А.М.Владимиров, Ю.И.Ляхин, Л.Т.Матвеев, В.Г.Орлов
/
ОХРАНА /
' ОКРУЖАЮЩЕЙ /
СРЕДЫ
/
Допущено
Государственным
комитетом
СССР по народному образованию в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по специальностям: «Метеорология»,
«Гидрология суши», «Океанология»
Ленинград Гидрометеоиздат 1991
УДК 551.510
Рецензенты: проф., д-р техн. наук Г. С. Башкиров (Одесский гидрометеорологический институт); канд. физ.-мат. наук В. А. Павлов, проф., д-р биол.
наук А. В. Цыбань, канд. биол. наук Н. П. Тимошенкова (Институт глобального
климата и экологии Госкомгидромета СССР и АН СССР).
Обобщено и в систематизированном виде изложено состояние знаний об
антропогенном загрязнении природной среды — атмосферы, вод суши и океана.
Обсуждены философско-нравственный аспект проблемы охраны и рационального
использования ресурсов природной среды, а также влияние наблюдаемого ухудшения качества среды на здоровье и условия жизни человека. Наибольшее
внимание уделено построению моделей, позволяющих количественно оценить
поступление и распространение загрязняющих веществ в атмосфере и океане,
а также определить создаваемые ими уровни загрязнения среды.
Рассмотрена система наблюдений за загрязняющими веществами в рамках
мониторинга окружающей среды и климата. Уделено внимание такому губительному для человека и биосферы загрязнению среды, как радиоактивные примеси,
образующиеся при взрывах атомных бомб и реакторов АЭС. Обсуждена проблема атмосферного озона, в частности образования озонной дыры под влиянием антропогенных воздействий на атмосферу.
Рассчитана на студентов старших курсов университетов, гидрометеорологических институтов, а также на специалистов в области экологии, гидрометеорологии и других наук о Земле.
195196 Малоохткдада ^ . , > •
в 1502000000-085
069(02)-91
ISBN
5—286—00643—4
©
В л а д и м и р о в А. М., Л я х и к Ю.
веев Л . Т., Орлов В. Г., 1991 г.
И., М а т -
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
7
Введение
1. Охрана атмосферы
•
.
8
23
Глава 1. Природа и свойства загрязняющих природную среду в е щ е с т в .
1.1. Введение
1.2. Оксид углерода . .
1.3. Диоксид серы
1.4. Соединения азота . . .
1.5. Углеводороды
.
1.6. Твердые примеси (аэрозоль)
—
—
25
26
—
27
28
Глава 2. Влияние загрязнения атмосферы на человека, растительный
и животный мир
2.1. Введение
•:...'
у 2 . 2 . Оксид углерода
2.3. Диоксид серы и серный ангидрид
2.4. Оксиды азота и некоторые другие вещества
2.5. Влияние радиоактивных веществ на растительный и животный мир
31 у
—
33
—
34
35
Глава 3. Глобальное загрязнение атмосферы
3.1. Введение
3.2. Радиоактивные примеси
3.3. Высота подъема облака ядерного взрыва
3.4. Влияние метеоусловий на высоту подъема облака ядерного
взрыва . . .
3.5. Оседание радиоактивного облака на земную поверхность . . . .
\ / 3 . 6 . Проблема атмосферного озона
38
—
39
43
Глава 4. Загрязнение атмосферы от подвижных источников выбросов . .
4.1. Введение . .
4.2. Автотранспорт
.
4.3. Самолеты
.
4.4. Шумы
58
—
—
59
60
Глава 5. Антропогенные изменения климата г о р о д о в .
5.1. Введение
•
5.2. Температура воздуха. Остров тепла
5.3. Инверсии температуры
5.4. Радиация
5.5. Скорость ветра
5.6. Дымки, туманы, смоги и видимость в городах
5.7. Осадки ;
61
—
63
70
74
77
82
86
Глава 6. Закономерности распространения загрязняющих веществ (примесей) в турбулентной среде
6.1. Возникновение и критерии турбулентного движения атмосферы
6.2. Уравнение переноса примесей в турбулентной атмосфере . . . .
6.3. Факторы, определяющие изменение концентрации примесей во
времени
6.4. Установившееся распределение примесей по высоте
6.5. Учет захвата и вымывания примеси каплями и кристаллами облаков и осадков
6.6. Одиночный непрерывный источник
6.7. Экспериментальные данные
13*
46
49
55
87
—
90
94
98
104
106
111
3
6.8. Метеорологические аспекты аварии на Чернобыльской атомной
электростанции .
116
Глава 7. Прогноз фонового загрязнения воздуха в городе
7.1. Введение
7.2. Способ распознавания образов
7.3. Способ последовательной графической регрессии
120
—
122
123
^Тшва^в) Численные модели загрязнения атмосферы большого города . .
127
рГлава 9J Организация наблюдений за загрязнением атмосферного воздуха
-__а-1/Общий подход к организации наблюдений
9.2. Наблюдения за качеством атмосферного воздуха в населенных
пунктах и за фоновым загрязнением
9.3. Основные методы анализа веществ, загрязняющих атмосферу
9.4. Приборное обеспечение наблюдений
132
—
136
140
148
Список литературы
157
% Охрана вод суши
Глава 1. Развитие исследований по охране водных ресурсов .
1.1. Общие положения
1.2. Водные ресурсы СССР
. .
1.3. Основные потребители воДы
1.4. Качественные и количественные изменения водных ресурсов под
влиянием хозяйственной деятельности
1.5. Мероприятия по защите поверхностных вод от загрязнения . .
159
—
—
161
165
Глава 2. Система наблюдения и контроля (мониторинг) качества поверх;
ностных вод .
.
Глава 3. Гидрологические фактора формирования и методы оценки качества поверхностных вод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1. Общие положения
..
3.2. Классификация водотоков и водоемов применительно к их
охране
. .
3.3. Формирование качества вод в маловодный период года . . . .
3.4. Оценка естественного качества вод в маловодную фазу стока
V 3.5. Оценка качества воды в реках и водоемах в условиях антропогенного воздействия .
3.6. Интегральные показатели4 оценки качества воды и загрязненности рек и водоемов
.*.
Глава 4. Основные гидрологические величины и гидравлические элементы, необходимые для расчета разбавления сточных вод . . . .
4.1. Определение характеристик потока, необходимых для расчета
разбавления сточных вод
4.2. Определение метеорологических и гидравлических характеристик
водоема, необходимых для расчета разбавления сточных вод . .
4.3. Определение допустимого количества сбрасываемых вод . . . .
171
182
192
199
—
201
210
220
232
237
240
—
244
247
Глава 5. Охрана водных объектов от истощения . . . . .
250
Глава 6. Прогнозирование качества водных ресурсов
257
Глава 7. Водоохранные зоны и лесозащитные полосы
260
Глава 8. Охрана малых рек
262
Список литературы
4
». . . . . . . . .
265
3. Охрана Мирового океана
Глава 1. Источники и виды загрязнения океана
1.1. Состав и объем загрязняющих веществ в океане
1.2. Нефть и нефтепродукты
1.3. Пестициды
1.4. Синтетические поверхностно-активные вещества
1.5. Соединения с канцерогенными свойствами
1.6. Тяжелые металлы
1.7. Сброс отходов в море с целью захоронения (дампинг)
1.8. Техногенные радионуклиды
;
. . . .
266
—
—
268
275
277
279
281
284
286
Глава 2. Моделирование распространения загрязнений в океане . . . .
2.1. Математическая формулировка задачи о распространении примеси в морской среде
2.2. Аналитические решения задачи об изменении концентрации примеси в морской среде при постоянных и переменных коэффициентах турбулентной диффузии
2.3. Численные методы решения уравнения турбулентной диффузии
примеси в мелком море
2.4. Моделирование переноса загрязнений в океане . . . . . . . .
2.5. Влияние циркуляции вод, турбулентной диффузии и граничных
условий на результаты расчета концентрации загрязняющих
веществ
.
2.6. Результаты экспериментального изучения процессов диффузии
примеси в океане . . .
289
Глава 3. Современное состояние загрязненности вод Мирового океана . .
3.1. Нефтяные углеводороды
3.2. Хлорорганические пестициды
3.3. Синтетические поверхностно-активные вещества .
3.4. Фоновые концентрации загрязняющих органических веществ в водах Северной Атлантики . . . . . '
.
3.5. Токсичные металлы
3.6. Загрязнение поверхностного микрослоя океана
3.7. Канцерогенные вещества
3.8. Радиоактивное загрязнение океана
320
—
324325
Глава 4. Процессы самоочищения морской среды от загрязняющих веществ
4.1. Деградация нефти в море
4.2. Биодеградация синтетических поверхностно-активных веществ . .
4.3. Самоочищение от фенолов
4.4. Биораспад полиароматических углеводородов
4.5. Биоседиментация загрязняющих веществ
Глава 5. Баланс загрязняющих веществ в океане
5.1. Модель баланса загрязняющих веществ
5.2. Элементы баланса загрязняющих веществ
5.3. Баланс и прогноз динамики уровня загрязнения океанических
вод нефтяными углеводородами
Глава 6. Влияние загрязняющих веществ на жизнедеятельность морских организмов
6.1. Загрязняющие вещества в фитоценозах
6.2. Загрязняющие вещества в трофических цепях морских биоценозов
6.3. Накопление радионуклидов гидробионтами
Воздействие теплового загрязнения водной среды ••.
6.5. Загрязнение нейстонного и плейстонного биоценозов
6.6. Экологические последствия загрязнения океана
290
295
301
306
308
313
327
328
330
336
338
341
342
345
349
350
351
352
—
354
358
361
—
365
371
373
374
376
5
Глава 7. Предельно допустимые концентрации загрязняющих
в водной среде
7.1. Виды нормирования П Д К . . .
7.2. Принципы экологического нормирования П Д К
7.3. П Д К загрязняющих веществ в морской среде
веществ
-. .
Глава 8. Основы антропогенной экологии океана и ассимиляционная емкость морских экосистем
8.1. Антропогенная экология океана — новое научное
направление
в океанологии
\/8.2. Концепция ассимиляционной емкости
.
8.3. Оценка ассимиляционной емкости морской экосистемы загрязняющими веществами на примере Балтийского моря
Глава 9) Комплексный глобальный мониторинг Мирового океана . . . .
^ J c Определение мониторинга
9.2. Задачи и научные основы комплексного глобального мониторинга океана
9.3. Осуществление системы мониторинга океана
.
Глава 10. Технические средства защиты морской среды от загрязнения
10.1. Безотходная технология как основа защиты природной среды
от загрязнения
10.2. Защита морской среды при эксплуатации судов
10.3. Меры борьбы с разлитой нефтью
378
—
381
382
386
—
387
390
393
—
396
398
400
—
402
404
Глава 11. Охрана морской среды от загрязнения и истощения природных
ресурсов
. . . . . . . . .
11.1. Основные черты национальных законодательств по охране морской среды
11.2. Важнейшие международные соглашения по охране морской
среды
•
413
Список литературы
419
. . .
Предметный указатель
408
'—
421
ПРЕДИСЛОВИЕ
В эпоху научно-технического прогресса антропогенные воздействия на о к р у ж а ю щ у ю среду становятся все более интенсивными и масштабными. Серьезную опасность представляет усиливающееся загрязнение природных сред — атмосферы, гидросферы
и биосферы. В связи с этим наибольшую важность приобретают
проблемы контроля качества и регулирования состояния окруж а ю щ е й среды, в решении которых специалисты гидрометеорологи
(метеорологи, гидрологи, океанологи) обязаны принимать непосредственное участие.
Будущие специалисты д о л ж н ы иметь я с н й е представления о
х а р а к т е р е и м а с ш т а б а х всех видов антропогенных
воздействий
на природные среды (физических, химических, биологических) и
последствиях этих воздействий, о способах оценки состояния загрязненности атмосферы и водных объектов, о существующих мет о д а х расчета и математического моделирования распространения
вредных примесей в о к р у ж а ю щ е й среде, а т а к ж е о правовых нормах национального и международного законодательства в области
охраны о к р у ж а ю щ е й среды от загрязнения и истощения. Все перечисленные вопросы и ряд смежных проблем
рассматриваются
в предлагаемом учебнике.
Г л а в н а я з а д а ч а курсов охраны о к р у ж а ю щ е й среды состоит
в том, чтобы способствовать выработке у студентов экологического
мировоззрения, в основе которого д о л ж н о быть представление
о единстве и взаимосвязи всех природных процессов, их изменении
под воздействием антропогенных факторов.
И з л а г а е м ы е в учебнике основные положения иллюстрируются
примерами и фактическими данными, которые используются д л я
того, чтобы показать масштаб и значимость того или иного явления; безусловно, с течением времени наши представления об этом
могут существенно меняться.
Д а н н ы й учебник написан коллективом авторов, читающих
курсы лекций по охране о к р у ж а ю щ е й среды: введение — доцентом
А. А. Алимовым, охрана атмосферы — профессором Л . Т. Матвеевым (кроме главы 9, написанной канд. геогр. наук В. Л . Андреевым), охрана вод суши — профессором А. М. Владимировым и
доцентом В. Г. Орловым, охрана Мирового океана — профессором
Ю. И. Л я х и н ы м (кроме главы 2, написанной доцентом Л . Н. Кузнецовой) .
Авторы в ы р а ж а ю т искреннюю признательность профессору
| Н. В. Разумихину]
( Л Г У ) , профессору Г. С. Б а ш к и р о в у
( О Г М И ) , канд. физ.-мат. наук В. А. Павлову, профессору А. В. Цыбань и канд. биол. наук Н. П. Тимошенковой (Институт глобального климата и экологии), внимательно прочитавшим рукопись и
высказавшим р я д замечаний и конструктивных предложений.
7
ВВЕДЕНИЕ
В истории человечества всегда было немало вопросов и задач,
от успешного решения которых зависело благополучие и дальнейшее развитие общества. Однако никогда ранее не возникало проблем, представлявших собой некую пороговую величину, за которой общественный прогресс был бы крайне затруднен, если вообще не невозможен.
Сегодня стало очевидным, что к концу XX в. человечество подошло отягощенное проблемами, накопленными в предыдущие
столетия.
В переплетении социально-экономических, политических противоречий наших дней особое внимание занимают противоречия
глобального масштаба, затрагивающие самые основы существования цивилизации. Здесь весьма остры такие проблемы, как загрязнение окружающей среды, воздушного бассейна и океанов, истощение природных ресурсов.
Экологическая проблема (как совокупность вопросов охраны
окружающей среды и рационального использования природных
ресурсов), будучи проблемой глобальной, затрагивает интересы
всего пятимиллиардного населения нашей планеты, интересы всех
без исключения современных государств и, наконец, интересы каждого человека, живущего на Земле.
Обеспечение экологических приоритетов становится все более
важным элементом социального прогресса. Эти приоритеты постепенно приобретают характер абсолютных ценностей. Следовательно, уже сегодня, а тем более в будущем любое экономическое
или политическое решение, которое нарушает научно обоснованные
медицинские, экологические и иные требования к окружающей
среде, является в принципе неприемлемым. Отступить от этого —
значит принести судьбы общества, жизнь /не только нынешнего,
но и последующих поколений в жертву своекорыстным и эгоистическим интересам ныне живущих.
Сложность, многоплановость и противоречивость экологической проблемы затрудняет разработку общечеловеческой стратегии
экологического поведения, тормозит процесс выработки наиболее
приемлемого пути развития общества в эпоху научно-технической
революции.
Можно выделить три основные составляющие экологической
проблемы:
а) биологическую,
б) техническую,
в) социально-экономическую.
Однако отдельных направлений и аспектов экологической проблематики значительно больше. Это вопросы экономики, права, мониторинга, управления качеством окружающей среды и т.д.
Несмотря на серьезную значимость биологической и технической составляющих все более возрастает масштабность и противо8
I
'
i
'
j
речивость третьей — социально-экономической — поскольку сложность этого вопроса определяется объективной неоднозначностью
самого процесса взаимодействия общества и природы. Здесь переплетаются законы развития природы и общества, «сталкиваются»
биологические «интересы» природы и социальные требования
общества.
В условиях интенсивного использования природных ресурсов
человеком вовлечение их в хозяйственную деятельность причиняет
все более ощутимый ущерб самой природе. Она стала терять свою
уникальную способность к самовосстановлению.
Нарушаются
естественные биологические циклы, тормозятся процессы развития, природа все ч а щ е о щ у щ а е т мощные «залповые» воздействия
общества.
В век научно-технической революции особенно ценными представляются слова Ф. Энгельса: «Природа — с ф и н к с . . . ставит перед
к а ж д ы м человеком и к а ж д о й эпохой вопрос. Счастлив тот, кто
правильно на него ответит; а кто не ответит или ответит неправильно, тот попадает в звериные л а п ы сфинкса, вместо прекрасной
невесты он найдет свирепую львицу». (Маркс К-, Энгельс Ф. —
Полн. собр. соч., т. 20).
v
Сегодня человечество д о л ж н о ответить на вопрос — способно
ли общество предотвратить глобальный экологический кризис или
оно обречено на гибель от истощения природных ресурсов и сверхзагрязнения о к р у ж а ю щ е й природной среды.
В чем ж е дело? Что стало причиной формирования крайне неблагоприятной экологической глобальной ситуации?
Посмотрим на общую картину экономического развития современного мира.
Мировое хозяйство ежегодно способно «выпустить» свыше
800 млн. т черных металлов, более 60 млн. т не известных природе
синтетических материалов, около 500 млн. т минеральных удобрений, до 8 млн. т ядохимикатов, свыше 300 млн. т органических
химических соединений 150 наименований и т. д.
З а счет работы производственных мощностей в атмосферу во
2-й половине 80-х годов выбрасывалось более 300 млн. т оксида
углерода, 50 млн. т. всевозможных углеводородов, 120 млн. т золы,
150 млн. т диоксида серы, а в воды Мирового океана попадало
6—10 млн. т сырой нефти, твердый сток достигает 17 млн. т.
Кроме того, д л я ирригации, промышленного производства, бытового снабжения человечество использует у ж е более 13 % речного
стока и сбрасывает в водоемы до 500 млрд. м 3 промышленных и
коммунальных стоков в год, а их нейтрализация (в зависимости
от степени очистки) требует 5—12-кратного р а з б а в л е н и я природной чистой водой.
З а г р я з н е н и е биосферы, исчерпание природных ресурсов, разрушение экосистем, потеря природной способности самовосстановл е н и я — все это крайне опасные и сложные процессы, развитие
которых вызвано и стимулируется хозяйственной деятельностью
человека. К настоящему времени многие виды з а г р я з н я ю щ и х ве9
ществ, например металлы, пыль, пестициды, радиоактивные вещества, в связи с атмосферными и гидросферными циркуляционными
процессами выходят на региональный и глобальный уровень, прев р а щ а я планету в единую технобиологическую систему.
Такие изменения в природной среде не проходят бесследно д л я
человека. По мнению медиков и специалистов в области санитарной гигиены, в выбросах промышленных предприятий содержится
до 150 веществ, наносящих вред здоровью людей. У ж е сегодня
вызывает беспокойство тот факт, что многие современные болезни
человека связаны с появлением в о к р у ж а ю щ е й среде продуктов
химического производства и транспортных выбросов, причем р я д
з а г р я з н я ю щ и х веществ о б л а д а е т мутагенными свойствами, способными изменить д а ж е наследственность человека.
Н е случайно ученые, специалисты, представители общественности со все возрастающей обеспокоенностью говорят о проявлении
«обратной связи» в процессе взаимодействия общества и природы.
Так, например, советский философ Г. Царегородцев отмечает,
что здоровье людей в современных условиях на 15—20 % зависит
от состояния о к р у ж а ю щ е й среды. Специалисты утверждают, что
интенсивное загрязнение атмосферного воздуха химическими веществами, постоянно возрастающий контакт человека с искусственно синтезированными соединениями и м а т е р и а л а м и приводят
к изменениям в иммунной системе организма. У определенной части человечества она у ж е существенно нарушена, и общество вынуждено тратить колоссальные средства, чтобы сдерживать эти
бедствия.
Более того, эта опасность столь значительна, что, по мнению
французского ученого М. Моруа, необходимо создать условия д л я
сохранения и нуклеиновых кислот в наших клетках, дающих нам
всю историю утверждения нашего вида, поскольку им угрожает
опасность.
В последние 15—20 лет экологическая проблема вызывает не
только серьезный интерес, но и глубокую озабоченность многих
специалистов, ученых, политических деятелей, широкой мировой
общественности. И у ж е давно постановка проблемы «защита природы», «охрана окружающей среды» перестала быть данью моде.
Теперь речь идет о решении жизненно в а ж н о й проблемы — з а щ и т ы
и охраны здоровья живущих и будущих поколений от вредных
последствий научно-технического прогресса и хозяйственной деятельности.
В эпоху научно-технической революции возникла парадоксальная ситуация: с одной стороны, знания и технические возможности
человека стали основой создания мощных производительных сил,
способных вести активное наступление на природу, менять л и к
Земли, подчиняя о к р у ж а ю щ у ю среду интересам общества, а с друг о й — именно
недостаток
знаний, особенно в вопросах окруж а ю щ е й среды, ограничивает способность полностью и правильно
оценить степень воздействия производительных сил общества на
природу.
Ю
Увлечение человека своими «успехами» в процессе взаимодействия с природой, своими «победами» привело к тому, что эти «победы» стали его ж е поражением. И тем более очевидны ошибочность и иллюзорность таких «побед», что об этом более века тому
н а з а д предупреждали великие мыслители К- М а р к с и Ф. Энгельс,
писавшие: «Не будем, однако, слишком обольщаться нашими побед а м и над природой. З а к а ж д у ю такую победу она нам мстит. К а ж д а я из таких побед имеет, правда, в первую очередь те последствия, на которые мы рассчитывали, но во вторую и третью очередь совсем другие, непредвиденные последствия, которые очень
часто уничтожают значение первых». (Маркс К., Энгельс Ф. —
Полн. собр. соч., т. 20, с. 495—496).
Более того, по словам Ф. Энгельса, эта «месть природы»
в форме непредвиденных последствий будет проявляться независимо от какой-либо социальной организации, т. е. в условиях различных социально-экономических формаций.
Д л и т е л ь н а я стихийная эксплуатация природных ресурсов человеком, протекавшая в целом в относительно благоприятных и д л я
общества, и д л я природы условиях с о з д а л а специфическую социально-психологическую установку в отношении человека к окруж а ю щ и м его природным ресурсам. Сложилось убеждение, что каковы бы ни были масштабы человеческой деятельности, ее влияние
на природу или всегда будет крайне малым, или приобретет лишь
локальный характер.
Однако к настоящему времени система общество.— природа
о к а з а л а с ь функционально замкнутой. П р и р о д а выступает по отношению к обществу не к а к безграничная и а м о р ф н а я среда, а к а к
функциональная система, п е р е р а б а т ы в а ю щ а я результаты хозяйственной деятельности в новые факторы, которые проявляют себя
впоследствии и с которыми обществу приходится считаться.
Поэтому чрезвычайно в а ж н ы м становится вопрос о выработке
общей научной концепции, на основании которой можно было бы
сознательно, целеустремленно и с оптимальными результатами
осуществлять процесс взаимодействия м е ж д у обществом и природой.
В последние годы сформировалось новое междисциплинарное
интегративное
научное
направление — социальная
экология.
Она и д о л ж н а будет стать концептуальной основой теоретических разработок, ибо предметом ее исследований является биосоциальный процесс взаимоотношений м е ж д у обществом и окруж а ю щ е й его средой, а целью — определение оптимальных путей
развития и совершенствования процесса взаимодействия м е ж д у
ними при минимизации вредного воздействия хозяйственной деятельности человека на состояние о к р у ж а ю щ е й среды.
