложно предложить как адекватную программу мониторинга, так и рациональные методы сбора и обработки данных [10].

Узловыми вопросами нормирования антропогенных воздействий являются критерии диагностики пограничных состояний биологических систем, а именно «нормы» и «патологии» в состоянии организмов, адаптационных, дестабилизационных или деградационных процессов в популяциях и сообществах, ассимиляционной емкости экосистем и др., которые по праву считаются одними из труднейших в современной науке.

До настоящего времени в Российской практике, как и в большинстве зарубежных стран, решение об ограничении антропогенных нагрузок принимается на основе сопоставления измеренных концентраций отдельных загрязняющих веществ и сравнения их с предельно допустимыми значениями для водоемов рыбохозяйственного или санитарно-бытового использования. Не ново мнение, что система ограничений поступления загрязняющих веществ, основанная на данных о Предельно допустимых концентрациях (ПДК) вредных веществ в воде, не совершенна, не дает адекватной оценки качества вод и не охраняет в полной мере водные экосистемы от деградации [26 - 28].

Активно разрабатываются различными специалистами концепции и методы расчета предельно допустимых возможных воздействий (ПДВВ) и предельно допустимых сбросов (ПДС). Последние основываются на гидрологических факторах и способности водных систем к разбавлению, опять таки – до уровня пресловутого ПДК по отдельным ингредиентам [35].

В мировой науке все большую популярность приобретает концепция критических нагрузок, которая имеет близкий смысл с распространенным в России понятием ПДВВ, но имеет не экспертное, а численное выражение. Под «критической нагрузкой» понимается такой максимально допустимый поток поступления одного или нескольких загрязняющих веществ в экосистему, который не вызывает негативные изменений в наиболее чувствительных его компонентах. Аналогичным по смыслу ПДК являются «критические уровни», понимаемые как такие предельные концентрации одного или нескольких загрязняющих веществ, не вызывающих нарушений в наиболее чувствительных звеньях природных экосистем (Рис.2).

В приложении к нормированию потока токсичных веществ в экосистему выделяются три основных блока задач [26, 29], которые показывают необходимость выполнения достаточно сложных в теоретическом плане исследований в науках о Земле и о Жизни.

 Рисунок 2. Блок-схема установления критических уровней -1

Рисунок 2. Блок-схема установления критических уровней и нагрузок для целей нормирования с учетом факторов воздействия.

1. Определение интегрального показателя дозы воздейсвия основывается на познании закономерностей миграции, форм нахождения, трансформации и седиментация техногенно-привнесенных элементов в системе: источн ик водосбор водоем; взаимодействия с природными факторами на водосборе и в водоеме. Как правило, промышленные стоки или выпаден ия из атмосферы имеют многокомпонентный состав и часто сопровождаются побочными явлениями. Поэтому, наряду с обоснованием химических критериев регистрации отдельных негативных явлений в водной среде, необходимо найти методический прием “сжатия” многосторонней информации к единому численному значению оценки качества водной среды, адекватно отражающему дозу воздействия на биологические системы с учетом суммарного, синергетического или антагонистического взаимодействия всех компонентов абиотической среды.

2. Обоснование критериев оценки последствий антропогенных воздействия является узловым вопросом и основывается на познании закономерностей антропогенной изменчивости биологических систем, ус тойчивости и механизмов адаптации; определении “нормы и патологии”, порога необратимых изменений в организмах или качественно новых состояний сообществ. Наиболее информативную базу для понимания последствий загрязнения и обоснования критериев их оценки, как отмечалось в первой главе, дает исследование целостной картины изменений на всех уровнях организации (от молекулярно-клеточного – к организмам, популяциям и сообществам).

3. Определение критических уровней и нагрузок является интеграционным этапом исследований и основывается на выявлении связей в системе: объемы выбросов и стоков (нагрузки) превращения на водосборе и интегрированный сток процессы в водной среде и интегральный показатель дозы воздействия биологические эффекты и критерии их регистрации критические уровни воздействия нагрузки. Если определены критические уровни комплексного загрязнения для биологических систем и есть модели связи выбросов (поступлений на водосбор) и формируемых ими концентраций, то далее определяются критические нагрузки и их превышения для конкретных водных объектов.

Бесспорно, совершенной системы нормирования сложно достичь одномоментно. По мере развития науки и прогресса в части аналитических измерений, понимании ранних биологических ответов на токсичный стресс наши представления о происходящих процессах в окружающей среде и допустимости их воздействий на живые организмы будут постоянно уточняться. Вместе с тем сложившаяся на сегодняшний день экологическая ситуация в ряде регионов, включая Западную Сибирь требует достоверных решений, приближающих нас к пониманию происходящих явлений в природе, необходимости не только изучения последствий, но и их предотвращения. Можно вести разработки и находить решения поэтапно, сначала по упрощенным схемам, далее – их совершенствуя.