В конце 70-х годов был выдвинут тезис о том, что нет
такой отрасли науки, которая могла бы совершенно игнорировать з а д а ч и о х р а н ы природы и рационального природопользования. Сегодня это положение получило полное подтверждение на
практике. Вопросами охраны о к р у ж а ю щ е й среды и рационального
11
использования природных ресурсов активно з а н и м а ю т с я такие науки, к а к география, экономика, химия, физика, биология, история,
математика и другие науки.
Сегодня мы можем сказать, что полностью оправдалось предположение, высказанное выдающимся ученым В. И. Вернадским,
который считал, что в дальнейшем наши знания будут развиваться
не по наукам, а по проблемам. И на примере экологической проблемы это стало особенно очевидным.
Методологической основой социальной экологии служит диалектико-материалистический метод исследования всех процессов и
явлений, происходящих в природе и обществе, а ее своеобразным
стержнем стала экономика природопользования.
Что такое экономика прирбдопользования? Суть этого понятия можно определить следующим образом. Природные ресурсы,
составляя материальную основу развития общественного производства, выполняют исключительно экономическую функцию. Н о
в отличие от других средств производства, являющих собой воплощение овеществленного труда, они формируют о к р у ж а ю щ у ю природную среду и выполняют, следовательно, исключительно экологическую функцию.
И лишь вместе — природные ресурсы и природная среда ( к а к
правило, у ж е в измененном под воздействием человека виде) —
наряду с господствующими
производственными отношениями
составляют
эколого-экономическую
систему,
включающую
в себя природу и производство. Известно, что производство
возможно только в том случае, если средства производства соединяются с рабочей силой и разворачивается процесс сознательной
деятельности людей с целью получения потребительских благ. Иными словами, осуществляется процесс труда — процесс, в котором,
по словам К. М а р к с а , «человек своей собственной деятельностью
опосредствует, регулирует и контролирует обмен веществ м е ж д у
собой и природой».
Вместе с тем процесс труда осуществляется не абстрактно, а
в р а м к а х определенных общественных связей и отношений, а следовательно, характер соединения рабочей силы со средствами производства и цель производства определяют х а р а к т е р взаимоотношений общества с природой. В результате этого природные ресурсы и природная среда, господствующие
производственные
отношения вместе с самим обществом создают
эколого-социальноэкономическую
систему.
Здесь-то и становится в а ж н ы м подход к решению экологической
проблемы с позиций социально-экономической науки. Поэтому не
случайно вопросы экономики природопользования стали объектом
особой отрасли экономической науки, предметом изучения которой
являются отношения, складывающиеся в процессе взаимодействия
м е ж д у обществом и природой.
Экономика природопользования д о л ж н а способствовать разработке концепции рациональной государственной природоохранной
политики. Таким образом, основой системы природоохранной дея12
тельности д о л ж н о стать рациональное, сложившееся на комплексном научном подходе к использованию природных ресурсов, отношение общества, включающее в себя восстановление и умножение
возобновимых природных ресурсов, а т а к ж е создание особо охраняемых территорий путем изъятия отдельных участков природы и з
эксплуатации при обязательном соблюдении основных требований
целенаправленного, научно обоснованного преобразования
природы.
Экономика природопользования охватывает все аспекты природопотребления, начиная от вопросов исчерпаемости ресурсов
вплоть до производства конечного продукта и использования различного рода отходов. Поэтому в экономике природопользования
(как и вообще в социальной экологии) нельзя искусственно оторвать одно из направлений и рассматривать его в изоляции от всех
других процессов.
Землепользование связано с вопросами водопотребления, использования лесных ресурсов, добычи полезных ископаемых, особенно экстенсивными способами, когда нарушаются ландшафты на
значительных территориях.
Человечество должно понять, что нельзя надеяться на успешное развитие цивилизации без учета объективных законов самого
диалектико-материалистического процесса развития и саморазвития. И в этом плане весьма интересны экологические законы, приведенные американским ученым Б. Коммонером: 1) все связано
со всем, 2) за все надо платить, 3) ничто не проходит бесследно,
4) природа знает лучше.
В последнее время специалисты все больше внимания уделяют
именно такому комплексному подходу к проблеме взаимодействия
общества и природы. И х оценка зачастую звучит к а к предостережение о п р и б л и ж а ю щ е м с я экологическом кризисе, к а к предупреждение о возможной экологической катастрофе. В связи с этим
следует сказать, что само понятие «экологический кризис» д а л е к о
не однозначно. Например, в биологическом плане экологический
кризис — это разрушение экологических систем, вымирание живых организмов, снижение производительности природы, а т а к ж е
ухудшение условий ж и з н и людей. Непосредственной причиной этих
процессов является все возрастающее загрязнение о к р у ж а ю щ е й
среды. Научно-техническая причина экологического кризиса — это
технология современного производства, высокая степень интенсификации хозяйственных комплексов.
Социально-экономические корни экологического кризиса могут
быть представлены бесплановым и бесконтрольным ведением хозяйства, погоней за сверхприбылью, потребительским отношением
к природе, проявлением узковедомственных интересов, наличием
волевого, административно-командного способа управления хозяйством, нарушением научных принципов рационального природопользования.
Н а настоящий момент, видимо, нет оснований говорить о глобальном экологическом кризисе, хотя надо признать наличие край13
не неблагоприятной экологической ситуации не только в р а м к а х
отдельных регионов, но и в планетарном м а с ш т а б е . Н а и б о л е е пок а з а т е л ь н ы е примеры в этом отношении — рост концентрации
диоксида у г л е р о д а , оксидов азота, серы и д р у г и х з а г р я з н я ю щ и х
веществ в атмосфере.
Р е ш е н и е этих вопросов возможно лишь при объединении усилий к а ж д о г о г о с у д а р с т в а (на уровне национальной политики природопользования)
в р а м к а х современного м е ж д у н а р о д н о г о сот р у д н и ч е с т в а . В этой сфере социально-экономической
политики
в нашей с т р а н е было с д е л а н о достаточно много, хотя достигнутые
р е з у л ь т а т ы успешными н а з в а т ь нельзя.
П о ж а л у й , наиболее п о к а з а т е л е н в этом плане т р у д н ы й и драматический период истории нашей страны — первые годы советской власти.
Е щ е в 1918 г. был в п е р в ы е поставлен вопрос о создании единого г о с у д а р с т в е н н о г о органа по о х р а н е природы. Н о р е а л и з о в а т ь
э т у идею у д а л о с ь лишь к концу 1919 г. Т о г д а в р а м к а х Н а р о д н о г о
к о м и с с а р и а т а по д е л а м просвещения был с о з д а н Г о с у д а р с т в е н н ы й
комитет по охране природы, в с о с т а в которого вошли такие известные российские ученые, к а к Г. А . К о ж е в н и к о в , Н. М . К у л а г и н ,
Д . М . Россинский, В. И. Т а л и е в , в р а б о т е К о м и т е т а принимал активное участие русский путешественник П. Н. К о з л о в .
В основу деятельности К о м и т е т а были положены рекомендации,
р а з р а б о т а н н ы е научным отделом Н а р к о м п р о с а , причем вопросы
о х р а н ы природы, к а к о т м е ч а л о с ь
в
специальной
докладной
записке «О н у ж д а х о х р а н ы природы в Р С Ф С Р » , р а с с м а т р и в а л и с ь
как дело государственной важности.
Н е л ь з я не привести в ы д е р ж к у из этой записки, т а к к а к в ней
ярко проявляется то понимание, тот подход, на основе которых
с т р о и л а с ь п р и р о д о о х р а н н а я политика нашего г о с у д а р с т в а в первые
годы советской власти. Э т о тем более в а ж н о , что среди авторов
этого д о к у м е н т а были не только ученые — С. А . Б у т у р л и н , Г. А . Кожевников, Н. М . К у л а г и н , С. Ф . О л ь д е н б у р г , А . Н. С е в е р ц е в ,
В. И. Талиев, А . Е. Ф е р с м а н , — но и видные политические деятели
той эпохи.
В записке говорилось: « П р и р о д а я в л я е т с я для нас, с одной
стороны, источником материального благополучия, а с другой —
неисчерпаемым источником изучения и поучения. П о з н а т ь управл я ю щ и е природой законы — одна из грандиознейших з а д а ч , л е ж а щих
перед
человечеством,
выполнение
которой
сулит
нам
широкие практические
применения и великие
материальные
б л а г а , но д л я познания этих законов мы д о л ж н ы иметь перед
с о б о й п е р в о б ы т н у ю природу к а к предмет н а б л ю д е н и я и изучения
ее законов. . . .Если мы не поторопимся б е з о т л а г а т е л ь н о организ о в а т ь необходимые мероприятия д л я реальной о х р а н ы р у с с к о й
природы, то через некоторое время нам нечего б у д е т и о х р а н я т ь ,
и у нас о с т а н у т с я т о л ь к о воспоминания о б ы в ш и х наших естественных б о г а т с т в а х , которыми мы м о ж е м е щ е пока гордиться перед
другими странами.
14
Западная Европа слишком поздно взялась за дело охраны
природы, когда там уже не оставалось многих черт первобытной
растительности, ни большей части интересных животных, и при
этих условиях перед Российской Республикой лежит задача мировой важности — сохранить целый ряд животных форм, которых
нет нигде за пределами нашего Отечества и за судьбой которых
с интересом следит ученый мир всего света».
Эти слова, написанные в самом начале 20-х годов, лишнийраз
подтверждают, как много было потеряно в связи с тем, что
в последующие десятилетия были полностью отвергнуты многие разумные рациональные принципы природоохранной политики.
Итог известен — в настоящее время система природоохранных
мер в нашей стране нуждается в серьезной структурной перестройке. Это определяется рядом причин.
Первая — необычайные размеры нашей страны и масштабность
вовлекаемых в народное хозяйство природных ресурсов. По предварительным подсчетам, к началу 80-х годов суммарная народнохозяйственная ценность лесных ресурсов СССР составляла примерно 840 млрд. руб., ценность сельскохозяйственных угодий —
540 млрд. руб., ценность запасов полезных ископаемых —
460 млрд. руб. и ценность водных ресурсов (поверхностного стока
и ресурсов подземных вод) —250 млрд. руб. Таким образом, суммарная ценность только перечисленных природных ресурсов
превышает 2 трлн. руб., что превышает оценочную стоимость
национального богатства нашей страны без учета природных
ресурсов.
Иными словами, мы имеем дело с вовлечением в сферу народнохозяйственного денежного учета важнейших компонентов национального богатства, соизмеримых по стоимости с традиционно учитываемыми компонентами.
Но нельзя забывать об экологической значимости вовлекаемых
в народнохозяйственный процесс природных ресурсов. Например,
традиционно рассматривая лесные ресурсы как источник сырья,
мы допускаем серьезную ошибку. Известно, что именно из древесины как основной формы «лесного» сырья человек сегодня может
изготавливать более 2000 видов различного готового продукта, необходимого ему в повседневной жизни. Но ведь именно лес служит
тем уникальным «насосом», который перерабатывает и перекачивает «огрехи» человеческой деятельности. Известно, что в солнечный день, например, 1 га леса поглощает 220—280 кг диоксида
углерода и выделяет 180—220 кг кислорода, а все леса планеты
за год «пропускают» через себя более 550 млрд. т. диоксида углерода и возвращают человеку около 400 млрд. т кислорода. Кроме
того, леса поглощают большое количество пыли (1 га леса за
год — от 32 до 63 кг пыли в зависимости от своего состава), выделяют очень ценные для человека вещества — фитонциды, способные убивать болезнетворные микробы (1 га леса в сутки дает
2—4 кг фитонцидов, а 30 кг их достаточно для уничтожения вредных микроорганизмов в большом городе).
15
Несмотря на то что социалистическое государство имеет в вопросах природопользования определенные объективные преимущества — и это отмечают многие современные з а р у б е ж н ы е специалисты *, все ж е в нашей стране не удалось достаточно полно
обеспечить проведение рациональной политики природопользования. Так, в С С С Р отмечается снижение естественного плодородия
земель, сокращение гумуса в почве, неудовлетворительное состояние лесных ресурсов.
В атмосферу, например, выбрасывается более 65 млн. т вредных
веществ промышленными предприятиями и не меньшее количество — автомобилями, а содержание этих веществ в воздухе всех
промышленных центров превышает санитарные нормы, причем
в 104 городах с общей численностью населения 50 млн. человек
их концентрации нередко превышают допустимые нормы в 10 р а з
и более. •
Не лучше обстоит дело и с гидроресурсами. К началу второй
половины 80-х годов народное хозяйство использовало 400 км 3
воды (без орошения!), что составляет почти два годовых стока
Волги или восемь годовых стоков Д н е п р а . Почти повсеместно ухудшилось качество вод и особенно в реках З а п а д н о й Сибири — О б и ,
Иртыше, — в водах которых нефтепродуктов «накопилось» в 20 р а з
больше допустимой нормы. З а г р я з н я ю т с я не только реки, но и
моря. Так, например, концентрация фенола в Каспии превышает
допустимую норму в 9 раз, в Балтийском море — в 4 р а з а ; Аральское море практически по-всем «морским показателям» стало зоной настоящего экологического бедствия.
Известный советский ученый чл.-корр. А Н С С Р , народный депут а т С С С Р А. В. Яблоков нарисовал в своем выступлении на
I Съезде Советов весьма красноречивую картину. «Ситуация так о в а , — с к а з а л он, — 2 0 % населения нашей страны живет в зонах
экологического бедствия, еще 34—40 % — в экологически неблагоприятных условиях. В результате быстро растет заболеваемость,
с в я з а н н а я с ухудшением качества о к р у ж а ю щ е й среды».
Что ж е привело к столь неблагоприятной экологической ситуации? Почему, несмотря на большие средства, в к л а д ы в а е м ы е в проведение экологической политики, несмотря на принятие целого
ряда в а ж н ы х решений, все ж е не удалось достичь не только желаемых, но и необходимых результатов?
Здесь мы подошли ко второй причине, а вернее сказать, к цел о м у комплексу причин экономического, политического и идеологического характера, осложняющих развитие рационального
природопользования в нашей стране.
* Американский ученый эколог Б. Коммонер пишет в работе «Замыкающий круг»: «... Социалистическая система Советского Союза имеет важное
практическое преимущество перед системой частного предпринимательства. Всеобщее планирование промышленного и сельскохозяйственного производства
в масштабах всей страны... свойство, органически присущее советской системе»
(«Замыкающий круг». Л., 1974, с. 201).
16
В С С С Р з а щ и т а о к р у ж а ю щ е й среды и рациональное использование природных ресурсов возведены в ранг государственной политики. Конституция нашей страны предусматривает, что « . . . В интересах настоящего и будущего поколений в С С С Р принимаются
необходимые меры д л я охраны и научно обоснованного рационального использования земли и недр, водных ресурсов, растительного
и животного мира, д л я сохранения в чистоте воздуха и воды, обеспечения воспроизводства природных богатств и улучшения окруж а ю щ е й человека среды» (ст. 18) при одновременном обеспечении
того требования, что к а ж д ы й г р а ж д а н и н С С С Р о б я з а н беречь
природу и охранять ее богатства (ст. 67).
В нашей стране имеется целый р я д законодательных актов,
принятых Верховным Советом С С С Р на протяжении более 15 лет.
Так, можно назвать Основы земельного законодательства (1970 г.),
З а к о н об охране атмосферного воздуха (1980 г.), З а к о н об охране
и использовании животного мира (1980 г.). Р я д законов был принят и на уровне верховных советов союзных республик.
В 1972 г. (29 д е к а б р я ) Ц К К П С С и Совет Министров С С С Р
приняли Постановление «Об усилении охраны природы и улучшении использования природных ресурсов», которым з а к р е п л я л с я
ведомственный подход в вопросах охраны и использования природных ресурсов.
Узковедомственные
интересы,
административно-командный
способ управления стали причиной серьезных отклонений от научных принципов социалистического природоохранного курса.
З д е с ь нельзя не вспомнить чрезвычайно в а ж н ы е по своему социально-политическому звучанию слова академика В. С. Немчинова, который писал, что «стихия волюнтаризма в условиях социал и з м а может привести к не менее серьезным последствиям, чем
стихия конкуренции на З а п а д е » .
Поэтому предпринимаемые до сих пор меры не д а ю т необходимого результата. Так, например, если с 1974 г. природоохранные
мероприятия стали обязательной составной частью годовых планов
экономического развития страны, а с 1981 г. они включаются у ж е
в виде разделов по охране природы в пятилетние п л а н ы , — их
научная и методологическая обоснованность остается д а л е к о несовершенной. И не случайно получилось так, что вложенные в дело
охраны природы за последние две пятилетки 63 с лишним милл и а р д а рублей не обеспечили снижения ресурсо- и энергоемкости
производства, не д а л и ощутимого снижения загрязнения о к р у ж а ю щей среды, а н а ш а страна, по мнению советского эколога Н. Ф. Реймерса, в вопросах охраны природы и рационального использования природных ресурсов отстает от развитых государств на 15—
20 лет.
К сожалению, не удалось решить задачи, поставленные в разделе «Охрана о к р у ж а ю щ е й среды, рациональное использование
природных ресурсов» в р а м к а х «Основных направлений экономического и социального развития С С С Р на 1986—1990 годы и на
период до 2000 года». П о существу это была программа важней2
Заказ № 33
17
ших мероприятий, направленных на с о в е р ш е н с т в о в а н и е экологической политики в у с л о в и я х ускорения социально-экономического
развития страны.
К концу в о с ь м и д е с я т ы х годов предполагалось обеспечить проведение мер по р а ц и о н а л ь н о м у использованию земельных й водных, лесных и д р у г и х природных р е с у р с о в нашей страны. Н а м е ч а л о с ь широкое внедрение новых, в т о м числе м а л о о т х о д н ы х технологий, использование новых форм и методов эколого-экономического планирования и т. д.
К а к п р е д с т а в л я л о с ь , комплексный подход к в о п р о с а м природоохранной политики д о л ж е н был обеспечить и м а к с и м а л ь н о широкий географический о х в а т проводимых мероприятий, в том числе
оз. Б а й к а л , бассейны Балтийского, Каспийского, Черного и А з о в ского морей, водоемы А р к т и ч е с к о г о бассейна, Средней Азии, К а з а х с т а н а и Д а л ь н е г о В о с т о к а , тысячи м а л ы х рек и в о д о х р а н и л и щ ,
которым т р е б о в а л о с ь оказание серьезной экологической помощи.
О д н а к о д а ж е за последние два-три года реальных изменений
в природоохранной политике не произошло. Э т о о б ъ я с н я е т с я сохранением целого ряда пережитков, у ж е полностью скомпрометир о в а в ш и х себя политических, экономических и идейно-теоретических подходов к о с у щ е с т в л е н и ю г о с у д а р с т в е н н о й природоохранной
политики.
Н е менее в а ж н ы м в данном вопросе я в л я е т с я и вопрос информированности
специалистов, ученых, широкой
общественности
о состоянии о к р у ж а ю щ е й среды. Непонимание с л о ж н о с т и экологической ситуации приводит к принятию ошибочных решений,
а в итоге — к о ш и б к а м в выборе принципиальных направлений
в решении экологической проблемы. Э т о становится чрезвычайно
в а ж н ы м именно сейчас, когда у ж е ведется р а б о т а по о б о с н о в а н и ю
специальной Экологической программы, которая бы могла действовать н а р а в н е с Продовольственной, Энергетической и другими прог р а м м а м и о б щ е г о с у д а р с т в е н н о г о значения.
С этой ц е л ь ю при Г о с у д а р с т в е н н о м комитете по н а у к е и технике С С С Р с о з д а н а специальная р а б о ч а я группа, приступившая
к формированию основных направлений такой программы.
О д н а к о , по мнению одного из членов этой рабочей группы, известного экономиста-эколога профессора М . Я. Л е м е ш е в а , у ж е изначально были д о п у щ е н ы
серьезные ошибки. Во-первых, это то,
что на создание такого м а с ш т а б н о г о по с о д е р ж а н и ю д о к у м е н т а
даны нереально короткие сроки.
В о - в т о р ы х , с л е д у е т признать, что при определении задач, пос т а в л е н н ы х перед группой, был проявлен «традиционный» формальный подход, т. е. ведомственный. Э т о не с у л и т ничего, кроме
новых бед. Д е л о в том, что решением Г К Н Т министерствам и вед о м с т в а м , ранее отвечавшим за о х р а н у отдельных видов природных р е с у р с о в , — М и н в о д х о з у , Г о с л е с х о з у , Мингео, М и н р ы б х о з у ,
Г о с к о м г и д р о м е т у С С С Р — было поручено в срочном порядке выд а т ь т а к н а з ы в а е м ы е контрольные цифры, — то есть з а д а н и я по
о х р а н е природы, на основании которых д р у г и е министерства и ве18
j
'
I
J
домства д о л ж н ы р а з р а б о т а т ь природоохранительные мероприятия
по своим отраслям. Свод таких заданий и составит государственную программу.
Однако нельзя не сказать о том, что при разработке Государственной экологической программы использовались основные пол о ж е н и я концепции экологической
деятельности,
сформулированные в «Проекте основных положений общеакадемической прог р а м м ы биосферных и экологических исследований на период
д о 2015 г.»
Поэтому особое внимание уделяется тому, чтобы соединить экологические и экономические факторы природопользования, ибо
по-настоящему оно может быть экономичным только при условии
экологичности. Но при такой глубокой перестройке всех природоохранных структур, несомненно, придется столкнуться с многочисленными социально-экономическими, политическими и идеологическими проблемами.
В разработках, предложенных А Н С С С Р и использованных
при составлении Государственной экологической
программы,
предусматривается проведение фундаментальных
экологических
исследований, в том числе в области эволюции биосферы, энергои массообмена в биосфере, в химии биосферы, биологических аспектов охраны природы и, наконец, р а з р а б о т к у методологии системных исследований и математического моделирования биосферных процессов.
Конечно, д л я практического осуществления государственной
природоохранной политики в а ж н ы и те меры, которые будут направлены на решение конкретных вопросов, а именно: экономичес к а я оценка природных ресурсов; определение экологического
ущерба; введение более строгих правовых гарантий охраны природных ресурсов и т. д.
Н е менее сложен вопрос и о деятельности специального вневедомственного государственного природоохранного органа. Постановлением Ц К К П С С и Совета Министров С С С Р в я н в а р е
1988 г. был создан Государственный комитет по охране природы.
Он предполагался к а к центральный орган государственного управления в области охраны природы и использования природных ресурсов и наряду с советами министров союзных республик д о л ж е н
нести всю полноту ответственности за охрану природы, организацию рационального использования и воспроизводство природных
ресурсов.
Круг з а д а ч Госкомприроды С С С Р был чрезвычайно разнообразен — от разработки и осуществления концепции комплексной научно обоснованной государственной природоохранной политики до
организации распространения природоохранных знаний среди широких масс населения.
Одним из важнейших положений, которое, к а к предполагалось,
д о л ж н о было определить особый статус Госкомприроды С С С Р ,
являлось то, что решения, им принимаемые в' пределах соответствующей компетенции, являются обязательными д л я исполнения
13*
19
всеми министерствами, ведомствами, объединениями, предприятиями и организациями.
З д е с ь с л е д у е т иметь в виду, что все объединения, предприятия
и организации в с о с т а в е долговременных экономических нормативов п о л у ч а ю т и нормативы п л а т ы за природные р е с у р с ы , а т а к ж е
нормативы платы за выбросы з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в в природную
среду.
П а р а л л е л ь н о с этим в Госкомприроде С С С Р с о з д а е т с я специальный резервный фонд о х р а н ы природы за счет отчислений о т
взимаемых п л а т е ж е й в виде нормативной п л а т ы за в ы б р о с ы заг р я з н я ю щ и х в е щ е с т в в природную среду, а т а к ж е от средств, взыс к и в а е м ы х с н а р у ш и т е л е й природоохранного з а к о н о д а т е л ь с т в а .
Н о Г о с к о м п р и р о д а С С С Р д о л ж е н был стать «суперминистерством», получить право н а л о ж е н и я «вето» на неприемлемые с экологической точки зрения проекты л ю б о г о м а с ш т а б а и значения.