Качество вод. Нормирование загрязнения в водные объекты имеет целью сохранение высокого качества вод для жизнеобеспечения людей, для сохранения стабильного функционирования водных и наземных экосистем. Для оценки качества вод в водных объектах предлагается ряд методов и классификационных схем, позволяющих с определенной долей условности по физико-химическим или гидробиологическим показателям отнести водный объект к определенному классу качества вод [30], [31], [32], [33], [34]. При всей кажущейся простоте вопроса о качестве вод, до настоящего времени не выработано понятие - какую же воду мы можем считать хорошего качества и какие критерии оценки могут быть приняты как объективные?

Согласно ГОСТ [35] под качеством вод понимают «совокупность физических, химических и биологических свойств вод с учетом требований конкретных водопотребителей». Критерии качества вод у водопотребителей различны в соответствии с их целями. Для промышленного водопользования, питьевого водоснабжения, естественного или искусственного воспроизводства рыб они существенно отличаются. В самом определении «качество» заложена эпитетная характеристика вод, выражающая в экспертных оценках - чистая, загрязненная, сильно загрязненная; удовлетворительная или неудовлетворительная и т.д. Для одних водопользователей – она может быть чистой (например, для промышленного водопользования), для других, выращивания лососевых рыб, – грязной. Поскольку вода - это жизненно необходимый ресурс для всех живых организмов, включая человека, и среда обитания для водных организмов, ее качество может быть оценено только по отношению к живым системам.

Качество вод характеризуется определенными свойствами, измеряемыми рядом параметров. Свойства природных вод формируются в результате сложных процессов на водосборе и в водоеме: 1) физико-химических - химическое выветривание элементов, их взаимодействия, фильтрация, миграция, адсорбция, десорбция элементов, атмосферное выпадение и эвапорация с поверхности; 2) биологических - биохимических, микробиологических, биофильтрационных. Относительная природная стабильность свойств вод и сезонная их изменчивость в конкретных водоемах поддерживается за счет динамического равновесия и цикличности природных процессов. В процессе жизнедеятельности организмы, используя воду как ресурс и среду обитания, активно влияют на ее свойства, в ряде случаев играя определяющую роль, поэтому вода является биокостным телом. Водные организмы более зависимы от свойств вод в силу высокого уровня метаболизма в водных экосистемах по сравнению с таковыми в наземных. В данном сборнике ряд статей посвящено влиянию отходов и стоков нефтедобычи на гидробионтов.

Если абстрагироваться от субъективных требований к качеству вод отдельных водопотребителей, то более универсальным определением будет характеристика качества вод с позиций экологической парадигмы: "Качество вод - это свойства вод, сформированные в процессе химических, физических и биологических процессов, как на водоеме, так и водосборе; благоприятное качество вод в конкретном водоеме в том случае, если отвечает требованиям сохранения здоровья организмов и воспроизводства наиболее чувствительных видов, адаптированных в процессе эволюционного развития к существованию в условиях этого водоема"

Исходя из предложенного понятия «качества вод», очевидно, что в основе методов его оценки (в экспериментальных или натурных условиях) лежит изучение влияния свойств вод на водные экосистемы и их структурные элементы - отдельные организмы, популяции или сообщества. Принимается, что если свойства вод отвечают требованиям существования и воспроизводства наиболее чувствительных водных организмов, то качество вод (за исключением частных случаев) можно считать соответствующим требованиям и для сохранения здоровья человека. Наиболее известными методами оценки качества вод являются: химиндикация (или система ПДК); биотестирование и биоиндикация (Рис. 3). В последние годы наибольшую известность получил эктотоксикологический подход, в основе которого лежит интегральная оценка «здоровья экосистем». Более детальные характеристики методов биологической оценки качества вод посвящены статьи в этом сборнике.

 Рисунок 3. Блок-схема биологических методов оценки качества вод и-2

Рисунок 3. Блок-схема биологических методов оценки качества вод и их значение для определения критических уровней загрязнения вод.

Основные принципы предотвращения качественного истощения водных ресурсов. Несмотря, что во всем мире в последние годы наметились тенденции, включая и Россию, по снижению потоков загрязняющих веществ в водные объекты, токсичное загрязнение вод продолжается. Основными его причинами являются: увеличение роли неконтролируемых диффузионных источников загрязнения водных объектов (смыв с городских территорий и промышленных площадок, аэротехногенное загрязнение водосборов и трансграничные переносы, сток с полигонов для складирования хозяйственно-бытовых и промышленных отходов, смывы с полей, сток из хвостохранилищ и отвалов руд, загрязнение донных отложений, накопившиеся за предыдущие периоды; деградация и долгопериодные изменения в структуре экосистем; обмеление, заиление, зарастание, заболачивание и «цветение» водных объектов и др.

Экологическая политика должна основываться на приоритете чистой воды, как основы сохранения здоровья населения и жизнеобеспечивающих условий: устойчивого функционирования водных и наземных экосистем, эффективности и качества сельско-хозяйственной продукции, воспроизводства рыбных ресурсов, рекреационного и эстетического потенциала водных объектов. Основные принципы предотвращения качественного истощения водных ресурсов и водного кризиса вытекают из самой сути явлений формирования водных ресурсов в процессе естественного круговорота воды:

• отказ от представления о безграничной самоочищающей способности вод и неиссякаемости водных ресурсов;

• охрана водных ресурсов в процессе их использования: а) снижение водоемкости производств, вплоть до перехода на маловодную или "сухую" технологии; б) локальная очистка промышленных сточных вод, т.е. замкнутое оборотное водоснабжение, основой которого является раздельная очистка сточных вод технологических линий, цехов и т.д., которые содержат одно или группу однородных загрязнений; в) изменение технологий, позволяющее получать сточные воды, легко поддающиеся очистке или регенерации; г) рекуперация отходов и др.;

• устранение причин, вызывающих загрязнение, взамен преобладающей ныне борьбы с последствиями загрязнения (т.е. принцип профилактики взамен борьбы с последствиями; исключение сброса токсичных веществ в составе промышленных стоков в реки и водоемы);

• изоляция хозяйственного звена круговорота воды от естественного - речного, озерного и подземного; разделение двух групп водоотведения - коммунально-бытового и промышленного;

• предупреждение аварийных ситуаций системой совершенной организации добычи и транспортировки полезных ископаемых, захоронения отходов, исключающей массовые разливы нефти, выбросы радиоактивных отходов, мощные площадные смывы загрязнений из мест разработки полезных ископаемых и хранения отходов;

• предвидение и предупреждение нарушений естественного круговорота элементов в природе под влиянием деятельности на водосборе, глобального загрязнения воздуха и потепления климата (нарушения ионного равновесия вод и закисления вод; изменения режима биогенных веществ и эвтрофирования, высвобождения ионных токсичных форм металлов и др.);

• дифференциальный подход к защите вод в зависимости от природных условий водоема и региона, а также специфики и характера действия загрязняющих компонентов, комбинации сопутствующих факторов в конкретных условиях, установление региональных, экологически допустимых норм нагрузок.

Для всех видов производства невозможно предложить универсальные методы. Но любые из них будут достаточно совершенными только на основе профилактического принципа, который открывает пути экономии водных ресурсов.

Природоохранные технологии нефтедобычи. Загрязнение водных бассейнов Среднего Приобья разнообразными химическими веществами, в частности, нефтепродуктами, минерализованными водами и химреагентами с канцерогенной и мутагенной особенностями, в ряде мест достигла критических значений, близкими к экологической катастрофе. Поэтому, значение практических работ по предупреждению распространения химического загрязнения в водный бассейн огромно. Содержание нефтепродуктов в речных водах может составлять десятки мг на дм3. Растворимые нефтяные углеводороды в дозах, превышающих ПДК, обнаруживаются уже даже за пределами месторождений. Особенно остро эта проблема стоит в весенний период, когда талыми водами с территории промыслов сносится огромное количество нефти, содержащиеся на замазученных почвах.

Наибольшее распространение по очистке нефтезагрязненных поверхностных вод в Западной Сибири получили различные биопрепараты типа “Деворойл”, “Деградойл”, “Путидойл” и пр. Основной принцип использования этих препаратов - внесение накопительных культур микроорганизмов с высокой углеводородокислительной активностью непосредственно на загрязненную поверхность. При этом предполагается, что бактериальные клетки будут постоянно контактировать с пленочной нефтью. Практика обработок препаратами реальных разливов нефти показала, что при расчете доз препарата учитываются только площадные характеристики объектов и обрабатываются стоячие водоемы типа небольших озер, участков мочажин болотных комплексов, антропогенных канав и водоемов. Это и понятно. При таком подходе вносить дорогостоящие биопрепараты в поверхностные водотоки просто бесполезно: бактериальные клетки будут сноситься вниз по течению и титр культуры в месте обработки резко снизится в результате разбавления.