О ш и б к а , д о п у щ е н н а я сегодня в экологическом вопросе, м о ж е т
о б е р н у т ь с я з а в т р а невосполнимыми экологическими, экономиче- j
скими и д а ж е порой непоправимыми политическими последствиями.
Н е л ь з я з а б ы в а т ь о том, что среди серьезных причин межнациональной напряженности в е с ь м а о щ у т и м ы м ф а к т о р о м я в л я ю т с я те j
экологические беды, которые испытали на себе в р е з у л ь т а т е ведомственной политики отдельные союзные республики.
В 1991 г. Госкомприроды С С С Р п р е о б р а з о в а н в; М и н и с т е р с т в о
о х р а н ы о к р у ж а ю щ е й среды. Его роль д о л ж н а быть м а к с и м а л ь н о j
активной, а его положение отличаться от того, которое з а н и м а ю т
д р у г и е министерства и г о с у д а р с т в е н н ы е комитеты. Э т о тем более
в а ж н о , что в понятие природоохранной политики в х о д я т и т а к и е ;
вопросы, к а к природоохранное (экологическое) о б р а з о в а н и е и вое- :
питание. П о с л о в а м А. Я- Я б л о к о в а , одним из о щ у т и м ы х препятствий на пути решения экологической проблемы в С С С Р я в л я ю т с я
«экологическое невежество, экологическая близорукость, экологический а в а н т ю р и з м и экологическая безнравственность».
П о э т о м у чрезвычайно в о з р а с т а е т значение экологического образования. Е щ е в 1977 г. в решениях специальной конференции
по вопросам о б р а з о в а н и я в о б л а с т и о к р у ж а ю щ е й среды, проводившейся в Тбилиси по линии Ю Н Е С К О и Ю Н Е П , было с к а з а н о
о необходимости организации системы непрерывного экологичес к о г о образования. Э т о означает, что начиная с д е т с к о г о с а д а ,
через с р е д н ю ю и в ы с ш у ю школы, а т а к ж е через систему переподготовки к а д р о в высшей квалификации необходимо постоянно осущ е с т в л я т ь экологическое о б р а з о в а н и е и воспитание. В З а к л ю ч и тельном д о к л а д е на этой конференции подчеркивалось, что окруж а ю щ а я с р е д а о х в а т ы в а е т с о ц и а л ь н у ю , к у л ь т у р н у ю , а т а к ж е фи- ;
зическую о к р у ж а ю щ у ю среду, и, следовательно, анализ д о л ж е н
у ч и т ы в а т ь взаимосвязь м е ж д у естественной о к р у ж а ю щ е й средой,
ее биологическими компонентами, а т а к ж е социальными и куль- :
турными факторами.
Ч т о к а с а е т с я экологического о б р а з о в а н и я в нашей с т р а н е и,
в частности постановки этого вопроса в высшей школе, то оче20
видно явное недопонимание значимости проблемы. Отсутствиеопытных и хорошо подготовленных преподавательских кадров, узко>
специализированный подход различных учебных заведений, заинтересованных в развитии в основном т а к называемой «прикладной
экологии», — это лишь отдельные трудности, преодоление которых,
необходимо прежде всего в интересах решения самой экологической проблемы.
Экологическая подготовка сегодня нужна работникам и специалистам (как рядовым, т а к и руководящим) практически во всех,
отраслях народного хозяйства. Это требование относится и к системе гидрометобеспечения.
В заключение необходимо с к а з а т ь еще раз о том, что г л о б а л ь ный характер экологической проблемы з а с т а в л я е т учитывать тотфакт, что предотвращение экологического кризиса возможно лишь
усилиями всех современных государств. Вопросы социальной экологии проявляются в разных странах по-своему. Здесь необходимо»
учитывать и географическое расположение государства (его природные условия и возможности) и степень развитости экономики:
страны (в том числе технологический уровень) и социально-экономическую направленность развития данного государства.
Однако вне зависимости от социального строя все страны 1
д о л ж н ы внести свой в к л а д в решение общечеловеческой г л о б а л ь ной проблемы. Здесь в первую очередь следует назвать такиеформы межгосударственного сотрудничества, к а к создание специальных международных природоохранительных органов и о р г а низаций *.
В 1972 г. в Стокгольме состоялась Конференция по проблемам:'
о к р у ж а ю щ е й человека среды. Одним из ее важнейших р е з у л ь т а тов стало выделение нового вспомогательного органа О О Н , который по своему устройству и х а р а к т е р у деятельности п р и р а в н и вается к международной организации — П р о г р а м м ы О О Н по окруж а ю щ е й среде ( Ю Н Е П ) . Структура, основные направлениядеятельности этой организации позволяют получить достаточно»
широкое представление о современном состоянии процесса взаимодействия общества и природы в глобальном, региональном и субрегиональном м а с ш т а б а х и р а з р а б о т а т ь на этом основании с и с т е м у
мер, способствующих координации природоохранной деятельности
государств и международных организаций.
Советский Союз принимает активное участие в работе Ю Н Е П , .
а т а к ж е является одним из участников выполнения экологических,
программ в р а м к а х таких организаций, к а к ВМО, Е Э К ООН,.
Ю Н Е С К О , М С О П и другие. В С С С Р созданы и работают национальные комиссии по д е л а м Ю Н Е С К О и Центра международных;
* ЮНЕСКО—Организация ООН по вопросам образования, науки и культуры*.
ЮНЕП — Программа ООН по окружающей среде,
ВМО — Всемирная метеорологическая организация,
ЕЭК — Европейская экономическая комиссия ООН,
МСОП — Международный союз охраны природы.
2Й
п р о е к т о в Ю Н Е П . П о д эгидой Ю Н Е П совместно с В М О и Ю Н Е С К О
в 1979, 1981, 1983 г о д а х ( Р и г а , Тбилиси, Таллинн) были проведены
м е ж д у н а р о д н ы е симпозиумы по комплексному г л о б а л ь н о м у мониторингу о к р у ж а ю щ е й среды.
И т а к , мы видим: современная экологическая ситуация, сложивш а я с я под воздействием целого ряда экологических, экономических
и социальных
причин, т р е б у е т
к
себе
самого
пристального внимания со стороны к а ж д о г о г о с у д а р с т в а и всего
человеческого с о о б щ е с т в а .
1. ОХРАНА АТМОСФЕРЫ
ГЛАВА 1. ПРИРОДА И СВОЙСТВА
ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ПРИРОДНУЮ СРЕДУ ВЕЩЕСТВ
1.1. Введение
Проблема загрязнения среды обитания человека насчитывает
несколько столетий (известен, например, эдикт (указ) Карла "VI
от 1382 г., запрещавший выпускать в Париже «дым тошнотворный;
и плохо пахнущий»). Однако до развития промышленности загрязнение среды носило ограниченный характер как по месту и
времени распространения, так и по количеству и вредному воздействию загрязняющих веществ на живые организмы. Обстановка
резко изменилась в связи с ростом промышленного производства
и населения городов (урбанизацией). В общем виде проблема сводится к тому, что человек в процессе хозяйственной деятельности
создает отходы, которые не пускаются в дальнейший круговорот(из-за несовершенства современных технологий или по экономическим соображениям). К этому следует добавить резкое увеличение потребления и получающую все большее распространение
(в промышленно развитых странах) привычку выбрасывать вещи
не только тогда, когда они износились (отслужили), но и по соображениям моды. Среди отходов производства и жизнедеятельности человека много таких веществ (минеральных и органических), которые не поддаются биологическому разрушению (пластики, некоторые пестициды, керамика, нержавеющие металлы,
радиоактивные изотопы и т. д.).
Прежде чем переходить к анализу загрязняющих атмосферу
веществ дадим, определение термина «загрязнение». .Под загрязнением^ экологии понимают неблагоприятное изменение окружающей среды, которое целиком или ча.стилно является результатом деятельности человека, прямо или косвенно меняет распределение приходящей энергии, уровни радиации, физико-химические
свойства среды и условия существования живых организмов;
Эти изменения м^гут влиять на человека непосредственноили через воду и продукты питания. Они также могут воздействовать на человека, ухудшая-свойства используемых им вещей,,
условия отдыха и работы.
На первом месте среди источников загрязнения среды стоят
ископаемые углеводороды
(уголь, нефть, газ),
поскольку
при их сгорании образуется большое количество отходов.
Несмотря на то что употребление углеводородов в качестве топлива нельзя признать не только нормальным, но и разумным
23
{именно в такой резкой форме это подчеркивает акад. Н. Н. Семешов), невозобновляемые ископаемые в основном сжигают с целью
получения энергии (во Франции, например, только 7 % привозной
нефти используется в качестве первичного сырья в органической
химди).
^Загрязняющие атмосферу вещества по их воздействию на организм человека подразделяются на физические и химические.
Д с&шц^есш^_рта9сятся^_а)^адиоактивные элементы, являющиеся—,
"источником ионизирующей радиации; В)*~ГёйЖ>¥бе"1}агрязнение
"
Таблица 1.1
Масса (т/год) загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу
Вещество
Оксид углерода (СО)
.Диоксид серы (S0 2 )
"Оксиды азота (N0*)
Аэрозоль (твердые частицы)
Полихлорвиниловые вещества,
«фреоны
Озон (0 3 )
-Углеводороды
•Свинец (РЬ)
Ртуть (Hg)
Естественные поступления
_
1,4 • 108
1,4.10е
(7,7-4-22,0) • 1010
2,0 - 1 0 9
1,0 • 10е
—
Антропогенные выбросы
3 , 5 • 108
1,45 • 108
(1,5-4-2,0) • 107
(9,6-4-26,0) • 1010
2 , 0 • 106
—
1,0 • 106
2,0 • 10s
5 , 0 • 103
•(повышение температуры); в) шумы и низкочастотные вибрации
"(инфразвук); к химическим— а) газообразные производные углерода и жидкие углеводороды; б) моющие средства, в) пластмассы; г) пестициды и другие синтетические вещества; д) производные серы; е) производные азота; ж) тяжелые металлы; з) соединения фтора; и) твердые примеси; к) органические вещества.
По условиям образования все вещества, загрязняющие атмосферу, делятся на примеси естественного и искусственного (антропогенного) происхождения.
Примеси естественного происхождения поступают в атмосферу
в результате вулканической деятельности, выветривания почвы
и горных пород, лесных пожаров, отмирания
растений,
волнения
,
;
г
моря (сопрш'ождающегобя образоваШШ~ брызг) тп£5 бр5йя мете-
оритов.
'" '
"
Примеси антропогенного происхождения образуются прежде
всего в процессе сжигания ископаемого топлива (в двигателях
Шутреннего сгорания, на тепловых электростанциях, в отопительных системах), а также при сжигании промышленных и бытовых
•отходов/ядерных взрывОВ'и д р - . ~
Представление о количестве и соотношении поступающих
:в атмосферу примесей естественного и антропогенного происхождения можно составить по данным табл. 1.1.
24
Общая масса мировых промышленно-бытовых выбросов составляет, примерно 600 Гт в год. За последние 100 лет в атмосферу
поступило 1,35 Мт кремния, 1,5 Мт мышьяка, более 1 Мт никеля*
и столько же кобальта, по 0,6 Мт цинка и сурьмы.
По составу примеси, поступающие в атмосферу, подразделяются на газообразные, твердые и жидкие. При этом на долю газообразных веществ (оксид углерода, диоксид и другие производныесеры, углеводороды, оксиды азота, органические соединения) приходится около 90 %, а на долю/твердых (пыль, тяжелые металлы,,
минеральные и органические соединения, радиоактивные вещества)— около 10%; масса жидких примесей (серная кислота)
мала по сравнению с массой газообразных и твердых. Правда,,
в составе твердых примесей практически всегда присутствует вода,,
содержание которой тем больше, чем выше относительная влажность воздуха.
При сжигании всех видов топлива образуются и затем поступают в атмосферу водяной пар и диоксид углерода, которые
содержатся в атмосфере в естественных условиях и не оказывают
вредного воздействия на человека. По этой причине данные газы,
не относятся к загрязняющим
атмосферу
веществам,
хотя
на их долю приходится большая часть всех выбросов антропогенного происхождения.
1.2. Оксид углерода
Оксид углерода (СО), называемый в быту угарным газом,—
самая распространенная и наиболее значительная (по массе)
примесь атмосферы. В ^естественнщ„„у.саю_виях содержание СО1
в атмосфере очень мало: оно колеблется от сотых долей
до 0,2 млн - 1 (напомним, что содержание диоксида углерода
в среднем составляет 325 млн - 1 ). Основная масса СО.„о.браз.уется
в процессе сжигания ископаемого топлива. При этом двигатели
внутреннего сгорания являются главными источниками оксида
углерода. В США, например, автомашины ежегодно выбрасывают
свыше 120 Мт этого газа. Максимальное количество СО образуется в период прогревания двигателя, а также в случае переобогащенной смеси. Объем оксида углерода может достигать 10 %.
объема выхлопных газов.
|
Общая масса СО, выбрасываемая в атмосферу, оценивается/ (по состоянию на 1988 г.) примерно в 380 Мт, при этом за счет
I сжигания бензина — около 270 Мт, угля—15 Мт, дров—15 Мт„
' промышленных отходов — 35 Мт и лесных пожаров—15 Мт.
Содержание СО в крупных городах колеблется от 1
до 250 млн- 1 при среднем значении около 20 млн - 1 . Наиболеевысокое содержание СО (значительно превышающее ПДК — некоторую нормативно установленную концентрацию загрязняющего
вещества, при которой оно не оказывает значительного отрицательного воздействия на организм и условия (качество) жизни человека. Различают разовую и суточную ПДК, характеризующие25
-степень кратковременного (обычно не более 20—30 мин) и длительного влияния данного вещества на организм человека) наблюдается на улицах и площадях городов с интенсивным движением автотранспорта, особенно в автомобильных пробках.
1.3. Диоксид серы
Диоксид серы, или сернистый газ (S0 2 )—второе (по массе)
загрязняющее атмосферу вещество. Основная (практически единI ственная) пр ичина наличия S0 2 в атмосфере — использование
I человеком искотаемб^зшдЩа," вТаерунГочёреЖ'угяягТЙШШ!!^
I .любое" топливо ""содержит большее "или меньшее Шли
серы
I(OT долей процента до 5—7 %). Согласно оценкам, в тропосферу
ежегодно выбрасывается около 145 Мт SO2, причем 70% этих
выбросов образуются при сжигании угля и 16%—жидкого топлива (особенно, мазута).
Разрушение S0 2 в атмосфере происходит в результате воздействия ультрафиолетовой радиации, которая способствует образованию серного ангидрида (S0 3 ) по реакции ,
2SO, + 0 2
2SO, + 185 кДж.
При контакте с водяным паром образуется сернистая кислота
S0 2 + Н 2 0 = H 2 S0 3 + 76 кДж.
В загрязненной влажной атмосфере происходит также реакция
S0 2 -f N0 2 + Н 2 0 - t H 2 S0 4 + NO,
приводящая к образованию серной,щслоты (HgSQtJj....В атмосферу
поступает еще одно соединение 'серы— сероводород (H2S7;"~
антропогенная эмиссия которого невелика; большая же часть
его производится микроорганизмами в почве и морской среде
(около 100 Мт/год).
Оксиды серы ощутимо ускоряют в городах коррозию металл о в — в 1,5—5 раз по сравнению с сельской местностью. В одном
из городов США увеличение концентрации S 0 2 в 3 раза сопровождалось увеличением скорости коррозии цинка в 4 раза. Особенно чувствительны к загрязнению атмосферы нейлоновые ткани
.(прежде всего, чулки).
1.4. Соединения азота
Значительное количество оксида азота NO и диоксида азота
ТЧ02 образуется в процессе горения при высокой температуре,
! прежде всего в двигателях внутреннего сгорания, работающих
на бензине и дизельном топливе.
^Диоксид азота — устойчивый газ желтого цвета, в большинстве
«случаев придающий воздуху в городах коричневатый оттенок.
Под влиянием ультрафиолетовой радиации N0 2 разрушается,
шереходя в NO. Разрушение N0 2 происходит также при темпера:2б
туре выше 600 °С, что объясняет более высокое содержание NO
по сравнению с содержанием N0 2 в выхлопных газах автомобилей. Диоксид азота образуется уже в воздухе при распространении выхлопных газов по реакции
2 N 0 + 0 2 ^ - 2 N 0 2 + 120 к Д ж .
Общая масса N0 2 , ежегодно выбрасываемого в атмосферу
в процессе деятельности человека, оценивается в 15—20... Мт,
что составляет примерно 0,1 массы "этого газа, образующегося
естественным путем (вулканы, грозовая деятельность, микроорганизмы).
Диоксид азота.сохраняется в атмосфере в среднем около трех.
суток. При взаимодействии с водяным паром он превращается
в азотную кислоту и другие нитраты. Последние возвращаются
в почву вместе с осадками, чем объясняется хорошо известное
свойство снега — удобрять почву.
1.5. Углеводороды
Основным естественным; источником 'углевшрродов .являются
растения (на их долю приходится около Г Гт в год), а антропогенным— автотранспорт (двигатели внутреннего сгорания и топливные баки ~1ШтбШбШей). В США из 32 Мт углеводородов,
ежегодно выбрасываемых в атмосферу, больше половины приходится на двигатели внутреннего сгорания (в которых топлива
не полностью сгорает), около 14%—на промышленные выбросы
и около 27 % — на остальные источники. При неполном сгорании
происходит к трму же..образование (синтез) опасных 'Канцерогенных циклических углеводородов. Особенно много канцерогенных
(вызывающих рак легких) углеводородов содержится в гудронах
и саже, выбрасываемых дизельными двигателями и отопительными системами. Хотя путем хорошей регулировки двигателя
и умелого управления автомобилем можно добиться некоторого
снижения выбросов, дизельный двигатель занимает одно из первых
мест среди источников загрязнения атмбеферьГ'канцерогенным»
веществами.*
Согласно данным специальных исследований, каждый американский автомобиль в среднем на 1 км пробега выбрасывает 30 г
оксида углерода, 4 г оксидов азота и 2 г углеводородов.
Назовем еще акролеин — очень токсичное и раздражающее
вещество, — которое поступает в атмосферу не только в районах.
* Коль скоро речь зашла о канцерогенных веществах, то обратим лишний
раз внимание на вред курения — добровольного загрязнения организма курящего, его жилища или общественных мест дымом, в составе которого, помимовсего прочего, немало канцерогенных веществ. По этой причине в среднем:
каждые 2—3 ч один человек из миллиона погибает от курения (для сравнения
укажем, что в автокатастрофах один человек погибает каждые 2—3 дня, от употребления спиртного каждые 4—5 дней).
27"
з а в о д о в , производящих его, но и вместе с выхлопными газами,
•содержащими продукты неполного сгорания топлива.
1.6. Твердые примеси (аэрозоль)
К а к и в случае газообразных з а г р я з н я ю щ и х веществ к аэроз о л я м естественного происхождения — твердым и жидким частицам, взвешенным в воздухе, — добавилось значительное количес т в о аэрозолей антропогенного происхождения.
Р а з м е р (радиус) твердых частиц, наблюдаемых в атмосфере,
^колеблется в широких пределах: от тысячных и сотых долей
д о нескольких десятков микрометров (при пыльных бурях размеры
частиц, переносимых ветром, увеличиваются до 100 мкм и более).
В зависимости от р а з м е р а аэрозольные частицы д е л я т на три
к л а с с а : мелкие или микроскопические (тонкодисперсные), радиус о м г < 0 , 1 мкм, средние (среднедисперсные), г = 0 , 1 — 1 мкм
и крупные (грубодисперсные), г > 1 мкм. Среди тонкодисперсных
аэрозолей выделяют группу частиц, о б л а д а ю щ и х гигроскопическими свойствами. Эти частицы н а з ы в а ю т ядрами
конденсации
(они с л у ж а т з а р о д ы ш а м и капель облаков и т у м а н о в ) . Нередко
мелкие частицы несут на себе положительный или отрицательный
.заряд электричества. В этом случае они носят название ионов
(легких или т я ж е л ы х ) .
П о физико-химическим свойствам аэрозоли д е л я т на: пыль
и сажу 1(твердые''чаШаасы| , т™ШШ ""(сиаьно обводнннюе""та
и капли (тумана, облаков, осадков). Подчеркнем, что в реальных
условиях и частицы пыли в какой-то степени всегда обводнены,
& капли всегда с о д е р ж а т ядро конденсации (масса которого,
п р а в д а , ничтожна м а л а по сравнению с массой воды). К а п л и
облаков, туманов и осадков мы не будем относить к аэрозолям
(считать примесями), поскольку они имеют естественное происхождение. Л и ш ь незначительная часть антропогенных аэрозолей
.имеет ж и д к у ю структуру (например, серная кислота).
По форме частицы аэрозоля принято делить на: а) сферические, б) изометрические (правильные многогранники), в) плас т и н к и (протяженность в двух измерениях значительно больше,
•чем в третьем), г) иглы, волокна, призмы, д) сложные агрегаты
(длинные цепочки с ответвлениями, звездочки).
Несколько подробнее остановимся на характеристике тонкодисперсного аэрозоля, поскольку он, помимо влияния на организм
человека, вносит существенный в к л а д в . поглощение р а д и а ц и и
и, к а к следствие, в изменение термического р е ж и м а атмосферы.
'Образование частиц тонкодисперсного аэрозоля происходит непрерывно из газообразных примесей, их число обычно равно
10 3 —Ю 4 в 1 см 3 , радиус всегда меньше нескольких десятых микрометра, а концентрация исчисляется м и к р о г р а м м а м и в 1 м 3 .
•Согласно имеющимся оценкам, глобальная масса тонкодисперс:ного аэрозоля в среднем близка к 50 Мт; скорость его образования составляет около 5000 М т / г о д (т. е. за год масса аэрозоля
28
в атмосфере обновляется около 100 раз, другими словами скорость
его образования примерно в два раза превышает скорость обновления водяного пара в атмосфере).
В образовании тонкодисперсного аэрозоля из поступивших
в атмоеферу газов естественного и искусственного происхождения
(NO2, SO2, терпены, продукты горения и гниения) участвует
солнечная радиация и другие излучения, а также водяной пар.
Наиболее крупные (порядка Ю -1 мкм) частицы растворимых
веществ увеличиваются при росте относительной влажности
настолько, что становятся зародышами капель облаков и туманов
(т. е. ядрами конденсации). Более мелкие частицы (в первую
очередь, нерастворимых веществ) сохраняются в первоначальном
виде, образуя самостоятельную
фракцию
тонкодисперсного
аэрозоля.
В составе аэрозоля всегда присутствуют четыре группы
веществ: сульфаты, органические соединения, твердый углерод
и вода, относительное содержание которых колеблется в широких
пределах, отражающих условия образования газов-предшественников (включая географическое распределение растительности
и режим ее жизнедеятельности) и влияние метеорологических
условий на распространение аэрозоля в атмосфере.
Твердый углерод — это различного вида сажа, радиус частиц
которой в момент образования близок к 0,003—0,005 мкм, а концентрация весьма изменчива— от Г мкг/м 3 в особо чистых районах до 10—30 мкм/м3' в сильно "задымленных. Вскоре после образования частицы сажи объединяются в хлопья радиусом в несколько сотых микрометра, захватываются частицами другой
природы (например, каплями осадков) и удаляются из атмосферы
через интервалы времени, колеблющиеся от нескольких десятков
часов до 1—2 недель. Общая масса сажи в атмосфере оценивается
примерно в 5 Мт, а скорость поступления — около 500 Мт/год. Для
сравнения приведем оценки глобального содержания углерода
в составе диоксида углерода (примерно 7-10 3 Мт) и скорости его
поступления из естественных (2-Ю5 Мт/год) и антропогенных
(5-103 Мт/год) источников. Таким образом, скорость поступления
в атмосферу твердого углерода составляет около 10 % скорости
выброса газообразного углерода и быстро растёт по мере увеличения объема сжигаемого топлива.
Роль сажи в атмосфере определяется не только вредным воздействием на человека, прежде всего на органы дыхания, но и тем,
что из всех составляющих аэрозоля сажа наиболее сильно поглощает солнечную и земную радиацию в широком диапазоне длин
волн (от 0,25 до 13 мкм) и тем самым может оказывать существенное влияние на термический режим атмосферы и земной поверхности. Оценки показывают, что если бы частицы сажи оседали равномерно, то земная поверхность покрылась бы слоем сажи толщиной до 1 мкм с альбедо всего лишь около 2 %. В действительности
•основная масса сажи вымывается выпадающими на землю осадками.
29
О д н а к о с а ж а , в ы п а в ш а я на снежный или ледяной покров, распределяется по всей толщине и длительное время с о х р а н я е т с я . П о
этой причине альбедо снега у м е н ь ш а е т с я д о 90 % при среднем и
д о 30 % при сильном загрязнении (при альбедо, равном 100 %
в с л у ч а е чистого с н е г а ) , что значительно у с к о р я е т процесс т а я н и я
снега. Значительно т а к ж е влияние с а ж и на а л ь б е д о о б л а к о в . В о д ная с о с т а в л я ю щ а я тонкодисперсного аэрозоля практически не пог л о щ а е т р а д и а ц и ю в интервале длин волн 0 , 2 5 — 1 3 мкм и тем
с а м ы м не о к а з ы в а е т влияния на термический р е ж и м а т м о с ф е р ы .
Р о л ь с у л ь ф а т о в (соединений серы) значительна п р е ж д е в с е г о
потому, что наиболее крупные частицы их с л у ж а т я д р а м и конденсации, определяющими у с л о в и я о б р а з о в а н и я и м и к р о с т р у к т у р у
о б л а к о в и туманов. В е л и к о с о д е р ж а н и е с у л ь ф а т о в в д ы м к а х — широко распространенном явлении (особенно в г о р о д а х ) , о к а з ы в а ю щем существенное влияние на радиационный теплообмен и альбедо планеты.
В связи с увеличением
антропогенных выбросов
сульфатов
в последние десятилетия заметно возросла их биологическая активность, с о п р о в о ж д а ю щ а я с я отравлением растительности и ж и вотного мира (это т а к н а з ы в а е м ы е кислотные д о ж д и ) .
Н а и м е н е е активна (в отношении поглощения радиации и влияния на к л и м а т ) органическая с о с т а в л я ю щ а я аэрозоля. В х о д я щ и е
в его с о с т а в многочисленные органические соединения о б л а д а ю т
сильными полосами поглощения, которые, однако, п е р е к р ы в а ю т с я
полосами поглощения водяного пара или н а х о д я т с я в о б л а с т и
с п е к т р а с очень малой интенсивностью излучения.
В к л а д антропогенных выбросов в общий б а л а н с аэрозоля с у щ е с т в е н д л я всех его с о с т а в л я ю щ и х (для т в е р д о г о у г л е р о д а он
п р е о б л а д а е т над естественным, д л я с у л ь ф а т о в и органического
в е щ е с т в а с о с т а в л я е т примерно 25 % естественного) и со временем
п р о д о л ж а е т увеличиваться.
Н а з о в е м д р у г и е в е щ е с т в а , в ы б р а с ы в а е м ы е в атмосферу и
оказывающие
вредное
воздействие на организм человека, ж и вотной и растительный мир. О т м е т и м , что о б щ е е число загрязняющих атмосферу в е щ е с т в исчисляется несколькими сотнями.
В а ж н ы м источником загрязнения а т м о с ф е р ы с л у ж и т промышленность, с в я з а н н а я с добычей и использованием строительных
м а т е р и а л о в (дробление пород в к а р ь е р а х , изготовление цемента
и д р . ) . В о Ф р а н ц и и , например, цементные заводы в ы б р а с ы в а ю т
около 3 % своей продукции (примерно 100 тыс. т пыли д и а м е т р о м
в несколько д е с я т к о в м и к р о м е т р о в ) . С т а л е л и т е й н ы е з а в о д ы в ы б р а с ы в а ю т огромные о б ъ е м ы красного д ы м а , состоящего из мелких
частиц оксида ж е л е з а (диаметром около 0,1 мкм) и сильно сниж а ю щ е г о инсоляцию на прилегающей территории. Ц в е т н а я м е т а л лургия с л у ж и т источником
загрязнения
атмосферы
частицами
цинка, свинца, меди и алюминия.
В пыли, о с е д а ю щ е й вблизи индустриальных центров, о б н а р у ж и в а е т с я немало различных минералов: кварц, кальцит, гипс, полевой шпат, асбест (последний д а ж е при концентрации, значи30
тельно меньше концентрации других минералов, вызывает необратимое повреждение легких). П ы л ь в воздухе индустриальных
районов включает в среднем 20 % оксида ж е л е з а , 15 % силикатов
и 5 % сажи. К этому следует добавить оксиды металлоидов (марганец, ванадий, молибден, мышьяк, сурьма и особенно токсичные
селен и т е л л у р ) , а т а к ж е фториды. Автомобили, литейное производство и сжигание отходов — основные источники загрязнения
а т м о с ф е р ы свинцом — исключительно токсичным металлом. Е ж е годно к а ж д ы й автомобиль выбрасывает в атмосферу в среднем
1 кг свинца в виде аэрозоля (в бензин добавляется тетраэтил
свинца в качестве антидетонатора). Н а ч и н а я с 1950 г. стало резко
увеличиваться количество свинца, осаждающегося на лед Гренл а н д и и — следствие увеличения парка автомашин. В крупных
городах многих стран мира концентрация свинца нередко превыш а е т 1 мкг/м 3 (а на перекрестках и в туннелях 5—30 мкг/м 3 ) при
П Д К , равном 0,7 мкг/м 3 . Так, в Чикаго (США) в центре города
с р е д н я я концентрация свинца превышает 3,2 мкг/м 3 , в пригород а х — около 0,2 мкг/м 3 . Среднее время пребывания в атмосфере
частиц свинца (диаметром от 0,05 до 5 мкм) составляет несколько
недель, что способствует распространению свинца в удаленные от
источников районы (например, из США д о Гренландии). В настоящее время вся биосфера з а р а ж е н а свинцом антропогенного
происхождения.
ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ
НА ЧЕЛОВЕКА, РАСТИТЕЛЬНЫЙ И ЖИВОТНЫЙ МИР
2.1. Введение
Все з а г р я з н я ю щ и е атмосферный воздух вещества в большей
или меньшей "степени о к а з ы в а ю т отрицательное влияние на здоровье человека. Эти вещества попадают в организм человека преимущёствённо через систему дыхания. Органы дыхания страдают
от загрязнения нецосредственно"":пощрльку около 5 0 % частиц
примеси радиусом 0,01—0,1 мкм, проникающих в легкие, осаж д а ю т с я в них.
*
Проникшие в организм частицы вызывают токсический эффект,
поскольку они: а) токсичны (ядовиты) по своей химической или
физической природе; б) с л у ж а т помехой д л я одного или нескольких механизмов, с помощью которых нормально очищается^ респираторный (дыхательный) тракт; в) с л у ж а т носителем поглощенного организмом ядовитого вещества.
В некоторых случаях воздействие одних з а г р я з н я ю щ и х веществ
в комбинации с другими приводит к более серьезным расстройс т в а м здоровья, чем воздействие к а ж д о г о из них в отдельности.
Б о л ь ш у ю роль играет продолжительность воздействия.
31
*
,
:
Статистический анализ позволил достаточно надежно установить зависимость между уровнем загрязнения воздуха и такими
заболеваниями, как поражение верхних дыхательных путей, сердечная недостаточность, бронхиты, астма, пневмония, эмфизема
легких, а также болезни глаз. Резкое повышение концентрации
примесей, сохраняющееся в течение нескольких дней, увеличивает
смертность людей пожилого возраста от респираторных и сердечно-сосудистых заболеваний. В декабре 1930 г. в долине реки
Рис. 2.1. Число смертельных случаев (/), концентрация диоксида
серы (2) и дыма (3) в атмосфере Лондона в декабре 1952 г.
Маас (Бельгия) отмечалось сильное загрязнение воздуха в течение 3 дней; в результате сотни людей заболели, а 60 человек скончались—это более чем в 10 раз выше средней смертности. В январе 1931 г. в районе Манчестера (Великобритания) в течение
9 дней наблюдалось сильное задымление воздуха, которое явилось
причиной смерти 592 человек. Широкую известность получили случаи сильного загрязнения атмосферы Лондона, сопровождавшиеся
многочисленными смертельными исходами. В 1873 г. в Лондоне
было отмечено 268 непредвиденных смертей. Сильное задымление
в сочетании с туманом в период с 5 по 8 декабря 1852 г. привело
к гйбели более 4000 жителей Большого Лондона. В январе 1956 г.
около 1000 лондонцев погибло в результате продолжительного
задымления. Большая часть тех, кто умер неожиданно, страдали
от бронхита, эмфиземы легких или сердечно-сосудистых заболева32
;
•
I
j
!
ний. Как показывает рис. 2.1, основной причиной заболеваний и
смертельных исходов служит загрязнение атмосферного воздуха.
2.2. Оксид углерода
Крнцентрация СО, превышающая предельно допустимую, приводит к физиологическим изменениям в организме человека, а концентрация более 750 млн -1 — к смерти. Объясняется это тем, что
СО — исключительно агрессивный газ, легко соединяющийся с гемоглобином (красными кровяными тельцами). При соединении
образуется карбоксигемоглобин, повышенное (сверх нормы, равной 0,4 %) содержание которого в крови сопровождается:
а) ухудшением остроты зрения и способности оценивать длительность интервалов времени,
б) нарушением некоторых психомоторных функций головного
мозга (при содержании 2—5 %),
в) изменениями деятельности сердца и легких (при содержании больше 5 %),
г) головными болями, сонливостью, спазмами, нарушениями
дыхания и смертностью (при содержании 10—80 %).
Степень воздействия оксида углерода на организм зависит не
только от его концентрации, но и от времени пребывания (экспозиции) человека в загазованном СО воздухе. Так, при концентрации СО, равной 10—50 млн -1 (нередко наблюдаемой в атмосфере
площадей и улиц больших городов), при экспозиции 50—60 .мин
отмечаются нарушения, приведенные в п. «а», 8—12 ч — 6 недель — наблюдаются изменения, указанные в п. «в». Нарушение
дыхания, спазмы, потеря сознания наблюдаются при концентрации
СО, равной 200 млн -1 , и экспозиции 1—2 ч при тяжелой работе
и 3—6 ч — в покое. К счастью, образование карбоксигемоглобина
в крови — процесс обратимый: после прекращения вдыхания СО
начинается его постепенный вывод из крови; у здорового человека
содержание СО в крови каждые 3—4 ч уменьшается в два раза.
Оксид углерода — очень стабильное вещество; время его жизни
в атмосфере составляет 2—4 мес. При ежегодном поступлении
350 млн. т концентрация СО в атмосфере должна была бы увеличиваться примерно на 0,03 млн -1 /год. Однако этого, к счастью, не
наблюдается, чем мы обязаны в основном почвенным грибам,
очень активно разлагающим СО (некоторую роль играет также
переход СО в С0 2 ).
2.3. Диоксид серы и серный ангидрид
Диоксид серы (S0 2 ) и серный ангидрид (SO3) в комбинации
со взвешенными частицами и влагой оказывают наиболее вредное
воздействие на человека, живые организмы и материальные ценности. S 0 2 — бесцветный и негорючий газ, запах которого начинает
ощущаться при его концентрации в воздухе 0,3—1,0 млн -1 , а при
концентрации свыше 3 млн -1 S 0 2 имеет острый раздражающий
3
Заказ Jfe 33
33
з а п а х . Д и о к с и д серы в смеси с твердыми частицами и серной кислотой ( р а з д р а ж и т е л ь более сильный, чем SO2) у ж е при среднегодовом с о д е р ж а н и и
0,04-—0,09 м л н - 1
и концентрации д ы м а 1 5 0 —
200 мкг/м 3 приводит к увеличению симптомов
затрудненного :
д ы х а н и я и болезней легких, а при среднесуточном с о д е р ж а н и и
SO2 0,2—0,5 м л н - 1 и концентрации д ы м а 500—750 мкг/м 3 наблюд а е т с я резкое увеличение числа больных и смертельных исходов.
При концентрации S 0 2 0,3—0,5 м л н - 1 в течение нескольких дней
н а с т у п а е т хроническое поражение
листьев растений
(особенно
шпината, с а л а т а , х л о п к а и л ю ц е р н ы ) , а т а к ж е иголок сосны.
2.4. Оксиды азота и некоторые другие вещества
О к с и д ы а з о т а (прежде всего, ядовитый диоксид азота N 0 2 ) ,
соединяющиеся при участии у л ь т р а ф и о л е т о в о й солнечной радиации с у г л е в о д о р о д а м и (среди которых наибольшей
реакционной
с п о с о б н о с т ь ю о б л а д а ю т олеофины), о б р а з у ю т пероксилацетилнит р а т ( П А Н ) и д р у г и е фотохимические окислители, в том числе
пероксибензоилнитрат
( П Б Н ) , озон
( 0 3 ) , перекись
водорода
(Н2О2), д и о к с и д азота. Э т и окислители — основные с о с т а в л я ю щ и е
фотохимического
смога,
повторяемость которого велика в сильно
загрязненных г о р о д а х , р а с п о л о ж е н н ы х в низких ш и р о т а х северного и ю ж н о г о п о л у ш а р и я
( Л о с - А н д ж е л е с , в котором около
200 дней в году отмечается смог, Чикаго, Н ь ю - Й о р к и д р у г и е
г о р о д а С Ш А ; р я д городов Японии, Турции, Ф р а н ц и и , Испании,
Италии, А ф р и к и и Ю ж н о й А м е р и к и ) .
О ц е н к а скорости фотохимических реакций, приводящих к образ о в а н и ю П А Н , П Б Н и озона, показывает, ч т о . в ряде ю ж н ы х город о в С о в е т с к о г о С о ю з а летом в околополуденные часы (когда велик приток у л ь т р а ф и о л е т о в о й радиации) эти скорости превосход я т значения, начиная с которых отмечается о б р а з о в а н и е смога.
Т а к , в А л м а - А т е , Ереване, Тбилиси, А ш х а б а д е , Б а к у , О д е с с е и
д р у г и х г о р о д а х при н а б л ю д а е м ы х у р о в н я х загрязнения в о з д у х а
максимальная
скорость
образования
Оз
достигла
0,70—
0,85 м г / ( м 3 - ч ) , в то время к а к смог возникает у ж е . при скорости
0,35 мг/(м 3 • ч).
Наличие в с о с т а в е П А Н диоксида азота и иодистого калия
придает смогу коричневый оттенок. При конденсации П А Н вып а д а е т на землю в виде клейкой жидкости, губительно д е й с т в у ю щей на растительный покров.
В с е окислители, в п е р в у ю очередь П А Н и П Б Н , сильно раздраж а ю т и в ы з ы в а ю т воспаление^ глаз, а в комбинации с озоном разд р а ж а ю т носоглотку, приводят к с п а з м а м грудной клетки, а при
высокой концентрации (свыше 3 — 4 мг/м 3 ) в ы з ы в а ю т сильный кашель и о с л а б л я ю т возможность на чем-либо сосредоточиться.
Н а з о в е м некоторые другие з а г р я з н я ю щ и е
воздух
вещества,
вредно действующие! на человека. У с т а н о в л е н о , что у людей, профессионально имеющих д е л о с а с б е с т о м , повышена вероятность
р а к о в ы х заболеваний бронхов и д и а ф р а г м , р а з д е л я ю щ и х г р у д н у ю
34
клетку и б р ю ш н у ю полость. Берилий оказывает вредное воздейс т в и е ( в п л о т ь д о в о з н и к н о в е н и я о н к о л о г и ч е с к и х з а б о л е в а н и й ) на
д ы х а т е л ь н ы е пути, а т а к ж е на к о ж у и г л а з а . П а р ы р т у т и в ы з ы в а ю т н а р у ш е н и е р а б о т ы ц е н т р а л ь н о й н е р в н о й с и с т е м ы и почек.
Поскольку ртуть может накапливаться в организме человека, то
в конечном и т о г е ее в о з д е й с т в и е п р и в о д и т к р а с с т р о й с т в у у м с т в е н ных с п о с о б н о с т е й .
В городах вследствие постоянно увеличивающегося загрязнения
в о з д у х а н е у к л о н н о р а с т е т число б о л ь н ы х , с т р а д а ю щ и х т а к и м и з а б о л е в а н и я м и , к а к х р о н и ч е с к и й б р о н х и т , э м ф и з е м а легких^ р а з л и ч ные а л л е р г и ч е с к и е з а б о л е в а н и я и р а к л е г к и х . В В е л и к о б р и т а н и и
10 %
случаев смертельных
и с х о д о в п р и х о д и т с я на х р о н и ч е с к и й
б р о н х и т , при э т о м 21 % н а с е л е н и я в в о з р а с т е 4 0 — 5 9 л е т с т р а д а е т
э т и м з а б о л е в а н и е м . В Я п о н и и в р я д е г о р о д о в д о 60 % ж и т е л е й
болеют хроническим бронхитом, симптомами которого является
сухой кашель с частыми отхаркиваниями, последующее прогрессирующее затруднение дыхания и сердечная
недостаточность
(в с в я з и с э т и м с л е д у е т о т м е т и т ь , что т а к н а з ы в а е м о е я п о н с к о е
э к о н о м и ч е с к о е ч у д о 50-х — бОх-годов
сопровождалось
сильным
з а г р я з н е н и е м п р и р о д н о й с р е д ы о д н о г о из н а и б о л е е к р а с и в ы х районов земного ш а р а и серьезным у щ е р б о м , причиненным з д о р о в ь ю
н а с е л е н и я этой с т р а н ы ) . В п о с л е д н и е д е с я т и л е т и я с в ы з ы в а ю щ е й
с и л ь н у ю о з а б о ч е н н о с т ь б ы с т р о т о й р а с т е т число з а б о л е в ш и х р а к о м
бронхов и легких, возникновению которых способствуют канцерогенные углеводороды.
2.5. В л и я н и е р а д и о а к т и в н ы х в е щ е с т в
на растительный и животный мир
Н е к о т о р ы е х и м и ч е с к и е э л е м е н т ы р а д и о а к т и в н ы : их с а м о п р о и з вольный р а с п а д и превращение в элементы с другими порядковыми номерами сопровождается излучением. При распаде радиоа к т и в н о г о в е щ е с т в а его м а с с а с т е ч е н и е м в р е м е н и у м е н ь ш а е т с я .
Т е о р е т и ч е с к и в с я м а с с а р а д и о а к т и в н о г о э л е м е н т а и с ч е з а е т за б е с конечно большое время.
Время,
по истечении к о т о р о г о м а с с а
у м е н ь ш а е т с я в д в о е , н а з ы в а е т с я периодом
полураспада.
Для разных р а д и о а к т и в н ы х в е щ е с т в п е р и о д п о л у р а с п а д а и з м е н я е т с я в ш и р о к и х п р е д е л а х : от н е с к о л ь к и х ч а с о в (у 4 1 А г он р а в е н 2 ч) д о нес к о л ь к и х м и л л и а р д о в л е т ( 2 3 8 U — 4,5 млрд. л е т ) .
Борьба с радиоактивным загрязнением среды может носить
л и ш ь п р е д у п р е д и т е л ь н ы й х а р а к т е р , п о с к о л ь к у не с у щ е с т в у е т ник а к и х с п о с о б о в б и о л о г и ч е с к о г о р а з л о ж е н и я и д р у г и х механизмов,,
позволяющих
нейтрализовать
этот
вид заражения
природной
среды. Н а и б о л ь ш у ю опасность представляют радиоактивные вещ е с т в а с п е р и о д о м п о л у р а с п а д а от н е с к о л ь к и х н е д е л ь д о н е с к о л ь ких л е т : э т о г о в р е м е н и д о с т а т о ч н о д л я п р о н и к н о в е н и я т а к и х в е ществ в организм растений и животных.
Р а с п р о с т р а н я я с ь по п и щ е в о й цепи (от р а с т е н и й к ж и в о т н ы м ) „
радиоактивные вщества с продуктами питания поступают в оргаз*
35
низм человека и могут накапливаться в таком количестве, которое
способно нанести вред здоровью человека.
При одинаковом уровне загрязнения среды изотопы простых
элементов ( I4 C, 32 Р, 45 Са, 36 S, 3 Н и др.), являющиеся основными j
слагаемыми живого вещества (растений и животных), более
опасны, чем редко встречающиеся радиоактивные вещества, слабо
поглощаемые организмами.
Наиболее опасные среди радиоактивных веществ 90 Sr и 137Cs
образуются при ядерных взрывах в атмосфере, а также поступают
в окружающую среду с отходами атомной промышленности. Благодаря химическому сходству с кальцием 90Sr легко проникает
в костную ткань позвоночных, тогда как I37Cs накапливается в мускулах, замещая калий.
Излучения радиоактивных веществ оказывают следующее воздействие на организмы:
— ослабляют облученный организм, замедляют рост, снижают
сопротивляемость к инфекциям и иммунитет организма;
— уменьшают продолжительность жизни, сокращают показатели естественного прироста из-за временной или полной
стерилизации;
—: различными способами поражают гены, последствия которого проявляются во втором или третьем поколениях;
— оказывают кумулятивное (накапливающееся) воздействие,
вызывая необратимые эффекты.
Тяжесть последствий облучения зависит от количества поглощенной организмом энергии (радиации), излученной радиоактивным веществом. Единицей этой энергии служит 1 рад — это доза
облучения, при которой 1 г живого вещества поглощает Ю -5 Д ж
энергии.
Установлено, что при дозе, превышающей 1000 рад, человек
погибает; при дозе 700 и 200 рад смертельный исход отмечается
в 90 и 10 % случаев соответственно; в случае дозы 100 рад человек выживает, однако значительно возрастает вероятность заболевания раком, а также вероятность полной стерилизации.
Наибольшее загрязнение продуктами радиоактивного распада
вызвали взрывы атомных и водородных бомб, испытание которых
особенно широко проводилось в 1954—1962 гг. К 1963 г., когда
был подписан Договор о запрещении испытаний ядерного оружия
в атмосфере, в космическом пространстве и под водой, в атмосфере
уже находились продукты взрыва общей мощностью свыше 170 Мт
(это примерно мощность взрыва 8500 бомб, подобных сброшенной
на Хиросиму).
Второй источник радиоактивных примесей — атомная промышленность. Примеси поступают в окружающую среду при добыче и
обогащении ископаемого сырья, использовании его в реакторах,
переработке ядерного горючего в установках.
Наиболее серьезное загрязнение среды связано с работой заводов по обогащению и переработке атомного сырья. Большая часть
радиоактивных примесей содержится в сточных водах, которые
36
собираются и хранятся в герметичных сосудах. Однако 85Кг, 133Хе
« часть Ш 1 попадают в атмосферу из испарителей, используемых
для уплотнения радиоактивных отходов. Тритий и часть продуктов распада ( 90 Sr, 137Cs, 106Ru, I31 I) сбрасываются в реки и моря,
вместе с малоактивными жидкостями (небольшой завод по производству атомного горючего ежегодно сбрасывает от 500 до 1500 т
воды, зараженной этими изотопами). Согласно имеющимся оценкам, к 2000 г. ежегодное количество отходов атомной промышленности в США достигнет 4250 т (что эквивалентно массе отходов,
которые могли бы образоваться при взрыве 8 млн. бомб типа
сброшенной на Хиросиму). Для дезактивации радиоактивных отходов до их полной безопасности необходимо время, равное примерно 20 периодам полураспада (это около 640 лет для 137Cs и
490 тыс. лет для 239 Ru). Вряд ли можно поручиться за гермитичяость контейнеров, в которых хранятся отходы, в течение столь
длительных интервалов времени.