Одним из наиболее перспективах биологических направлений санации загрязненных водоемов является биоремедиация - применение технологий и устройств, предназначенных для биологической очистки почв и водоемов, т. е. для удаления из почвы и воды уже находящихся в них загрязнителей. В нашем регионе биоремедиация включает в себя два основных подхода:

1) биостимуляция (активизация деградирующей способности аборигенной микрофлоры внесением биогенных элементов, кислорода и пр.) «in situ" – биостимулирование роста природных микроорганизмов, обитающих в загрязненной почве или в воде и способных утилизировать загрязнитель, но не способных делать это эффективно из-за недостатка основных биогенных элементов (соединений азота, фосфора, калия и др.) и неблагоприятных физико-химических условий, а также «in vitro» – биостимуляция в промышленных условиях загрязненных водонефтяных эмульсий с использованием промышленных углеводородокисляющих биопрепараратов.

2) биодополнение (интродукция природных и генноинженерных штаммов микроорганизмов-деструкторов).

Примером успешного использования принципа биоремедиации нефтезагрязненных водоемов стало использования биоконвейеров «Вия». Данная технология была разработана для очистки технических сточных вод промышленных предприятий в Институте коллоидной химии и химии воды НАН (авторы: М.Ротмистров, П.Гвоздяк, Л.Глоба, Г.Дмитренко, Н.Могилевич, М.Куликов, О.Денис, И.Капарник). Система “биоконвеера” «Вия» представляет собой боновые заграждения с микробным методом очистки с иммобилизацией бактерий на насадках из текстурированного синтетического волокна. Иммобилизированные микробиоценозы четко и быстро реагируют на изменение условий внешней среды в системе путем сложных переустройств, которые приводят к изменению видового состава, снижению индекса видового разнообразия, изменению коэффициента доминирования видов и т.д. Все эти объективные факты приводят к тому, что система с иммобилизованными на волокнистых насадках микроорганизмами преобразуется саморегулирующуюся систему – своеобразный банк микроорганизмов.

Боновые заграждения с прикрепленными к нижней части насадками “Вия” размещаются поперек водотока малых рек с берега на берег так, чтобы практически вся текущая вода (или большая ее часть) фильтровалась через микробиоценоз волокон. Количество поперечных перегородок определяется экспериментально в зависимости от степени загрязнения воды. Высота бона и длинна волокна рассчитываются заранее по гидрологическим характеристикам наиболее типичных рек.

“Биоконвейер” на основе “Вия” является надежной, эффективной, простой в обслуживании, экологически безупречной и экономически приемлемой биологической системой очистки вод от опасного химического и биологического загрязнения. Осуществляет обновление качества природных поверхностных вод с интенсификацией самоочищения, а также восстановление ресурсного потенциала использованной воды.

Волокнистые насадки типа “Вия” не имеют себе равных в мире по поглощающей поверхности, которая может достигать 5000 и даже 10000 м2/м3 объема сооружения, в то время как поглощающая поверхность лучших иностранных образцов насадок редко превышает 300 м2/м3. Кроме того, насадки занимают не больше 0,5% объема сооружения, а наилучшие иностранные - не менее 5 %, а иногда даже более половины полезного объема (например, пористые стеклоблоки). “Вия” практически не создают гидравлического сопротивления протеканию через очистные сооружения сточных вод.

Принцип “биоконвейера” заключается в том, что размножающиеся углеводородокисляющие бактерии включаются в трофические цепи водоема и “перенаселения” среды не происходит. Постоянно поддерживается оптимальный титр клеток.

Вода, пройдя такой “биоконвейер”, становится чистой, биологически полноценной, и качество ее может стать более высоким по сравнению с природными водами ближайших водоемов.

Жизнеспособность идеи “биоконвейера” подтверждена широким внедрением в практику очистки промышленных сточных вод на 10 заводах пищевой и микробиологической промышленности, 4 нефтеперерабатывающих и 2 газоперерабатывающих заводах, 2 станциях хранения и перекачки газа, на 11 химзаводах разного профиля (химволокна, лакокрасочных, среднего машиностроения, тонкого органического синтеза, коксохимии), 2 станции очистки сливных вод, 50 станциях очистки бытовых сточных вод, при предварительной биологической очистке питьевой воды на водозаборе, преодолении последствий канализационной и ряда техногенных аварий, при борьбе с биообрастаниями технологического оборудования. В настоящее время работа внедрена на 96 промышленных предприятиях и станциях очистки коммунальных вод.