Таким образом, хранение отходов атомной энергетики представляется наиболее острой проблемой охраны среды от радиоактивного заражения. Теоретически, правда, возможно создать атомные
электростанции с практически нулевым выбросом радиоактивных
примесей. Но в этом случае производство энергии на атомной станции оказывается существенно дороже, чем на тепловой электростанции.
Поскольку производство энергии, основанное на ископаемом
топливе (уголь, нефть, газ), также сопровождается загрязнением
•среды, а запасы самого ископаемого топлива ограничены, большинство исследователей, занимающихся проблемами энергетики и
охраны среды, пришли к выводу: атомная энергетика способна не
только удовлетворить все возрастающие потребности общества
в энергии, но и обеспечить охрану природной среды и человека
лучше, чем это может быть осуществлено при производстве такогож е количества энергии на основе химических источников (сжигания углеводородов). При этом особое внимание следует уделить
мероприятиям, исключающим риск радиоактивного загрязнения
среды (в том числе и в отдаленном будущем), в частности обеспечить независимость органов по контролю за выбросами от ведомств, ответственных за производство атомной энергии.
Установлены предельно допустимые дозы ионизирующей радиации, основанные на следующем требовании: доза не должна превышать удвоенного среднего значения дозы облучения, которому
человек подвергается в естественных условиях. При этом предполагается, что люди хорошо приспособились к естественной радиоактивности среды. Более того, известны группы людей, живущих
в районах с высокой радиоактивностью, значительно превышающей среднюю по земному шару (так, в одном из районов Бразилии
жители за год получают около 1600 мрад, что в 10—20 раз
больше обычной дозы облучения). В среднем доза ионизирующей
радиации, получаемой за год каждым жителем планеты, колеблется между 50 и 200 мрад, причем на долю естественной радио37
активности (космические лучи) приходится около 25 Мрад, радиоактивности
горных пород — примерно
5 0 — 1 5 0 мрад.
Следует
т а к ж е у ч и т ы в а т ь те дозы, которые получает человек от искусственных источников облучения. В Великобритании,
например,
ежегодно при рентгеноскопических о б с л е д о в а н и я х человек получает
около 100 мрад, излучений телевизора — примерно 10 мрад, отх о д о в атомной промышленности и радиоактивных о с а д к о в — около
3 мрад.
ГЛАВА 3. ГЛОБАЛЬНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ
3.1. Введение
П о с т у п и в ш и е из различных источников загрязняющие в е щ е с т в а
переносятся в атмосфере упорядоченными (осредненными за меньшие или большие интервалы времени) воздушными потоками и
р а с п р о с т р а н я ю т с я под влиянием т у р б у л е н т н о г о
перемешивания.
....... Система воздушных течений в атмосфере д о с т а т о ч н о с л о ж н а я .
О б ы ч н о выделяют д в и ж е н и я мезо-, синоптического и г л о б а л ь н о г о
м а с ш т а б а , горизонтальная протяженность которых не п р е в ы ш а е т
соответственно 100—200, 1000—2000 км и нескольких тысяч километров. А т м о с ф е р н ы й ^воздух п е р е м е щ а е т с я не только по горизонт а л и , но и по вертикали. П о д влйяниё^'"тур§уле1?тнШ^*'бёмёна и
в е р т и к а л ь н ы х движений происходит перенос примеси из, одних
слоев атмосферы в д р у г и е (в частности, из тропосферы в стратос ф е р у ) . С р е д н я я продолжительность пребывания н е о с а ж д а ю щ е й с я
(легкой) примеси с о с т а в л я е т около 2 лет в стратосфере, 1 — 4 мес
в верхней тропосфере и 6 — 1 0 сут в нижней тропосфере. При таком времени с у щ е с т в о в а н и я примеси у с п е в а ю т р а с п р о с т р а н и т ь с я
на многие тысячи километров от тех мест, где они поступили
в атмосферу. При средней скорости (примерно 3 0 — 3 5 м/с) з а п а д ных потоков, н а б л ю д а е м ы х в верхней тропосфере и нижней стратосфере умеренных широт, аэрозоль у с п е в а е т
обогнуть
земной
шар за 1 0 — 1 2 сут. С к о р о с т ь д в и ж е н и я в о з д у х а в меридиональном
направлении значительно меньше зональной скорости. В с л е д с т в и е
iToro из одной широтной зоны в д р у г у ю , в том числе из северного
п о л у ш а р и я в южное, аэрозоль р а с п р о с т р а н я е т с я существенно медленнее, чем в зональном направлении.
Н а б л ю д е н и й за ветром и другими метеовеличинами во многих
районах Земли проводится д а л е к о недостаточно. С л е д я за распространением аэрозоля, мы получаем возможность оценить скорость
в о з д у ш н ы х течений. В этой роли примеси используются как метки
(трассеры)
г л о б а л ь н ы х атмосферных потоков и т у р б у л е н т н о г о
обмена.
38
3.2. Радиоактивные примеси
Н а и б о л е е полные д а н н ы е в последние десятилетия получены
о распространении р а д и о а к т и в н ы х примесей, поскольку именно
они п р е д с т а в л я ю т н а и б о л ь ш у ю опасность, особенно у с и л и в ш у ю с я
с н а ч а л о м «атомной эры» (40-е годы т е к у щ е г о с т о л е т и я ) . Р а д и о а к т и в н о с т ь а т м о с ф е р ы сильно у в е л и ч и л а с ь в 50-х.и начале 60-х год о в в связи с проведением м а с с о в ы х испытаний ядерного о р у ж и я .
Х о т я в 1963 г. испытания о р у ж и я в а т м о с ф е р е и космосе были зап р е щ е н ы , некоторые с т р а н ы (Китай, Ф р а н ц и я ) к Конвенции не
присоединились
и п р о д о л ж а ю т ; испытывать
ядерное
оружие.
В с л е д с т в и е этого п р о б л е м а р а д и о а к т и в н о г о
загрязнения
атмосферы с о х р а н я е т а к т у а л ь н о с т ь и в н а ш е время.
Р а д и о а к т и в н ы е примеси п о с т у п а ю т в атмосферу из четырех
источников и соответственно п о д р а з д е л я ю т с я на /четыре группы.
В п е р в у ю группу в х о д я т э м а н а ц и и некоторых р а д и о а к т и в н ы х элементов земной коры и продукты р а с п а д а этих эманаций: радон
( 2 2 2 R n ) , 2 1 0 Pb (RaD'j, 2 1 0 B i ( R a E ) , 2 1 0 P b ( R a F ) . H др. В т о р у ю группу
«составляют космогенные изотопы, о б р а з у ю щ и е с я при взаимодействии а т о м о в в о з д у х а с космическими-излучениями: 2 2 Na, 7 В е , 3 2 Р, 3 3 Р,
1 4 С , 3 Н и др. Изотопы искусственного происхождения — продукты
я д е р н ы х взрывов ( 1 4 С , 3 Н , 1 3 1 I, 9 0 Sr, 1 3 7 C s , 1 4 4 Се, 9 5 Zr и др.) и отх о д ы атомной промышленности ( 1 3 1 1, 1 3 3 Хе, 8 5 Кг и др.) — формир у ю т соответственно т р е т ь ю и ч е т в е р т у ю группы/.
Б о л ь ш а я ч а с т ь р а д и о а к т и в н ы х изотопов в •«'мосфере соединяе т с я с аэрозольными частицами. О с е д а н и е этих частиц в поле силы
т я ж е с т и и вымывание их осадками,^ -с^оДй'ой.;-стороны, о с л о ж н я ю т
использование н а б л ю д е н и й за р а с п р о с т р а н е н и е м изотопов в качестве трассеров
в о з д у ш н ы х течений, с д р у г о й — позволяют привлечь эти н а б л ю д е н и я д л я изучения процессов формирования облаков, т у м а н о в и о с а д к о в . Измерения с о д е р ж а н и я изотопов провод я т с я на ш а р а х - з о н д а х , а э р о с т а т а х , с а м о л е т а х
и в
наземных
у с т а н о в к а х путем продувки известного количества в о з д у х а через
высокоэффективные фильтры и п о с л е д у ю щ е г о определения содерж а н и я б е т а - а к т и в н ы х изотопов с п о м о щ ь ю радиохимического анал и з а и г а м м а - а к т и в н ы х изотопов — спектрометрического анализа.
Ч и с л о измерений в свободной а т м о с ф е р е сравнительно невелико
(поскольку они т р у д о е м к и и д о р о г о с т о я щ и ) . Они о х в а т ы в а ю т в основном п р о д у к т ы ядерных взрывов над отдельными географическими районами. П р и в е д е м некоторые данные об изменении содерж а н и я р а д и о а к т и в н ы х в е щ е с т в в свободной а т м о с ф е р е и вблизи
земной поверхности.
Н а рис. 3.1 приведены среднесезонные значения с у м м а р н о г о
с о д е р ж а н и я 9 0 Sr в районе т р о п о п а у з ы ( 9 — 1 5 к м ) , в нижней ( 1 5 —
2 1 к м ) и средней ( 2 1 — 4 0 км) с т р а т о с ф е р е . М а к с и м а л ь н ы х значений р а д и о а к т и в н о с т ь 9 0 Sr в северном полушарии достигла веснбй
1963 г., поскольку в течение р я д а п р е д ш е с т в у ю щ и х лет проводил и с ь м а с с о в ы е испытания ядерного о р у ж и я в атмосфере этого
п о л у ш а р и я . В ю ж н о м полушарии с о д е р ж а н и е 9 0 Sr достигло макси39
мума примерно на полгода позже, а сами значения радиоактивности в несколько раз меньше по сравнению с таковыми в северном полушарии.
тюри
Рис. 3.1. Изменение со временем суммарного содержания 90Sr в северном (а) и южном (б) полушарии в слоях 21—40 км (/); 15—
21 км на широте 30—90° (2) и 0—30° (3), 9—15 км на широте
30—90° (4).
3 — з и м а , В — весна, Л — лето, О — осень.
После 1963 г. Советский Союз, США и Великобритания не проводят испытания ядерного оружия в атмосфере, в результате чего
содержание 90 Sr (равно как и других радиоизотопов) в стратосфере убывает (некоторое увеличение во второй половине 1967 г.
в северном полушарии объясняется, по-видимому, ядерными взрывами, осуществленными Китаем или Францией). В нижнем слое
40
{О—15 км) в широтной зоне 30—90° того и другого полушария
•содержание 90 Sr максимально зимой и весной и минимально —
осенью. По данным измерений на аэростатах (на широте 31°)
в слое 24—32 км годовой ход содержания 90 Sr противоположный:
максимум — летом и осенью, минимум — в конце зимы и весной.
Таким образом, значительное количество продуктов ядерных взрывов поступает из средней стратосферы умеренных и высоких широт в нижнюю стратосферу и далее в тропосферу, приводя к весеннему максимуму выпадения и содержания 90 Sr вблизи земной
поверхности.
Хотя ядерные взрывы производились на разных высотах и широтах, однако примерно уже через год после взрывов в распределении их продуктов в стратосфере наблюдалось много общего.
Максимум концентрации всех изотопов находился в тропической
стратосфере в слое 20—25 км, вторичные максимумы — в нижней
стратосфере и верхней тропосфере умеренных и высоких широт
северного полушария.
Суммарные выпадения радиоактивных аэрозолей определяются
на суше и океанах путем отбора проб на липкие или тканевые
планшеты, в кюветы с бортиками разной высоты, в высокостенные
сосуды, устанавливаемые чаще на высоте 1 м. Такие измерения
в последние 20—25 лет проводятся систематически почти во всех
индустриально развитых странах с целью радиологического контроля выпадений на землю продуктов ядерных взрывов. Основная
масса радиоактивных аэрозолей вымывается из атмосферы и выпадает на землю вместе с осадками. Некоторая часть поступает
с пылью и другими твердыми аэрозолями (так называемые сухие
выпадения). Обобщение результатов наблюдений на сети станций
и судах, позволившее построить глобальные карты выпадений радиоактивных аэрозолей (в частности, 90 Sr), привело к заключению, что основная масса продуктов ядерных взрывов (по состоянию на 1967 г.) находилась в северном полушарии при максимальном содержании в зоне 30—50° с. ш. По данным измерений более
чем в 100 точках, расположенных вблизи 80° з. д в зоне 70° с. ш. —
60° ю. ш., концентрация 90 Sr в приземном слое максимальна
в марте—июне в зоне 20—40° с. ш., при этом с 1963 по 1967 г.
максимальные значения уменьшились примерно в 20 раз. В южном
полушарии максимум концентрации 90 Sr был достигнут позже
(в конце 1964 г.) также в зоне 20—40° ю. ш., при этом концентрация 90 Sr в южном полушарии примерно в 10 раз меньше, чем в северном.
Приведем еще сведения о скорости вымывания (vM) и сухого
осаждения (v c ) радиоактивных аэрозолей (эти скорости входят
в выражения для потоков примеси, выпадающей на земную поверхность: С^м =— vMC и Q c = vGC, где С — объемная концентрация
примеси при z = 0). Скорость vc изменяется (по данным разных
авторов) от сотых долей до 0,5—1,0 см/с, суммарная скорость
Vm + vc — от 0,1—0,3 до 2—4 см/с, при этом она растет при увеличении месячного количества осадков.
41
П о л у п е р и о д вымывания или время релаксации т (за в р е м я ,
равное т, концентрация примеси у б ы в а е т в е = 2 , 7 2 . . . р а з ) ймеет
порядок 1 0 3 — 1 0 4 с в о б л а к а х и 1 0 4 — 1 0 5 с в о с а д к а х (по д а н н ы м
Б. И. С т ы р о , К- П . М а х о н ь к о и д р . ) . И. JI. К а р о л ь предпринял
попытку
(учитывая количество и п р о д о л ж и т е л ь н о с т ь о с а д к о в ,
а т а к ж е высоту верхней границы о б л а к о в ) оценить осредненные
по широтным зонам значения т. Они равны примерно 2,5 -10 5 с
в э к в а т о р и а л ь н о й о б л а с т и (10° ю. ш. — 20° с. ш.), 4 - Ю 5 с — в субтропиках
и
умеренных
ш и р о т а х и 106 с в высоких ш и р о т а х
(Ф>65°).
О т м е ч а е т с я прямая связь концентрации 1 3 7 C s с а к т и в н о с т ь ю
Солнца.
Я д е р н ы е взрывы, производимые в К и т а е , п р о д о л ж а ю т загрязнять а т м о с ф е р у радиоактивными примесями. Переносимые возд у ш н ы м и течениями, они в ы п а д а ю т и на территорию С С С Р . П о с л е
к а ж д о г о взрыва, по истечении большего или меньшего интервала
времени (в зависимости от высоты подъема п р о д у к т о в в з р ы в а ) ,
у в е л и ч и в а ю т с я концентрация и о с а ж д е н и е примесей на з е м н у ю
поверхность. Уровни загрязнения у в е л и ч и в а ю т с я в С С С Р в среднем с севера на юг, а т а к ж е с з а п а д а на восток. Н а и б о л е е высокие
уровни радиоактивного загрязнения н а б л ю д а л и с ь (по д а н н ы м
К- П. М а х о н ь к о и др. за 1 9 7 5 — 1 9 8 0 гг.) в Приморье,
Средней
Азии и З а к а в к а з ь е .
В последнее время выполнены оценки возможного изменения
состояния о к р у ж а ю щ е й среды под влиянием массового применения
ядерного о р у ж и я в период военных действий. С о г л а с н о д о к л а д у
Национальной академии С Ш А , подготовленному группой специалистов и экспертов, при взрыве ядерных боеприпасов общей мощностью Ю 4 М т (что с о о т в е т с т в у е т примерно половине накопленной
мощности), могут произойти с л е д у ю щ и е изменения в природной
среде:
а) выбросы оксидов азота в с т р а т о с ф е р у б у д у т с о п р о в о ж д а т ь с я
уменьшением общего с о д е р ж а н и я озона на 3 0 — 7 0 % ;
б) увеличение
притока
ультрафиолетовой
радиации
существенно снизит продуктивность сельского хозяйства;
в) радиоактивные излучения нанесут большой урон в с е м у
ж и в о м у на земле, вызовут рост заболеваний р а к о м и генетических
болезней.
О д н а к о эта группа пришла к заключению, что х о т я тотальный
ядерный у д а р вызовет большие разрушения, его последствия не
с т а н у т катастрофическими в глобальных м а с ш т а б а х на протяжении десятилетий, поскольку через 2 — 4 года восстановится содерж а н и е озона в атмосфере, а через 25 лет придет в нормальное
состояние и вся биосфера (исключение с о с т а в я т г о с у д а р с т в а , подвергшиеся непосредственному н а п а д е н и ю ) .
Ф е д е р а ц и я американских ученых не с о г л а с и л а с ь с последним
заключением, поскольку современная н а у к а не в состоянии д о с т а точно определенно оценить биологические и экономические последствия взрывов мощностью порядка 10 4 М т .
42
С о г л а с н о оценкам, выполненным Ю . А . И з р а э л е м , В . Н. Петровым и Д . А . С е в е р о в ы м , при взрыве м о щ н о с т ь ю в несколько мегатонн о б щ е е с о д е р ж а н и е озона в вертикальном столбе в районе
взрыва у м е н ь ш а е т с я на 2 0 — 2 5 % и в о с с т а н а в л и в а е т с я примерно
через с у т к и , под влиянием взрыва мощностью в несколько десятков мегатонн на 7 5 — 8 0 % , а период восстановления увеличивае т с я примерно д о недели.
Если ж е в северном п о л у ш а р и и б у д у т произведены взрывы
с у м м а р н о й м о щ н о с т ь ю 104 М т , то в зависимости от высоты стабилизации о б л а к а взрыва у с т а н о в и т с я т а к о е состояние, при котором
с о д е р ж а н и е озона во всей а т м о с ф е р е п о л у ш а р и я составит от 40
д о 70 % от естественного его количества. Ю . А . И з р а э л ь у к а з ы вает, что к р е з у л ь т а т а м воздействия ядерных взрывов на биос ф е р у и среду обитания относятся:
а) р а д и о а к т и в н о е загрязнение среды, в е д у щ е е к л у ч е в о м у пор а ж е н и ю (гамма- и бета-излучением) и изменению электрических
с в о й с т в а т м о с ф е р ы (в том числе и о н о с ф е р ы ) ;
б) загрязнение а т м о с ф е р ы аэрозолями, с о п р о в о ж д а ю щ е е с я изменением радиационных свойств атмосферы, и к а к следствие изменением погоды и к л и м а т а ;
в) загрязнение а т м о с ф е р ы газообразными в е щ е с т в а м и (метаном, этиленом и д р . ) , влияющими на потоки солнечной и земной
р а д и а ц и и и тепловой р е ж и м атмосферы;
г) м а с с о в ы е п о ж а р ы , возникновение которых с л е д у е т о ж и д а т ь
в городах, л е с а х , на газовых и нефтяных п р о м ы с л а х .
А н а л и з этих и д р у г и х воздействий приводит к заключению:
ядерные взрывы, особенно при м а с с о в о м применении, приведут не
т о л ь к о к р а з р у ш и т е л ь н ы м э ф ф е к т а м локального м а с ш т а б а , но и
в ы з о в у т серьезнейшие глобальные нарушения — п р и в е д у т к нео б р а т и м ы м изменениям к л и м а т а , р а з р у ш е н и ю озонного
слоя
З е м л и , существенной перестройке биосферы.
3.3. Высота подъема облака ядерного взрыва
При ядерном взрыве формируется раскаленный огненный ш а р ,
который с л у ж и т источником светового излучения и у д а р н о й волны.
: В момент взрыва т е м п е р а т у р а огненного ш а р а с о с т а в л я е т несколько
миллионов Кельвинов. О д н а к о у ж е через 1 0 — 1 5 с после взрыва
его т е м п е р а т у р а п о н и ж а е т с я д о 2000—3000 К и шар перестает
светиться. К моменту прекращения свечения д а в л е н и е газов внутри
ш а р а практически
не отличается от д а в л е н и я в о к р у ж а ю щ е м
- воздухе.
Я д е р н ы е взрывы принято делить на воздушные,
наземные
и
, подземные
(или п о д в о д н ы е ) . При в о з д у ш н ы х в з р ы в а х огненный
шар не с о п р и к а с а е т с я с земной п о в е р х н о с т ь ю и вся р а д и о а к т и в н а я
пыль состоит т о л ь к о из р а д и о а к т и в н ы х о с т а т к о в
(осколков)
б о м б ы , которые и с п а р я ю т с я при взрыве и затем конденсируются
при о х л а ж д е н и и . При наземном взрыве огненный шар соприкаса43
е т с я с з е м н о й п о в е р х н о с т ь ю , с л е д с т в и е м чего я в л я е т с я в о в л е ч е н и е
в ш а р з н а ч и т е л ь н о г о по м а с с е и з м е л ь ч е н н о г о г р у н т а в о с н о в н о м
на той с т а д и и р а з в и т и я , к о г д а т е м п е р а т у р а ш а р а е щ е достаточно»
высокая. В таких условиях поверхностный слой грунта в р а д и у с е
н е с к о л ь к и х сотен м е т р о в и с п а р я е т с я и п е р е м е ш и в а е т с я с р а д и о а к т и в н ы м и п р о д у к т а м и в з р ы в а . О б р а з у ю щ и е с я при п о с л е д у ю щ е м
охлаждении твердые частицы и являются основными носителями
радиоактивности.
Поскольку
температура
газов
в н у т р и ш а р а Г,- значительно"
в ы ш е т е м п е р а т у р ы о к р у ж а ю щ е г о в о з д у х а Т, а д а в л е н и е п р а к т и чески о д и н а к о в о , п л о т н о с т ь г а з о в р,- с у щ е с т в е н н о м е н ь ш е п л о т н о сти^ а т м о с ф е р н о г о в о з д у х а р, о к р у ж а ю щ е г о ш а р ( р г < р ) . Б л а г о д а р я э т о м у на ш а р н а ч и н а е т д е й с т в о в а т ь с и л а п л а в у ч е с т и ( р а в н а я
р а з н о с т и д в у х сил: в ы т а л к и в а ю щ е й с и л ы А р х и м е д а и с и л ы т я ж е сти). Вертикальное ускорение, которое приобретает шар, р а в н о
d2z/dt2 = g(Ti-
T)IT.
Т а к как это ускорение положительно, то шар после некоторого
п е р и о д а « п а р е н и я » о т р ы в а е т с я от з е м н о й п о в е р х н о с т и и н а ч и н а е т
с н а р а с т а ю щ е й скоростью подниматься вверх. О д н а к о сила плав у ч е с т и , а в м е с т е с э т и м и п о р о ж д а е м о е е ю у с к о р е н и е со в р е м е н е м у м е н ь ш а ю т с я , что о б у с л о в л е н о у м е н ь ш е н и е м р а з н о с т и т е м п е ратур
Ti — Т. П о н и ж е н и е
температуры
поднимающего
шара
в ы з в а н о т р е м я п р и ч и н а м и : а ) а д и а б а т и ч е с к и м р а с ш и р е н и е м , б) в о влечением (присоединением) более холодного воздуха о к р у ж а ю щ е й с р е д ы , в) п о т е р я м и
тепла
вследствие
излучения.
Оценка
охлаждения
шара
под в л и я н и е м а д и а б а т и ч е с к о г о р а с ш и р е н и я
может
быть
произведена
по у р а в н е н и ю а д и а б а т ы (уравнению»
Пуассона)*
(3.1)
г д е Г,о, Ро — т е м п е р а т у р а и д а в л е н и е г а з о в в ш а р е на и с х о д н о м
у р о в н е (с к о т о р о г о н а ч и н а е т с я п о д ъ е м ) . В о ш е д ш а я в э т о у р а в н е ние п о с т о я н н а я % = cp/cv,
равная отношению удельных теплоемк о с т е й , п р а к т и ч е с к и не о т л и ч а е т с я от ее з н а ч е н и я д л я а т м о с ф е р ного в о з д у х а (и « 1,40), т а к к а к о с н о в н у ю м а с с у г а з о в в ш а р е
составляет воздух.
Р а с ч е т по у р а в н е н и ю (3.1) п о к а з ы в а е т , что в л и я н и е м о д н о г о
лишь адиабатического расширения нельзя объяснить н а б л ю д а е м о е
п о н и ж е н и е т е м п е р а т у р ы ш а р а . В с а м о м д е л е , е с л и Тш = 3000 К ,
т о т е м п е р а т у р а ш а р а , р а с с ч и т а н н а я по у р а в н е н и ю ( 3 . 1 ) , на в ы с о т е
о к о л о 16 к м (р » 0,1 ро) с о с т а в и т 1560 К , на в ы с о т е 3 0 — 3 2 к м
* Обратим внимание на то, что адиабатический градиент уа— (g/cp) (Тг/Т)
в данном случае нельзя считать постоянным и, как следствие, нельзя пользо)ваться соотношением Ti = Ti0 — yaz для расчета температуры.
44
(р « 0,01 ро) — о к о л о 800 К- Н а высоте 16 км разность температур ш а р а и о к р у ж а ю щ е й среды (ее температура около 220—225 К )
все еще составляла бы около 1340 К, если бы охлаждение происходило только под влиянием адиабатического расширения. Естественно, что при наличии такой большой разности температур ш а р
п р о д о л ж а л бы и д а л ь ш е подниматься. Согласно ж е данным наблюдений, температура шара на высоте между 10 и 20 км (в зависимости от мощности взрыва) у ж е не отличается от температуры
атмосферы и подъем ш а р а прекращается. Таким образом, приходим к выводу, что адиабатическое расширение является в а ж н о й
причиной охлаждения шара, однако далеко не единственной
(и д а ж е не главной).
Главный фактор, под влиянием которого происходит охлаждение ш а р а и увеличение его объема, — это вовлечение (присоединение) окружающего воздуха в поднимающееся радиоактивное
облако. Объем шара на максимальной высоте примерно в 1000 р а з
больше, чем на исходном уровне; в то ж е время за счет адиабатического расширения объем увеличивается лишь в 5—6 раз. Механизм вовлечения в основном турбулентный: одни частицы воздуха
перемещаются из атмосферы в облако, а другие — из о б л а к а в атмосферу. В процессе этих движений происходит перенос тепла и
радиоактивных примесей из о б л а к а в атмосферу.
С того момента, к а к огненный шар прекратил светиться, т. е.
перестал быть огненным, к а к показывают количественные оценки,
третий фактор — излучение о б л а к а — не играет сколько-нибудь
существенной роли в охлаждении облака.
В состав о б л а к а наряду с радиоактивными частицами входят
капли воды. Они возникают вследствие конденсации
водяного
пара, образовавшегося в результате испарения той влаги, которая
содержится в почве и поднимается в атмосферу в районе эпицентра
взрыва. Водяной пар поступает в облако и из о к р у ж а ю щ е й атмосферы вместе с вовлекаемым в него воздухом. Пока температура
шара выше критической температуры воды (равной 647 К ) , водяной пар не конденсируется. После достижения температуры, равной 647 К, дальнейшее понижение ее сопровождается конденсацией водяного пара и образованием капель воды. О том что облако
ядерного взрыва состоит из капель воды, свидетельствует цвет
о б л а к а : белый или серый. В то ж е время до н а ч а л а конденсации
цвет ш а р а сначала ослепительно белый, затем огненно-красный и
темно-коричневый.
Во время подъема облако принимает грибообразную форму.
Верхняя часть гриба сначала представляет собой интенсивный
тороидальный вихрь, вращение которого постепенно замедляется
по мере подъема. Н а максимальной высоте облако достаточно
однородно по всему объему и имеет форму эллипсоида вращения.
Подъем о б л а к а происходит до тех пор, пока его температура
не сравняется с температурой о к р у ж а ю щ е й атмосферы. Физически
очевидно, что охлаждение о б л а к а под влиянием перемешивания
(вовлечения) с о к р у ж а ю щ и м воздухом (а этот фактор — главный)
45
б у д е т п р о и с х о д и т ь т е м м е д л е н н е е , чем
больше
первоначальный
р а з м е р огненного ш а р а . В с в о ю о ч е р е д ь р а з м е р о г н е н н о г о ш а р а
т е м б о л ь ш е , чем м о щ н е е в з р ы в . Т а к и м о б р а з о м , п р и х о д и м к зак л ю ч е н и ю , что м а к с и м а л ь н а я в ы с о т а п о д ъ е м а
радиоактивного
о б л а к а , р а в н о к а к и его р а з м е р на этой в ы с о т е , у в е л и ч и в а ю т с я
с р о с т о м м о щ н о с т и q я д е р н о г о в з р ы в а *. В т а б л . 3.1 п р и в е д е н ы
Т а б л и ц а 3.1
Максимальная высота подъема и размеры облака наземного ядерного взрыва
Высота кромки, км
Мощность
взрыва,
тыс. т
верхней
0,5
1
2
5
10
20
50
2,7
3,3
4,6
7,0
8,2
10,0
12,5
Высота кромки, км
нижней
Радиус
облака,
км
Мощность
взрыва,
тыс. т
верхней
нижней
Радиус
облака,
км
2,1
2,4
3,7
5,5
6,7
8,2
9,8
0,7
0,9
1,2
1,7
2,3
3,1
4,6
100
200
500
1 000
2 000
5 000
14,6
17,0
19,0
21,0
23,0
27,0
11,0
12,0
13,0
14,5
15,0
16,0
6,1
8,0
12,0
16,0
22,0
29,0
значения максимальной высоты подъема облака ядерного взрыва,
е г о в е р т и к а л ь н ы е и г о р и з о н т а л ь н ы е р а з м е р ы при р а з л и ч н ы х мощностях взрыва и некотором среднем состоянии атмосферы.
И з т а б л . 3.1 с л е д у е т , что м а к с и м а л ь н а я в ы с о т а п о д ъ е м а о б л а к а
и з м е н я е т с я м е ж д у 2,7 и 27 к м , а р а д и у с — м е ж д у 0,7 и 29 к м при
изменении м о щ н о с т и в з р ы в а ( т р о т и л о в о г о э к в и в а л е н т а ) от 500 т
д о 5 М т . К р о м е м о щ н о с т и в з р ы в а , на в ы с о т у п о д ъ е м а о б л а к а о к а з ы в а ю т в л и я н и е м е т е о р о л о г и ч е с к и е ф а к т о р ы , п р е ж д е в с е г о распределение температуры и скорости ветра с высотой (термическая
и в е т р о в а я с т р а т и ф и к а ц и я ) . Ф и з и ч е с к и очевидно, что чем б о л е е
устойчива термическая стратификация слоя атмосферы, в котором
п р о и с х о д и т п о д ъ е м о б л а к а , т е м на м е н ь ш е й в ы с о т е п р о и з о й д е т
выравнивание температур и прекратится подъем облака.
3.4. В л и я н и е м е т е о у с л о в и й н а в ы с о т у п о д ъ е м а
о б л а к а ядерного взрыва
П у с т ь ч а с т и ц а с м е с т и л а с ь по в е р т и к а л и с у р о в н я z, где она
и м е л а м а с с у М и п о т е н ц и а л ь н у ю т е м п е р а т у р у 6 ; ( г ) , на у р о в е н ь
2 + S z , г д е ее м а с с а р а в н а М + & М и п о т е н ц и а л ь н а я т е м п е р а т у р а
0/(z + $2). У в е л и ч е н и е м а с с ы ч а с т и ц ы на 6 М п р о и з о ш л о з а счет
присоединения
к частице
(вовлечения)
воздуха
окружающей
* За единицу мощности взрыва принято количество тепла, выделяющееся
при взрыве 1 т тротила.
46
с р е д ы , п о т е н ц и а л ь н у ю т е м п е р а т у р у к о т о р о й на в ы с о т е z о б о з н а ч и м
через В ( г ) . Н а о с н о в е з а к о н а с о х р а н е н и я т е п л а * м о ж е м з а п и с а т ь
( М + б М ) 0г (z + 62) = Мб/ (г) + 6М0 (г),
откуда
е,- [z + б.г) =
,
(3.2)
П р е д с т а в и в п о т е н ц и а л ь н у ю т е м п е р а т у р у 0 ( 2 + 62) н а в ы с о т е
г + б г в виде с у м м ы 0 ( 2 + б г ) = 0 ( 2 ) + 66, с о с т а в и м р а з н о с т ь
Л0 = 0,-(z + 6 2 ) — 8 (z + 62), к о т о р а я с у ч е т о м (3.2) з а п и ш е т с я
в виде
Последнее слагаемое в числителе этого
соотношения
пренебреж и м о м а л о по с р а в н е н и ю с д р у г и м и с л а г а е м ы м и . З а п и с ы в а я р а з ность А 0 ( б + 6 2 ) в в и д е
А0 (2 + 62) = Д9 (z) + (d AQ/dz) 6z = [0г (z) — 0 (2)] + (d AQ/dz) 62
и в с т а в л я я в (4.3), п о л у ч и м
+
=
(3-4)
при э т о м п р и р а щ е н и я ( д и ф ф е р е н ц и а л ы ) п р е д с т а в л е н ы в в и д е 60 =
— (dQ/dz)8z
и 8М = (dM/dz)8z
и отброшено малое слагаемое
( d M / d z ) ( d M / d z ) (8z/M)
в л е в о й ч а с т и (3.4).
У р а в н е н и е (3.4) п р е д с т а в л я е т с о б о й д и ф ф е р е н ц и а л ь н о е у р а в нение п е р в о г о п о р я д к а д л я н е и з в е с т н о й р а з н о с т и (А0) потенциальных температур частицы (облака) и атмосферы. В общем случ а е в о ш е д ш и е в л е в у ю ч а с т ь (3.4) в е л и ч и н ы а — (1 /М) (dM/dz)
и
ув = dQ/dz — д о с т а т о ч н о с л о ж н ы е ф у н к ц и и в ы с о т ы . Н а и б о л ь ш и е
т р у д н о с т и в ы з ы в а е т о п р е д е л е н и е величины а , к о т о р а я п р е д с т а в л я е т с о б о й м а с с у в о в л е к а е м о г о ( п р и с о е д и н я е м о г о ) в о з д у х а , отнес е н н у ю к е д и н и ц е в ы с о т ы и единичной м а с с е ч а с т и ц ы , т. е. у д е л ь ную скорость вовлечения.
Н а и б о л е е простое предположение, которое можно сделать о вел и ч и н а х а и у е , — это их н е з а в и с и м о с т ь от в ы с о т ы
(a^const,
* Согласно уравнению первого начала термодинамики, при отсутствии смешения (притока тепла) потенциальная температура частицы сохраняется постоянной (0 = const). Изменяется же потенциальная температура только под влиянием притока тепла —• в данном случае смешения частицы с окружающим воздухом.
47
Ye
const).
имеет вид
Решение уравнения
(3.4)
при э т о м
Де=(де„ + -^-)ехр(-аг)
предположении
,
(3.5)
где ДОо — р а з н о с т ь п о т е н ц и а л ь н ы х т е м п е р а т у р на и с х о д н о м у р о в н е
(2 = 0 ) .
В ы с о т а п о д ъ е м а о б л а к а , к о т о р у ю о б о з н а ч и м через zm,
опред е л я е т с я из у с л о в и я Д0 = 0. П о л а г а я в (3.5) г — zm и ДО = 0,
получаем следующую формулу для z m :
^
=
+
<3'6>
Ф о р м у л о й (3.6)
можно пользоваться только в тех случаях,
к о г д а в ы с о т а п о д ъ е м а о б л а к а не в ы х о д и т з а п р е д е л ы т р о п о с ф е р ы .
zm
км
Рис. 3.2. Высота подъема облака ядерного взрыва в различных широтных зонах.
1 — тропики, 2, 3 — умеренные широты летом (2) и зимой (3), 4 — высокие
широты, 5 — толщина облака; точки излома на кривых соответствуют высоте
тропопаузы.
О д н а к о о б о б щ е н и е ф о р м у л (3.5) и (3.6) на т е с л у ч а и , к о г д а zm
п р е в о с х о д и т в ы с о т у т р о п о п а у з ы , не п р е д с т а в л я е т б о л ь ш о г о т р у д а .
В с а м о м д е л е , е с л и Д0н — р а с с ч и т а н н а я по (3.5) р а з н о с т ь потенц и а л ь н ы х т е м п е р а т у р о б л а к а и а т м о с ф е р ы на у р о в н е т р о п о п а у з ы
(z = Н), то р е ш е н и е у р а в н е н и я (3.4) при z > Н м о ж н о з а п и с а т ь
в виде
де = ( д е я +
48
e x p [ a ' (Z _ Я ) ] -
,
(3.7)
где Ye и а ' — значения параметров 79 и а выше тропопаузы (поскольку в стратосфере стратификация близка к изотермической,
то уе можно полагать равным 10 К / к м ) . В ы т е к а ю щ а я из (3.7)
формула для высоты подъема о б л а к а zm имеет вид
zm = H
1
A /YA
а
Д9Я + ve/а
(3.8)
^
В о ш е д ш а я сюда разность Д0 Н находится по (3.5):
Д 0 я = (д0 о +
- ^ - ) е х р ( - а Я ) - - ( 3 . 9 )
Р е з у л ь т а т ы расчета г т по ф о р м у л а м (3.8) и (3.9) при средних
д л я различных широтных зон (тропики, умеренные широты летом
и зимой, Арктика)
значениях Н, ув и
=
К/км, а =
4
— 5-10~ с м ' приведены на рис. 3.2.
3.5. Оседание радиоактивного облака
на земную поверхность
П о д ъ е м о б л а к а ядерного взрыва прекратится тогда, когда его
температура сравняется с температурой окружающего воздуха.
После этого движение о б л а к а определяется двумя факторами:
действием силы тяжести в сочетании с силами сопротивления со
стороны воздуха и полем ветра. П о д влиянием первого из этих
факторов происходит опускание радиоактивных частиц, под влиянием второго — перенос о б л а к а по горизонтали.
Рассмотрим влияние скорости ветра на процесс осаждения
радиоактивного облака. Наиболее просто этот вопрос решается
в том случае, когда о б л а к о состоит из частиц одного и того ж е
р а з м е р а и скорость ветра постоянна на всех высотах к а к по величине, так и по направлению. В этом идеализированном случае
траекториями частиц примеси будут служить прямые линии, наклон которых к оси х, направленной вдоль ветра, равен отношению т/с (w — скорость падения частиц, с — скорость в е т р а ) . Р а с стояние по горизонтали х\, на которое сместится частица, располож е н н а я в начальный момент на высоте z\ определяется из соотношения
5Г=-Т-.
с
откуда xi — —
W
(ЗЛ0>
,
где н — время падения частицы с высоты zi.
.
В этом случае след о б л а к а на земной поверхности по ф о р м е
совпадает с формой о б л а к а в момент достижения максимальной
высоты. Д л и н а следа, согласно (ЗЛО), во столько р а з больше высоты о б л а к а , во сколько р а з с больше w.
4
Заказ № 33
49
В реальных условиях радиоактивное облако состоит из частиц
различного размера, а скорость ветра изменяется с высотой п о
величине и направлению.
Будем считать, что распределение скорости ветра с высотой
к моменту ядерного взрыва известно. Оно может быть получено:
или путем непосредственных измерений (наиболее надежный способ), или на основе прогноза. Р а з о б ь е м слой атмосферы м е ж д у
Р и с . 3.3. С х е м а , п о я с н я ю щ а я п о с т р о е н и я с л е д а
р а д и о а к т и в н о г о о б л а к а на земной поверхности.
земной поверхностью и верхней границей радиоактивного о б л а к а
на несколько слоев, толщина которых выбирается таким образом,
чтобы в пределах каждого из них скорость ветра (по величине и
направлению) можно было считать не зависящей от высоты.
Пусть Cl, C2, . . ., с п обозначают векторы скорости ветра в слоях
1, 2, 3, . . ., п, толщиной около 1 км (порядковый номер слоя возрастает от земной поверхности к вершине о б л а к а ) .
Проследим за оседанием частиц облака какого-либо определенного размера. Скорость падения частиц зависит от радиуса г
и высоты г.
Если толщину слоев выбирать таким образом, чтобы частицы
фиксированного р а з м е р а проходили их за одно и то ж е время
(Ац = Azi/Wi = const) то, очевидно, толщина этих слоев с увеличением высоты д о л ж н а несколько возрастать (w-t с увеличением
высоты растет).
Все частицы из первого слоя осядут на землю за время
—
= b.z\jw\. При этом радиоактивный след на земной поверхности
совпадет по направлению с вектором скорости ветра Ci в этом
слое (вектор O B j на рис. 3.3), Д л и н а следа h составит
'
= с , Д^,
1
1
Wi
Дг,.
1
Проследим за движением частиц из второго слоя *. В течение
промежутка -времени Д^2 = Д22/®2 радиоактивные частицы этого
* Все д а л ь н е й ш и е
верхней границе слоя.
50
рассуждения
относятся
к
частицам,
расположенным
на
слоя будут смещаться по горизонтали в направлении вектора с 2 .
К концу промежутка At 2 частицы второго слоя сместятся по горизонтали на расстояние /2 = с 2 Аг'г в точку А (см. рис.. 3.3). В течение следующего промежутка времени A/j частицы второго слоя
будут перемещаться по горизонтали в направлении вектора скорости Сь К концу промежутка времени At2-\-At\ частицы второго
слоя осядут на землю в точке Bz. Таким образом, д л я того чтобы
определить положение частиц, осевших на землю из второго слоя,
нужно сложить векторы с 2 At 2 и Ci Д ^ :
0'32 — с2 At2 + с, Аа1,.
Нетрудно видеть, что мы придем в ту ж е самую точку В2, если
от эпицентра взрыва О сначала отложим вектор OBi == с\ At\, а затем сложим его с вектором BjB 2 = с 2 At 2 , т. е. в последнем соотношении слагаемые поменяем местами. В точке В\ осядут частицы,
находившиеся в начальный момент на верхней границе первого
слоя.
Р а с с у ж д а я таким ж е образом, покажем, что для определения
положения точки В; на земной поверхности, в которую осядут
радиоактивные частицы, находившиеся в начальный момент на
верхней границе i-того слоя, необходимо построить сумму векторов
ci Atu с 2 At2, • • •,
1, Ati-i, сi Ati. При этом за начало первого вектора принимается эпицентр взрыва, а конец к а ж д о г о предыдущего
вектора служит началом следующего (рис. 3.4).
Поскольку толщина слоев выбрана так, что время падения
частиц в к а ж д о м из них одно и то ж е (At\ = At2 — ... =
Atn),
то вместо построения суммы векторов cj А^, с2 At2, ... можно построить сумму векторов скорости ветра c b с 2 , . . . Т а к а я замена
будет означать, по-видимому, лишь изменение масштаба, который
принят при построении графика.
Все предыдущие рассуждения относились к частицам определенного радиуса. Д л я частиц другого радиуса направление движ е н и я в к а ж д о м слое остается таким же, как и в первом случае,
но длина векторов OBi, BiB 2 , . . . изменяется. Обозначим через г '
и z" наибольший и наименьший * радиусы радиоактивных частиц,
встречающихся в облаке, а через w' и w" — соответственно скорости падения этих частиц. Время падения частиц радиусом г' и г "
через t-тый слой найдем из соотношений:
At\ = Azi/w'i] At'i — Azi/w'i.
Т а к к а к зависимость скорости падения от высоты (через температуру) для частиц разного радиуса практически одинакова, то
переход к ' ч а с т и ц а м другого р а з м е р а не с к а ж е т с я на выборе толщины слоев: если слои выбраны так, что A^i = At 2 — . . . — At, то
* Теоретически в облаке встречаются
частицы
всевозможных
размеров
(от 0 д о / * т а х ) - О д н а к о п р а к т и ч е с к и в к а ж д о м о б л а к е м о ж н о у к а з а т ь т а к о й
минимальный и такой максимальный радиусы, между которыми
заключено
свыше, например, 99 % всех частиц.
4*
51
и At'i = At2 = . . . = A f , At"\ - At2 = . . . = А*". Но, конечно,
Atф At'ф At", а именно At'>
At > At". Путь, проходимый п о
горизонтали частицами минимального радиуса за время Ati, в течение которого они находились в слое Azi, равен CiAti. Поскольку
отрезок ОВ\ = с\ At, то
с, At' = с, At At'/At = OBi
Рис.
At'/At.
3.4. П л о щ а д ь р а д и о а к т и в н о г о з а р а ж е н и я м е с т н о с т и п р и
изменяющейся
с высотой скорости ветра (по направлению и м о д у л ю ) .
1 — площадь
выпадения,
2 — поправка
на
турбулентную
диффузию.
Увеличивая ОВ\ в At'/At раз, найдем положение точки В ь в которой о к а ж у т с я частицы радиусом г', находившиеся в начальный
момент на верхней границе слоя Az\. Поскольку в такое ж е число
раз д о л ж н ы быть увеличены и отрезки В1В2, В2Вг, . . . , то нетрудно
показать, что д л я определения положения точек В2, В 3 , . . . , в которых о к а ж у т с я частицы с верхней границы второго, третьего
и т. д. слоев, необходимо увеличить отрезки ОВ2, ОВ3, . . . в At'/At
раз. Построенная таким образом л о м а н а я линия OBiB 2 B 3 служит
следом радиоактивных частиц минимального радиуса. Уменьшая
отрезки OB 1, ОВ2, . . . в At"/At раз, получим след OB\B2B3
частиц
максимального радиуса. П л о щ а д ь , заключенная между ломаными
OBiB2B3
и ОВ\В'2В3,
представляет собой радиоактивный след
52
о б л а к а ядерного взрыва на земной поверхности. Н а рис. 3.4 к а ж дый из отрезков OBi, ОВ2, ... увеличен, а ОВ\, ОВ2, • • • у м е н ь шен на '/7 своей длины с целью приближенного учета в л и я н и я
турбулентного обмена на радиоактивное облако.
Нетрудно видеть, что радиоактивные частицы всех размеров,,
которые находились в начальный момент в i-том слое, после выпадения на землю располагаются вдоль прямой O B i B i B i .
Если скорость ветра изменяется во времени, то строится в т о р а я
д и а г р а м м а , соответствующая условиям, которые наступят через.
2, 4, 6 ч от момента взрыва. Район выпадения частиц на д а н н ы й
момент времени определяется путем интерполяции между последовательными д и а г р а м м а м и .
Общее время ближнего выпадения радиоактивных продуктов
ядерного взрыва составляет д л я бомб средней и большой мощности, к а к правило, 6—8 ч. Р а з м е р ы области з а р а ж е н и я колеблются
в широких пределах в зависимости от скорости ветра и ее изменения с высотой. В качестве примера на рис. 3.5 приведены рассчитанные с помощью Э В М площади радиоактивного з а р а ж е н и я
местности при двух распределениях скорости ветра с высотой череа
0,5, 1, 2 и 6 ч от момента взрыва (мощность взрыва 1 М т ) . В первом из этих случаев скорость ветра до больших высот
(около
20 км) мало изменялась по направлению; вследствие этого изолинии уровней радиации напоминают эллипсы, сильно вытянутые
в направлении ветра. Во втором случае скорость ветра в слое д о
20 км сильно изменяется по направлению, вследствие чего изолинии уровней радиации имеют форму, близкую к окружности. Площ а д ь з а р а ж е н и я во втором случае значительно меньше, а уровень
радиации больше, чем в первом.
Т а к к а к в атмосфере наблюдаются самые различные профили
скорости ветра, то из предыдущего следует, что и площадь заражения местности радиоактивными частицами может иметь самуюразнообразную форму при взрывах одинаковой мощности.