Научный, технологический и технический уровни предлагаемых биотехнологий по основным экологическим и технико-экономическим показателям не только не уступают передовым мировым образцам, а и превосходят их, в частности, по таким важнейшим показателям как качество очищенной воды. Так, очищенные по разработанной биотехнологии промышленные сточные воды нефтеперерабатывающего завода имеют: БСК - 4- 5мг/л и меньше, концентрацию взвешенных веществ - 2- 3 мг/л, содержание нефтепродуктов - 0,05 мг/л и ниже, ионов тяжелых металлов - следы.

Таким образом, в результате систематических исследований на протяжении почти 30 лет коллективом авторов предложено принципиально новое направление в биологической очистке воды, разработаны и внедрены в практику высокоэффективные, экологически безупречные биотехнологии восстановления качества воды.

3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА МАЛЫХ ОЗЕР С ЦЕЛЬЮ ВЫЯВЛЕНИЯ РЕГИОНАЛЬНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ЕГО ФОРМИРОВАНИЯ

Формирование химического состава вод определяется совокупностью физических, химических и биологических процессов, происходящих на водосборе и в самом водоеме, которые определяются климатическими, геологическими и ландшафтными факторами. Относительная природная стабильность свойств вод и сезонная их цикличность в конкретных водоемах поддерживалась многие годы за счет динамического равновесия природных процессов. Антропогенный фактор в формировании химического состава вод в последние годы становится по значимости в одном ряду с природными геохимическими и биологическими процессами.

В мировой науке исследованиям качества вод и экологического состояния водных объектов уделяется большое внимание. В Европе создана крупная программа LIMPACS (Human Impact on Lake Ecosystems), в которой большое значение отводится исследованиям малых озер, расположенных вдали от непосредственного влияния стоков и локальных выбросов.

Доказано, что наряду с локальным загрязнением, большой вклад в изменение качества вод вносят глобальные преобразования окружающей среды и трансграничные переносы загрязняющих веществ. Потенциально, в современный период все водные экосистемы в той или иной степени подвержены антропогенному воздействию вследствие глобальных процессов, происходящих на планете. Климатические вариации могут влиять на них прямо, через изменение температурного режима, и опосредованно – через изменение гидрологического цикла, геохимических процессов на водосборе, поведения токсичных веществ; развитие эвтрофирования, закисления и других антропогенно-обусловленных процессов. Достаточно привести примеры с отдаленными высокогорными и арктическими водными системами, которые оказались закислены, загрязнены металлами и хлорорганическими соединениями.

Система мониторинга качества вод в России, как и в большинстве других стран мира, позволяет дать только оценку превышения отдельных компонентов (чаще токсикантов) к их лимитирующим показателям - предельно-допустимым концентрациям (ПДК) для водных объектов, в основном, подвергающихся воздействию стоков. ПДК (или критические уровни загрязнения) практически не учитывают специфику формирования качества вод, их зональные и ландшафтно-географические особенности, а также поведение антропогенно-привнесенных элементов в различных условиях, сопутствующие факторы и комбинированные эффекты. Поэтому сложно сделать заключение об основных тенденциях антропогенных преобразований качества вод в условиях комплексных нагрузок на водосборы, включая локальные сбросы, неорганизованные стоки и аэротехногенные потоки регионального и трансграничного характера.

Несмотря на высокую обеспеченность большинства регионов Западной Сибири водными ресурсами, может возникнуть проблема их качественного истощения вследствие антропогенных нагрузок локального и глобального масштабов. В местах нефтедобычи ситуация с качеством вод близка к критической [1-3]. Возникает необходимость в более глубоких, системных и методически обоснованных исследованиях, направленных на выявление негативных процессов и комплексную оценку состояния качества водных ресурсов в регионах Западной Сибири, особенно в местах разработки углеводородного сырья.

Целью работы является на основе обобщения мирового опыта исследований химического состава вод разработать методические основы территориального исследования особенностей формирования качества вод с учетом ландшафтной и зональной специфики регионов Западной Сибири.

Международный опыт исследований. В исследованиях изменений химического состава вод, связанных с выявлением влияния глобальных изменений окружающей среды и аэротехногенного загрязнения водосборов, важны единые принципы и методы исследований, а также высокая точность аналитических измерений. Территориальные широкомасштабные исследования поверхностных вод суши проводятся многими странами Европы и Америки раз в 5-10 лет с конца 1980-х годов, включаются только те водные объекты, которые не подвержены каким-либо локальным загрязнениям. Эти исследования позволяют определить масштабы и тенденции изменения химического состава вод в различных странах и на континентах. Как уже упоминалось, именно малые озера, имеющие преимущественное атмосферное питание, наилучшим образом отражают те изменения химического состав вод, которые происходят под влиянием выпадений загрязняющих веществ на водосборы и геохимических изменений последних.



Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |
 



<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.