Средний ветер. Н а р я д у с рассмотренной схемой прогноза р а д и а ционной обстановки в районе ядерного взрыва, учитывающей изменение скорости ветра, широкое распространение получил метод,
прогноза ее по т а к называемому среднему, или эффективному
среднему, ветру. Последний представляет собой векторную сумму
скоростей ветра от земной поверхности до верхней кромки о б л а к а
ядерного взрыва в момент достижения им максимальной высоты,,
деленную на число суммируемых векторов.
Графически средний ветер определяется так. От эпицентра
взрыва о т к л а д ы в а е м векторы скорости ветра, т а к ж е к а к и при
построении рис. 3.4. Если теперь точку О на этом рисунке соединить с концом последнего вектора (т. е. с точкой В 6 ) и отрезок OB s .
поделить на шесть равных частей (в данном случае), то полученный таким образом вектор ОС и будет представлять собой (по мод у л ю и направлению) средний ветер. Если прогноз радиационной
обстановки осуществляется по среднему ветру, то изолинии уров5а
•ней радиации и з о б р а ж а ю т с я в виде эллипсов, большая ось которых
зависит от средней скорости ветра, а м а л а я составляет около
0,1 длины большой (рис. 3.6).
Из предыдущих рассуждений следует, что средний ветер в слое
о т земной поверхности до уровня z n с достаточной точностью
Р и с . 3.5. П р и м е р р а с ч е т а н а Э В М п л о щ а д и р а д и о а к т и в н о г о з а р а ж е н и я м е с т н о с т и
ч е р е з 0,5, 1, 2 - й 6 ч о т м о м е н т а в з р ы в а п р и м а л о м е н я ю щ е м с я д о в ы с о т ы 2 0 к м
« а п р а в л е н и и в е т р а ( а ) и п р и р е з к о м е н я ю щ е м с я д о в ы с о т ы 20 к м н а п р а в л е н и и
ветра (б).
Цифры
на
изолиниях — уровни радиации
в
Р/ч.
можно заменить на скорость ветра с* на высоте z* середины
этого слоя: z* = znj2. Так, при высоте верхней кромки о б л а к а
•ядерного взрыва (в момент его стабилизации), равной 6 км, в качестве среднего ветра можно использовать скорость ветра, измеренную на высоте 3 км, или геострофический ветер, определенный
по карте барической топографии поверхности 700 гПа; при высоте
верхней кромки 9—11 км
(мощность взрыва 10—20 тыс. т)
54
с вполне удовлетворительной точностью средний ветер равен скорости ветра, измеренной на высоте 5 км, или геострофическому
ветру, определенному по карте топографии поверхности 500 г П а .
Д а н н ы е о ветре, снятом с к а р т ы 300 гПа, можно использовать д л я
прогноза радиационной обстановки (по методике среднего в е т р а ) ,
возникающей от взрывов мощностью 20—50 тыс. т.
Р и с . 3.6. С х е м а п о с т р о е н и я с л е д а р а д и о а к т и в н о г о о б л а к а н а з е м н о й
п о м е т о д у с р е д н е г о в е т р а ( с = 6,7 м / с ) .
поверхности
И з предыдущих рассуждений и примеров следует, что прогноз
радиационной обстановки по среднему ветру можно использовать
лишь в качестве первого (достаточно грубого) приближения.
3.6. Проблема атмосферного озона
Трехатомный кислород 0 3 , называемый озоном, несмотря н а
его ничтожно малое количество в атмосфере, играет исключительно*
в а ж н у ю роль в атмосферных процессах и явлениях. Слой озона
служит своеобразным щитом, предохраняющим живые организмы,,
не исключая и человека, от губительного действия жесткого ультрафиолетового излучения Солнца.
Озон сильно поглощает ультрафиолетовую радиацию с д л и н а м »
волн 0,22—0,29 мкм
(с максимумом поглощения при К =
= 0,255 м к м ) .
П о к а з а т е л и . поглощения озона в этом участке спектра н а столько велики, что солнечная р а д и а ц и я полностью поглощается
у ж е в самой верхней части озонного слоя — на высоте 45—50 км
и более. Б л а г о д а р я этому температура воздуха в верхней части,
стратосферы (на высоте около 50 км) возрастает до значений,,
близких к нулю.
Ультрафиолетовые лучи о б л а д а ю т высокой биологической активностью: они убивают бактерии многих видов, вызывают з а г а р
и д а ж е ожоги человеческой кожи, содействуют образованию в организме витамина D, способствующего росту и предупреждающему
заболевание детей рахитом. Однако полезными оказываются л и ш ь
небольшие дозы ультрафиолетовой радиации. Известны вредные
последствия неумеренного з а г а р а и его связь с раком. И это при
55.
условии, что до земной поверхности доходит лишь ничтожно м а л а я
д о л я биологически активных лучей (с длиной волны 0,29—
0,32 м к м ) . В случае отсутствия озоносферы биологически активные
ультрафиолетовые лучи способны совершенно изменить все биологические процессы, а возможно, и в целом органическую жизнь
•на Земле. Отсюда становится понятным то большое внимание, которое уделяется изучению атмосферного озона. Этот интерес особенно усилился в последние годы в связи с обнаруженным после
1979 г. резким уменьшением содержания озона над Антарктидой —
явления, получившего название «озонной дыры».
Приведем некоторые сведения об озоне (более полные привод я т с я в других специальных курсах). Озон наблюдается в слое от
.земной поверхности до высоты около 70 км, основная ж е масса
•его сосредоточена в слое 15—55 км с максимумом концентрации
в слое 20—25 км. Общее содержание озона (X) в вертикальном
столбе, если его привести к нормальному давлению (1013 г П а ) при
температуре 0 ° С колеблется от 1 до 6 мм. Величину X называют
приведенной толщиной слоя озона.
По данным измерения содержания озона с помощью озонозонд о в и со спутников (начиная с а в г у с т а , 1967 г.), удельное содерж а н и е озона (отношение плотности озона к плотности воздуха,
в ы р а ж а е м о е обычно в миллионных долях единицы, т. е. величина
10 6 г) в среднем по северному полушарию достигло минимума
(около 288 м л н - 1 )
в 1961—1962 гг., максимума
(примерно
308 м л н - 1 ) — в 1972—1974 гг. В среднем по южному полушарию
максимального значения (около 305 м л н - 1 ) г достигло в 1958 г.,
минимального (около 295 м л н - 1 ) в 1964—1965 гг.
В течение года максимум г наблюдается весной, а минимум —
•осенью. В среднем по северному полушарию г составляет 330—
3 5 0 м л н - 1 в апреле и 270—275 м л н - 1 — в октябре. В высоких широтах максимальные значения г (весной) выше, чем в среднем по
полушарию. Так, максимум г в южном полушарии весной (октябрь) достигал 340 м л н - 1 в субполярной зоне и 410 м л н - 1 — в полярной.
Содержание озона в последние десятилетия в среднем по полуш а р и я м и земному шару в целом возрастает (в северном полушарии примерно на 40 м л н - 1 за период 1956—1970 гг.). Однако наблюдаются значительные колебания г от одного года к другому.
Т а к , в начале 60-х годов содержание озона уменьшилось, что связ ы в а ю т с увеличением в стратосфере концентрации оксидов азота
(действующих р а з р у ш а ю щ е на озон) под влиянием происходивших
в те годы массовых испытаний ядерного оружия (другие авторы
к о л е б а н и я концентрации озона связывают с солнечной активностью) .
Хотя о колебаниях содержания озона было известно и раньше,
«однако большой неожиданностью явилось его резкое уменьшение
над Антарктидой. Вместо обычно наблюдавшегося весной максимума (как правило, больше 340 м л н - 1 ) начиная с 1979 г. в окт я б р е к а ж д о г о года, вплоть до 1986 г., наблюдалось резкое умень56
шение общего содержания озона — сформировалась озонная дыра»
П л о щ а д ь последней с к а ж д ы м годом становилась все больше, д о стигнув в 1984—1985 гг. нескольких миллионов квадратных километров.
Н а ч и н а я с 1982 г. в центре дыры начал формироваться относительный максимум содержания озона (около 250 м л н - 1 ) , вокруг
него сохранялось кольцо низкого содержания озона.
Высказано несколько гипотез образования озонной дыры. П е р вая гипотеза связывает ее формирование с 11-летним циклом солнечной активности. Н а 1975—1986 гг. приходится 21-й очень активный цикл солнечной деятельности (в максимуме активности числопятен на Солнце в этом цикле достигало 170, в то время к а к для;
средних условий оно составляет 100—110). П о д влиянием излучений Солнца в мезосфере и верхней стратосфере увеличивается сод е р ж а н и е оксидов азота — в годы максимума активности на 50—
60 % по сравнению со средними условиями. Последующий перенос
NO* в среднюю часть стратосферы (на высоту 20—30 км) и фотохимические реакции азотного цикла
NO - f 0 3 ->- N 0 2 + 0 2 ,
N02 + 0 - » N 0 + 02,
03 + О
202
приводят к уменьшению содержания озона. Н а р я д у с азотным
циклом уменьшение 0 3 могут вызывать реакции хлорного, гидрогенного, бром-хлорного, хлор-гидрогенного и некоторых других
циклов, при этом реакции идут значительно быстрее при наличии
стратосферных облаков.
Однако азотный фотохимический механизм, связанный с солнечной активностью, противоречит тому факту, что в 19-м цикле,,
т а к ж е очень активном (число пятен в максимуме достигало 180),
значительного уменьшения содержания озона не наблюдалось.
Вторая гипотеза связывает образование озонной дыры с общей
циркуляцией атмосферы. Если при этом увеличивается поток оксидов азота (равно к а к и оксидов хлора, брома и др.) антропогенного происхождения из низких и умеренных широт в высокие, топод влиянием у к а з а н н ы х выше реакций произойдет уменьшение
содержания озона.
Перенос антропогенных примесей осуществляется как упорядоченными воздушными течениями (типа ячеек циркуляции), т а к
и в процессе смещения из одних широтных зон в другие синоптических вихрей (циклонов и антициклонов).
Однако не ясно, почему механизм, связанный с переносом антропогенных примесей, не проявил себя ни в один из сезонов в северном полушарии, где в стратосферу хлорных, бромистых и других соединений, р а з р у ш а ю щ и х озон, поступает больше, ч е м
в южном.
Проблема озона в целом и озонной дыры, в частности, нуждается в дальнейших теоретических и экспериментальных исследованиях.
ГЛАВА 4. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ
ОТ ПОДВИЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВЫБРОСОВ
4.1. Введение
В последние десятилетия в связи с быстрым развитием автотранспорта и авиации существенно увеличилась доля выбросов,
поступающих в атмосферу от подвижных источников: грузовых и
легковых автомобилей, тракторов, тепловозов и самолетов. Согласно оценкам, в городах на долю автотранспорта приходится
(в зависимости от развития в данном городе промышленности и
числа автомобилей) от 30 до 70 % общей массы выбросов. В США
в целом по стране по крайней мере 40 % общей массы пяти основных загрязняющих веществ составляют выбросы подвижных, источников.
4.2. Автотранспорт
Основной в к л а д в загрязнение атмосферы вносят автомобили,
р а б о т а ю щ и е на бензине (в США на их долю приходится около
75 % ) , затем самолеты (примерно 5 % ) , автомобили с дизельными
двигателями (около 4 % ) , тракторы и другие сельскохозяйственные
машины (около 4 % ) , железнодорожный и водный транспорт
(примерно 2 % ) , К основным загрязняющим атмосферу веществам,
которые выбрасывают подвижные источники- (общее число таких
веществ превышает 40), относятся оксид углерода (в США его
д о л я в общей массе составляет около 7 0 , % ) , углеводороды (примерно 1 9 % ) и оксиДы азота (около 9 % ) . Оксид углерода (СО)
и оксиды азота (NO*) поступают в атмосферу только с выхлопными газами, тогда как не полностью сгоревшие углеводороды
(НпСт) поступают к а к вместе с в ы х л о п н ы м и . г а з а м и (что составл я е т примерно 60 % от общей массы выбрасываемых углеводород о в ) , т а к и из картера (около 20 % ) , топливного бака (около
1 0 % ) и карбюратора (примерно 1.0 % ) ; твердые примеси поступают в основном с выхлопными газами (90 %) и из картера (10..%).
Наибольшее количество загрязняющих веществ выбрасывается
при разгоне автомобиля, особенно при быстром, а т а к ж е при движ е н и и с малой скоростью (из диапазона наиболее экономичных).
Относительная доля (от общей, массы выбросов) углеводородов и
оксида углерода наиболее высока при торможении и на холостом
ходу, доля оксидов а з о т а — - п р и разгоне. .Из этих данных следует,
что автомобили ^особенно сильно загрязняют воздушную среду при
частых остановках и при движении с малой скоростью.
Создаваемые в городах системы движения в режиме «зеленой
волны», существенно сокращающие число остановок транспорта
на перекрестках, призваны сократить з а г р я з н е н и е - а т м о с ф е р н о г о
воздуха в городах. Большое влияние на качество и количество
выбросов примесей оказывает режим работы двигателя, в частнос т и соотношение между массами топлива и воздуха, момент за.58
жигания, качество топлива, отношение поверхности к а м е р ы сгорания к ее объему и др. При увеличении отношения массы воздуха
и топлива, поступающих в камеру сгорания, сокращаются.выбросы
оксида углерода и углеводородов, но возрастает выброс оксидов
азота.
Несмотря на то что дизельные двигатели более экономичны,,
таких веществ, к а к СО, H„C m , N 0 * , выбрасывают не более, чем
бензиновые, они существенно больше выбрасывают дыма (преимущественно несгоревшего углерода), который к тому ж е о б л а д а е т
неприятным запахом (создаваемым некоторыми несгоревшима
углеводородами). В сочетании ж е с создаваемым шумом д и з е л ь ные двигатели не только сильнее загрязняют среду, но и воздействуют на здоровье человека гораздо в большей степени, чем бензиновые.
4.3. Самолеты
Хотя суммарный выброс з а г р я з н я ю щ и х веществ д в и г а т е л я м и
самолетов сравнительно невелик (для города; страны), в р а й о н е
аэропорта эти выбросы вносят определяющий в к л а д в загрязнениесреды. К тому ж е турбореактивные двигатели (так ж е к а к дизельные) при посадке и взлете выбрасывают хорошо заметный на глаз,
шлейф дыма. Значительное количество примесей в аэропорту выбрасывают и наземные передвижные средства, п о д ъ е з ж а ю щ и е и:
о т ъ е з ж а ю щ и е автомобили. В аэропорту Лос-Анджелеса в 1970 г..
эмиссия от самолетов и наземных средств составила:
Вещество
Эмиссия, т
самолеты
наземные средства
СО
ИпСт
NO*
Аэрозоль.
10 2 6 0
8 980
18 0 0 0
1 235
2 500
750
3 820
80
Согласно полученным оценкам, в среднем около 42 % общегорасхода топлива тратится на выруливание самолета к взлетно-посадочной полосе ( В П П ) перед взлетом и на заруливание с В П П
после посадки (по времени в среднем около 22 мин). При этомдоля несгоревшего и выброшенного в атмосферу топлива при рулении намного больше, чем в полете. Помимо улучшения работы:
двигателей (распыление топлива, обогащение смеси в зоне горения, использование присадок к топливу, впрыск воды и др.), существенного уменьшения выбросов можно добиться путем сокращения времени работы двигателей на земле и числа работающих
двигателей при рулении (только за счет последнего достигается'
снижение выбросов в 3—8 р а з ) .
В последние 10—15 лет большое внимание уделяется исследованию тех эффектов, которые могут возникнуть в связи с полетамисверхзвуковых самолетов и космических кораблей. Эти полеты
сопровождаются загрязнением стратосферы оксидами азота и
серной кислотой (сверхзвуковые самолеты), а т а к ж е частицамиоксида алюминия (транспортные космические к о р а б л и ) . Поскольку
59-
э т и загрязняющие вещества разрушают озон, то первоначально
создалось мнение (подкрепленное соответствующими модельными
расчетами), что планируемый рост числа полетов сверхзвуковых
самолетов и транспортных космических кораблей приведет к существенному уменьшению содержания озона со всеми последующими губительными воздействиями ультрафиолетовой радиации на
•биосферу Земли. Однако более глубокий подход к этой проблеме
позволил сделать заключение о слабом влиянии выбросов сверхзвуковыми самолетами на состояние стратосферы. Так, при современном числе сверхзвуковых самолетов и выбросе загрязняющих
веществ на высоте около 16 км относительное уменьшение содерж а н и я Оз может составить примерно 0,60 %; если их число возрастет до 200 и высота полета будет близка к 20 км, то относительное уменьшение содержания Оз может подняться до 1 7 % .
Глобальная приземная температура воздуха за счет парникового
эффекта, создаваемого выбросами сверхзвуковыми самолетами,
может повыситься не более чем на 0,1 °С.
Более сильное воздействие на озонный слой и глобальную темяературу воздуха могут оказать хлорфторметаны (ХФМ) фреон-11
и фреон-12 — газы, образующиеся, в частности, при испарении
аэрозольных препаратов, которые используются (преимущественно
женщинами) для крашения волос. Поскольку ХФМ очень инертны,
т о они распространяются и долго живут не только в тропосфере,
я о и в стратосфере. О б л а д а я довольно сильными полосами поглощения в окне прозрачности атмосферы (8—12 мкм), фреоны усил и в а ю т парниковый эффект. Наметившиеся в последние десятилетия темпы роста производства фреонов могут привести к увеличению содержания фреона-11 и фреона-12 в 2030 г. до 0,8 и
2,3 м л р д - 1 (при современных значениях 0,1 и 0,2 м л р д - 1 ) . Под
влиянием такого количества фреонов общее содержание озона в атмосфере уменьшится на 18 %, а в нижней стратосфере д а ж е на
4 0 % , глобальная приземная, температура возрастет на 0,12—
0,21 °С.
В заключение можно отметить, что все эти антропогенные эффекты перекрываются в глобальном масштабе естественными факторами, например загрязнением атмосферы вулканическими извержениями.
4.4. Шумы
Шумы относятся к числу вредных для человека загрязнений
а т м б с ф Т р й ' Р а з д р а ж а ю щ е е воздействие звука (шума) на человека
зависит от его интенсивности, спектрального состава и продолжительности воздействия. Шумы со сплошными спектрами менее
раздражительны, чем шумы узкого интервала частот. Наибольшее
раздражение вызывает шум в диапазоне, частот 3000—5000 Гц.
Работа в условиях повышенного шума на первых порах вызывает быструю утомляемость, обостряет слух на высоких частотах.
З а т е м человек как бы привыкает к шуму, чувствительность к вы«60
соким частотам резко падает, начинается ухудшение слуха, которое постепенно развивается в тугоухость и глухоту. При интенсивности шума 145—140 д Б возникают вибрации в мягких тканях
носа и горла, а т а к ж е в костях черепа и зубах; если интенсивность
превышает 140 дБ, то начинает вибрировать грудная клетка,
мышцы рук и ног, появляются боль в ушах и голове, крайняя
усталость и раздражительность; при уровне шума свыше 160 д Б
может произойти разрыв барабанных перепонок.
Однако шум губительно действует не только на слуховой аппарат, но и на центральную и вегетативную нервную систему человека, работу сердца, служит причиной многих других заболеваний. Одним из наиболее мощных источников шума являются
вертолеты и самолеты, особенно сверхзвуковые.
При тех высоких требованиях к точности и надежности управления современным самолетом, которые предъявляются к экипажу
летательного аппарата, повышенные уровни шумов оказывают
отрицательное воздействие на работоспособность и быстроту принятия информации экипажем. Шумы, создаваемые самолетами,
вызывают ухудшение слуха и другие болезненные явления у работников наземных служб аэропорта, а т а к ж е у жителей населенных пунктов, над которыми пролетают самолеты. Отрицательное
воздействие на людей зависит не только от уровня максимального
шума, создаваемого самолетом при пролете, но и от продолжительности действия, общего числа пролетов за сутки и фонового уровня
шумов. На интенсивность шума и площадь распространения существенное влияние оказывают метеорологические условия: скорость
ветра, распределение ее и температуры воздуха по высоте, облака
я осадки.
Особенно острый характер проблема шума приобрела в связи
с эксплуатацией сверхзвуковых самолетов. С ними связаны шумы,
.звуковой удар и вибрация ж и л и щ вблизи аэропортов. Современные
сверхзвуковые самолеты порождают шумы, интенсивность которых:
значительно превышает предельно допустимые нормы.
ГЛАВА 5. АНТРОПОГЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ
КЛИМАТА ГОРОДОВ
5.1. Введение
Загрязнение атмосферы городов всевозможными примесями
искусственного (антропогенного) происхождения было подмечено
значительно раньше, чем были обнаружены изменения других характеристик состояния атмосферы городов. Так, у ж е в I в. н. э. известный римскйй фйлософ Сёнёка писал^^ «Я почувствовал перемену
в настроении, как только покинул смрадный воздух Рима, воняющ и й дымными печами, которые изрыгают отвратительный чад и
61
сажу». Н а ч и н а я со средних веков, печальную известность получил
Лондон. И хотя было издано несколько указов королей (в 1273,
.1306, 1533 гг.), з а п р е щ а ю щ и х сжигать уголь, воздушный бассейн
Лондона п р о д о л ж а л загрязняться. Известный английский естествоиспытатель Д ж . Эвелин в 1661 г. писал: «В то время как во всех
других местах воздух прозрачен и чист, в Лондоне висит такое
облако серы, что Солнце едва проникает в город: усталый путник
за много миль, скорее почувствует запах, чем увидит город, к которому он стремится» *.
Если в доиндустриальную эпоху лишь немногие наиболее крупные города страдали от загрязнения, то начиная с прошлого века
таких городов становится все больше. В настоящее время во всех
городах с населением несколько сотен тысяч и тем более несколько
миллионов человек под влиянием антропогенных выбросов сформировалось облако («шапка») примесей в виде плотной дымки,
окутывающей город. Облако это (высотой от нескольких сотен
метров до 1—2 к м ) , как правило, легко различимо при подлете
к нему на самолете, а т а к ж е с возвышенностей в окрестностях города (например, с Пулковской высоты в Л е н и н г р а д е ) . Отметим
один любопытный факт. Хорошо известно, что с борта космических кораблей объекты (дороги, речки, поля и др.) видны лучше,
чем с малых и средних высот (один американский .астронавт написал, что из космоса прочитал д а ж е номер автомашины, стоявшей
в сельской местности). Объясняется это тем, что на больших высотах отсутствует рассеянный свет, который на малых и средних
высотах, поступая в глаз наблюдателя, уменьшает яркостный контраст между объектом и фоном. По этой ж е причине из шахты
или глубокого колодца днем можно видеть звезды.
И тем не менее ни одному космонавту или астронавту не удалось наблюдать из космоса какие-либо объекты (и д а ж е улицы)
в большом городе — все скрывает висящее над городом о б л а к о
примесей, имеющее на фотографиях, сделанных с космических
кораблей, вид размытого пятна.
З а г р я з н я ю щ и е вещества, поступающие из разлиных источников
в воздушный бассейн города, в сочетании с изменением свойств
земной поверхности (шероховатость, теплопроводность,
альбедо
и др.) и непосредственными тепловыделениями оказывают существенное обратное влияние на микро- и мезоклиматический режим
города и его окрестностей. П о д воздействием этих факторов произошли в городах определенные (отмечаемые не только по данным
инструментальных наблюдений, но и нередко субъективных наблюдений) изменения в полях температуры и влажности воздуха, скорости ветра, радиации, видимости, количества осадков, условий
формирования облаков и туманов. Остановимся на анализе резуль* Загрязнение Л о н д о н а удалось сначала приостановить (после отмеченной
у ж е в ы ш е т р а г е д и и 1952 г . ) , а з а т е м и н а ч а т ь с н и ж а т ь в п о с л е д н и е д е с я т и л е тия (справедливости ради отметим, что Л о н д о н — едва ли не единственный
г о р о д в мире, где з а г р я з н е н и е идет на у б ы л ь ) .
62
т а т о в наблюдений и объяснении возмущений в полях метеовеличин
по сравнению с о к р у ж а ю щ е й города естественной (не загрязненной антропогенными примесями) местностью.
5.2. Температура воздуха. Остров тепла
Отличие температуры воздуха в городе от температуры в е г о ;
окрестностях, по-видимому, впервые подметил в 1820 г. английский [
ученый Л ю к Хоуард, написавший первую книгу о климате города.
По д а н н ы м наблюдений за 1807—1816 гг. он установил, что разность средних месячных температур воздуха (ДТ) в Лондоне и '
его предместьях колеблется между 1,2 °С (ноябрь; близкие значения^
в сентябре и январе) и 0,27 °С (май). Наиболее значительна эта!
разность ночью (около 2 ° С ) , а днем, по данным Хоуарда, в городе?
примерно на 0,2 °С холоднее, чем в окрестностях.
Д л я другой европейской столицы — П а р и ж а - — с в е д е н и я о термическом режиме были опубликованы только в 1868 г. Рено писал:
« . . .в этой дымной аммиачной атмосфере температура воздуха
д о л ж н а быть выше, чем в .окружающих' П а р и ж деревнях». По его
д а н н ы м , среднее значение AT близко к 1 °С. Рено впервые отметил,
что «. . .города с г л а ж и в а ю т температурный ход, о с л а б л я я колебан и я температуры, особенно самые резкие. Этот эффект легче всего
.заметить во время вечернего похолодания в ясную спокойную
•погоду, в особёности при дымке, которак чаще окутывает города,
н е ж е л и деревни». Это очень в а ж н о е замечание, поскольку оно указывает на основной фактор формирования разности AT — различие
в радиационных потерях тепла земной поверхностью в городе и
окрестностях. Интересно у к а з а н и е Рено на то, что в сельской
местности число дней с температурой ниже нуля на 40 % больше,
•чем в пригородах П а р и ж а .
З а прошедшие (после пионерных работ Хоуарда и Рено) более
чем 100 лет достаточно детально исследован (на основании анал и з а данных ежедневных наблюдений на станциях, телебашнях
и высотных мачтах; путем проведения специальных съемок, измерений с самолетов, спутников и др.) метеорологический и климатический р е ж и м многих городов на всех континентах планеты. Приведем некоторые наиболее существенные результаты.
I
Практически во всех городах (больших и малых) наблюдается
тенденция к повышению температуры воздуха по сравнению с тем-!
пературой воздуха в окрестностях. В П а р и ж е максимальные ( д н е в ные)
температуры в период 1891 — 1968 гг. возрастали
на
0,011 °С/год, минимальные (ночные) на 0,019 °С/год.
В Японии тренд т е м п е р а т у р ы . за 30-летний период (1936—
1965 гг.) составил 0,03°С/год в трех крупных быстро растущих
городах и всего лишь 0,01 °С/год в трех небольших городах. По
. д а н н ы м наблюдений в пяти городах США в период 1895—1955 гг.^
' т р е н д температуры т а к ж е всюду положителен. Однако следует
подчеркнуть (и это очень в а ж н о д л я выяснения причин повышения
т е м п е р а т у р ы ) , что ее рост существенно различен в разные сезоны
63
/ года, а именно летом тренд существенно (в 2—3 р а з а ) больше,
Ччем зимой. Так, в Кливленде (штат Огайо) температура в период
1895—1941 гг. увеличивалась на 0,028 °С/год летом и только на
0,010 °С/год зимой; в Бостоне (штат Массачусетс) в 1895—
1933 гг. — на 0,026 °С/год летом и 0,016 °С/год зимой; в Вашингтоне и Б а л т и м о р е (штат Виргиния) — соответственно на 0,024 и
0,017 °С/год летом и на незначительную величину зимой.
Эти данные (равно к а к и ряд приводимых ниже) с полной
убедительностью опровергают точку зрения тех исследователей,
которые полагают (как правило, не приводя количественных оценок), что основную роль в повышении температуры воздуха в городе играют антропогенные выбросы тепла. Несмотря на то что
эти выбросы в отопительный сезон (зимой) намного больше, чем
летом, тем не менее тренд зимних температур существенно меньше
тренда летних.
Остановимся несколько подробнее на анализе температуры
воздуха в городе Г г0 р и его окрестностях (Гокр), а т а к ж е разности
АТ = Ггор
Токр
этих температур в двух самых крупных и наиболее полно обследованных городах Советского Союза — Москве и Ленинграде.
К а к многолетние (климатические) данные, т а к и данные специальных наблюдений (съемок) показывают, что температура
/ воздуха в большом городе может существенно отличаться от тем' пературы воздуха в окрестностях города. Р а з н о с т ь AT наиболее
часто положительна (город теплее окрестностей). Внутри города
температура воздуха (на уровне 2 м) в один и тот ж е момент
т а к ж е может изменяться в достаточно широких пределах. Наиболее высокие значения температуры наблюдаются, к а к правило,
в центральной части города, а по направлению к периферии температура понижается (изолинии разности температур практически
параллельны внешней границе города). При смене направления
^ ветра центральная часть области тепла (называемой нередко
«островом тепла») смещается в подветренную часть города.
По данным многолетних (1881 —1960 гг.) наблюдений, средние
за год и экстремальные значения температуры (°С) в .Москве
таковы:
Средняя температура
Район города
Северная окраина
Центр
Ю ж н а я окраина
за год
минимальная
максимальная
3,6—3,8
4,8
3,6—3,8
—0,4
1,3
0,1
8,0
8,7
7,7
Абсолютный
минимум
Абсолютный
максимум
—47
—40
—45
37
38
37
Таким образом, в среднем за год температура воздуха в центре
Москвы примерно на 1 °С выше, чем на окраинах. Особенно ве64
лико различие в абсолютных минимумах температуры — разность
достигает 7 ° С . По данным наблюдений на 14 станциях Москвы и
Московской области за 1946—1965 гг., средняя годовая температура воздуха в Лосиноостровской и Тушино на 1,0 °С ниже, чем
в центре Москвы (гостиница «Балчуг», вблизи которой находится
Московская гидрометеорологическая обсерватория ( М Г М О ) ) в Измайлове на 1,4 °С и в Немчиновке и Ленино-Дачное на 1,5 °С
ниже. М о ж н о отметить, что разность средних месячных температур воздуха в центре Москвы и в окрестностях в июле всюду
больше, чем в я н в а р е (на 0,4—0,5 °С при сравнении с Тушино и
Ленино-Дачное).
Приведем еще сведения о числе дней с температурой н и ж е
указанных значений по данным наблюдений на станциях М Г М О
(центр Москвы)
и ТСХА
(Сельскохозяйственная
академия
им. К- А. Тимирязева, северная окраина М о с к в ы ) :
7 °С
. . . ,. . .
МГМО
. ., .
.
ТСХА
. . ,. . .
<°
<5
<10
98
146
182
220
273
34
108
151
190
230
288
средних
Т °С
<—10
<—5
<0
—
—780
—910 М Г М О
—350
—925
. . .
. .
ТСХА . . .
суточных
температур на этих станциях еле-
Суммы
дующие:
МГМО
<15
< - 5
—
<-10
Т°С
. . .
>0
>5
>10
>15
. .
2550
2260
2205
1645
—1035 Т С Х А . . .
2470
2365
2055
1320
Средние температуры, вычисленные Для десятилетий за период
1879—1975 гг., в Москве (ТСХА) непрерывно (за исключением
1906—1915 гг.) возрастают в среднем на 0,2°С/10 лет
(за
100 лет — на 2 ° С ) . Наиболее заметное (на 0,5°С) повышение
температуры произошло в 1966—1975 гг. Средняя (5,2 °С) темпер а т у р а этого десятилетия превышает многолетнюю норму (4,0 °С)
на 1,2 °С. Е щ е более теплым о к а з а л о с ь пятилетие 1971—1975 гг.:
его средняя температура составила 5,7 °С, а 1975 г. о к а з а л с я самым теплым (средняя температура 6,7 q C ) за весь рассмотренный
период наблюдений. Средняя за 1879—1975 гг. температура янв а р я на станции ТСХА составляет —10,2 °С, июля 18,1 °С; самыми
теплыми были январь 1882 г. (—3,0 °С) и июль 1938 г. (23,3 ° С ) ,
а самыми холодными — январь 1883 г. (—21,6°С) и июль 1904 г.
(14,6°С). Абсолютный минимум (—42,2 Q C) н а б л ю д а л с я 17 я н в а р я
1940 г., абсолютный максимум (36,8 °С) — 7 августа 1920 г.
К а к эти, так и приведенные выше данные о разности АТ в Москве свидетельствуют о том, что в формировании острова тепла
выбросы антропогенного тепла не играют определяющей роли
(как на это у к а з ы в а е т с я в р я д е монографий и статей), поскольку
зимой выбросы эти существенно больше, чем летом (в то время
к а к рост температуры и значения AT летом больше, чем зимой).
5
Заказ № 33
65
Поскольку температура воздуха в городе монотонно повышается, наблюдается смещение д а т последнего весеннего (tB) и первого осеннего
заморозков. По данным наблюдений в Москве
(ТСХА), д л я продолжительности (в сут) безморозного периода
• (*„—tB) получено следующее уравнение регрессии:
t0 — tB = 144 + 1,501 (N -
1927),
где N — год, для которого определяется t0—tB.
Согласно этому
уравнению, безморозный Период за 50 лет увеличился на 75 сут
(со 144 сут в 1927 г. до 219 сут в 1977 г.). Однако поскольку сред-
Таблица 5.1
Средние и экстремальные значения температуры воздуха (°С)
за зиму (XII—II) и лето (VI—VIII) 1970—1974 гг.
Средняя
суточная
Средняя
минимальная
Средняя
максимальная
Абсолютный
минимум
Абсолютный
максимум
зима
зима
лето
зима
лето
зима
лето
-2,5
—3,9
—3,4
-3,7
-4,2
22,0
22,2
21,4
22,0
21,9
—27,0 2,9
—30,1 0,4
—32,3 —2,2
—36,7 —1,0
—33,1 0,0
7,4
6,4
6,3
7,2
6,5
33,6
32,7
32,7
33,5
33,8
Пункт .
зима
Ленинград
Воейково
Сосново
Белогорка
Волхов
—5,1
—6,6
—6,3
—7,0
—7,1
лето
те-
лето
17,6 —7,7 13,7
16,4 —9,5 11,8
16,0 —9,4 10,5
16,2 —10,4 10,6
16,5 —9,6 10,9
ние квадратические отклонения д а т tB и t0 достаточно велики (они
равны 12 и 10 сут), в к а ж д о м конкретном году возможны (и действительно наблюдаются) большие отклонения от определенных
по уравнениям регрессии.
Наиболее длительные в С С С Р систематические наблюдения за
погодой ведутся в Ленинграде: с 1749 г. Хотя метеостанция несколько р а з переносилась, однако во все периоды она находилась
недалеко от центра города. В настоящее время она расположена
на Петроградской стороне, на набережной р. Малой Невки. Окрестности представлены пунктами, удаленными от Ленинграда на 80—
100 км (исключение составляет Воейково, расположенное примерно на расстоянии 20 км от центра Л е н и н г р а д а ) . По многолетним (климатическим) данным, средние суточная, м а к с и м а л ь н а я и
минимальная температуры в Ленинграде на 1—2°С выше, чем
в окрестностях, к а к в среднем за год, т а к и за различные сезоны.
Д л я Ленинграда выполнены и наиболее детальные исследования разности
(АТ) температур воздуха в городе (7Yop) и его
окрестностях (Гокр). Помимо средних значений (табл. 5.1) изучен
суточный ход разности AT (табл. 5.2) и впервые построены функции распределения этой разности (рис. 5.1).
Согласно данным табл. 5.2, наибольших значений AT достигает
ночью и в утренние часы, а наименьших — днем. Суточная ампли66
туда AT велика (свыше 2 ° С ) летом и существенно меньше (0,5—
1,0 °С) зимой.
Эти данные подкрепляют сформулированный выше вывод о второстепенной
(не определяющей) роли прямых выбросов тепла
в формировании разности AT: поскольку промышленность и особенно транспорт выделяют тепла днем значительно больше, чем
Таблица 5.2
Суточный ход средних за зиму и лето значений разности AT (°С).
1970—1974 гг.
Воейково
Сосново
Белогорка
Волхов
Все пункты
Время, ч
00
03
06
09
12
15
18
21
зима
лето
зима
лето
зима
лето
зима
лето
зима
лето
1,3
1,2
1,4
1,4
1,2
1,6
1,9
1,6
0,8
0,7
0,5
0,9
1,5
1,2
1,1
0,9
1,2
1,0
0,8
1,1
1,2
2,7
3,0
2,4
0,7
0,7
0,8
0,7
1,3
2,0
2,0
1,9
1,9
1,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,1
2,8
1,2
0,5
0,3
0,2
0,8
2,0
1,9
2,1
2,2
1,7
1,4
1,6
2,0
2,2
2,7
2,0
0,6
0,1
0,1
0,3
1,0
1,5
1,5
1,5
1,6
1,3
1,0
1,4
1,6
2,2
2,7
2,2
0,8
0,5
0,4
0,5
1,1
1,3
1,5
1,1
Примечание. В двух последних столбцах приведены значения AT
между температурой воздуха в Ленинграде и температурой, осредненной по
всем пунктам окрестностей.
ночью, то при определяющем в к л а д е этих выбросов разность AT
д о л ж н а была бы быть днем существенно больше, чем ночью (в действительности наоборот).
На рис. 5.1, на котором представлены плотность и функция распределения разности AT (выборки включают 17 366-разностей AT
зимой и 14 720 — летом), показано, что AT в крупном городе изменяется в очень широких пределах: крайние значения AT заключены м е ж д у 16 и — 9 ° С зимой и м е ж д у 11 и —11 °С летом. Плотность ( Р ) распределения AT достигает максимума (модального
значения), равного 34 % на 1 °С зимой и 26 % летом, в интервале
0 - М и 1 ч - 2 ° С соответственно. В сторону к а к больших, т а к и
меньших значений AT от этих интервалов плотность Р монотонно
убывает — более быстро при AT < 0 и более медленно при AT >
> 0. Анализ данных за различные сроки показал, что плотность Р
ночью (03 ч) достигает максимума в интервале 2 ч - 3 ° С , вечером
(18, 21 и 00 ч) и утром (06 ч) — в интервале l - f - 2 ° C , а Днем
(09, 12 и 15 ч) этот интервал смещается на 0 - f - 1 °С, т. е. плотность распределения т а к ж е у к а з ы в а е т на то, что ночью AT больше,
чем днем.
Функция распределения F(AT^.X)
разности AT (нередко наз ы в а е м а я интегральной функцией), и з о б р а ж е н н а я на рис. 5.1, показывает, что не во всех случаях город теплее своих окрестностей.
П о д а н н ы м наблюдений за 1970—1974 гг., Л е н и н г р а д теплее
4*
67
окрестностей в 83 % зимой и в 80 % летом. Обратим внимание на
то, что вероятность обстановки, при которой город холоднее окрестностей, не такая уж малая (около 20 %), чтобы ее не учитывать
при выяснении причин изменения климата города. Город теплее
окрестностей чаще ночью, чем днем. Так, значения ДГ ^ 0 °С летом в 00 и 03 ч встречаются в 93 % случаев, а в 12, 15 й 18 ч
F%
д|1 ,»!»" I
-7
-5
-3
III
I
1
IX
-1 0 1
3
5
7
Э
г 0.
г, » InlT
11 -7
-5
-3
I ! I
I
!
!
!
-1 0 1
J
5
7
ДГ°С
Рис. 5.1. Плотность распределения & (а) и функция распределения F(б) разности
температур воздуха ДТ в Ленинграде и его окрестностях в 1970—1974 гг.
только в 64—68 % случаев. Наличие отрицательных разностей ДТ
в значительном числе случаев (в среднем около 20 %) особенно
ясно указывает, что в формировании острова тепла определяющая
роль принадлежит метеорологическим факторам.
Разность температур воздуха в Ленинграде и в аэропорту Пулково наиболее значительна при ясной тихой погоде в ночные часы
(табл. 5.3), когда она достигает 2—3°С. По мере увеличения количества облаков и скорости ветра Д7\ как правило, уменьшается.
Летом в дневные часы AT при всех типах погоды не превышает
нескольких десятых градуса Цельсия.
Зависимость разности (°С) температур воздуха в Ленинграде
и Сосново летом от количества облаков характеризуется следующими данными:
Количество нижней облачности, баллы
3—8
9—10
1,4
2,8
2,0
1,2
0,8
0,6
1,3
2,0
1,1
381
1492
399
0—2
Н о ч ь ( 2 1 — 0 6 ч)
Д е н ь ( 0 9 — 1 8 ч)
Сутки
Число случаев за сутки
68
Различия в т е м п е р а т у р а х воздуха н а б л ю д а ю т с я не только
м е ж д у городом и его окрестностями, но и м е ж д у точками, расположенными внутри города. В Л е н и н г р а д е в течение последних
15—20 лет многократно п р о в о д и л и с ь м и к р о с ъ е м к и города с измеТаблица 5.3
Средние значения разности температур воздуха (°С) в Ленинграде
и аэропорту Пулково при различных типах погоды
Срок, ч
Тип погоды
3
6
2,1
1,6
2,7
Срок, ч
-12 -
15
3
6
12
15
1,7
2,9
3,0
2,3
1,5
0,2
0,0
0,5
0,0
—
—
—
2,3
2,1
2,0
2,0
0,2
0,1
0,3
Январь
я—т
я - с
я - в
пя—т
ПЯ — С
пя-в
П —Т
П-С
П
—В
—0,7
2,2
1,0
1,3
-од
0,3
—0,2
—
0,8
0,4
0,1
0,9
0,5
-0,1
Июль
2,1
0,9
2,4
1,3
0,7
0,7
0,6
0,4
0,4
0,4
1,0
1,0
0,2
'
—
—
—
0,6
0,2
0,6
1,1
1,2
0,9
0,9
1,1
0,1
-0,3
1 -0,6
—1,3
0,6
0,3
1,1
0,0
0,0
-0,1
П р и м е ч а н и е . Здесь Т — тихо (скорость ветра до 1 м/с), С — слабый
ветер (2—5 м/с), В —ветрено (свыше 5 м/с), Я — ясно, ПЯ — полуясно, П —
пасмурно.
рением температуры и влажности воздуха, скорости ветра, радиации и других метеовеличин во многих точках города (от 10—15 до
30—40).
Летом при ясной тихой погоде поздним утром и днем центральная часть города на 2—3 °С теплее побережья Финского залива
(в районе Лисьего Носа и Ломоносова) и на 1,0—1,5°С теплее
остальной части города и его пригородов. Относительная влажность в центре города в течение всего дня на 15—20 % ниже, чем
69
в пригородах. При пасмурной погоде AT существенно меньше. Н а и большие контрасты температур между центральной частью города
и другими районами наблюдаются зимой в ночные и утренние
часы, когда ДГ достигает 8—12 °С.
Предпринимались попытки сравнить
значения AT в различные дни недели.
Оказалось, что зимой в воскресенье AT
в Нью-Хейвене и Б а л т и м о р е (США) примерно в два р а з а меньше, чем в другие
дни недели. Однако летом в воскресенье
AT д а ж е больше, чем в будние дни. П о
вертикали возмущение поля температуры, вызванное городом, распространяется до высоты от нескольких сотен метров до 1—2 км.
Суточный ход AT температур воздуха
в Москве и Обнинске и распределение
средних значений AT по данным трех
серий двухсуточных синхронных наблюдений представлены на рис. 5.2 и 5.3.
Наибольших
значений AT
достигает
(рис. 5.2).
дГС- ночью, наименьших — днем
Вблизи земной поверхности (на уровне
Рис. 5.3. Вертикальные про15 м) температура в Москве на 2—3,5°С
фили разности температур
выше,
чем в Обнинске. С высотой значевоздуха в Москве и Обнинния AT уменьшаются, однако, достигнув
ске, осредненные за двое
суток.
на высоте 100—200 м минимума, начинаУ с л . о б о з н а ч е н и я с м . р и с . 5.2.
ют медленно возрастать до 1—1,5°С на
высоте 200—250 м (рис. 5.3).
По данным наблюдений в Ленинграде (телебашня) и Воейково
(радиозонд), разность температур воздуха положительна до высоты около 200 м и отрицательна — выше этого уровня, при этом
1ДГ1 существенно больше при устойчивой стратификации, чем при
неустойчивой. Средние значения AT (°С) на различных высотах
таковы:
Высота, м
. . . . . .
ДТ при У>Уа . . .
AT при Y<Ya • • •
2
25
132
164
0,7
0,3
0,2
0,0
—0,8
—1,3
2,9
2,7
1,4
1,0
—0,9
-1.4
232
269
5.3. Инверсии температуры
Инверсионная стратификация (температура в некотором слое
растет с высотой) особенно сильно ослабляет турбулентный обмен
и, к а к следствие, перенос з а г р я з н я ю щ и х веществ от земной поверхности и из приземного слоя в более высокие слои атмосферы. По
этой причине при образовании инверсий примеси, поступающие из
наземных источников, сохраняются вблизи земной поверхности и
тем самым создают высокие уровни загрязнения. Поэтому исследо70
/
ванию инверсий температуры как одному из наиболее важных элементов метеорологического потенциала загрязнения в последние
десятилетия уделяется большое внимание. Д е т а л ь н о изучить структуру нижнего слоя атмосферы толщиной 300—500 м представилось
возможным лишь в связи с организацией наблюдений на высотной
метеорологической мачте (Обнинск, К а л у ж с к а я область, высота
301 м), Останкинской (Москва, высота 503 м), Ленинградской,
Киевской и других телебашнях. М о ж н о отметить, что до организ а ц и и этих наблюдений было распространено мнение, согласно кот о р о м у и н в е р с и и — сравнительно редкое явление.
Все инверсии подразделяются на приземные
(нижняя граница
совпадает с земной поверхностью) и приподнятые
(нижняя граница расположена на некоторой высоте).
По данным наблюдений в Обнинске, который можно рассматривать в качестве репрезентативного пункта, находящегося в открытой местности с незначительным загрязнением воздуха, инверсионное (аномальное) распределение температуры по высоте наблюдается более чем в половине случаев (в среднем за год 53 % )
с достаточно равномерным распределением по сезонам года: зим о й — - в 57 % случаев, весной — в 53 % случаев, летом — в 4 7 %
случаев и осенью — в 56 % случаев. В сельской местности преобл а д а ю т приземные инверсии (их повторяемость составляет iio % ) ,
в -формировании которых определяющую роль играют радиационные потери тепла земной поверхностью. Поэтому образуются_они_
преимущественно ночью
более 5 м/с) BSIB& Приподнятые инверсии в сельской местности
образуются.^нанительно_реже™ ю п р е и м у щ е с т в е н ^
1тогодеи умер^
"""ТолШн^^
изменяется
в широких пределах — от 30—50 до 500 м и более; перепад температур на верхней и нижней границах — от десятых долей до
10 °С и более.
В большом городе (Москва) о б щ а я повторяемость обоих видов
инверсий столь ж е высокая (в среднем за год 57 % ) , к а к и в сельской местности (Обнинск). Однако соотношение между видами
инверсий в Москве и Обнинске противоположное: если в Обнинске
на д о л ю приземных инверсий приходится 38 % от общего числа
наблюдений, а на д о л ю приподнятых — 15 %, то в Москве приземные инверсии наблюдаются в 1 3 % , а приподнятые — в 4 4 % от
общего числа наблюдений.
Объяснить эти особенности в вертикальных профилях температуры в городе, а вместе с этим выяснить факторы, ответственные
з а формирование острова тепла, позволяет уравнение б а л а н с а
энергии на уровне земной поверхности
tf = QT + LQ n + QM + Q a ,
(5.1
где R = (/ + г) (1 — г) — В* — радиационный
баланс
(здесь
/ + i — поток суммарной радиации, г — альбедо, В* — эффектив71
ное излучение земной поверхности); QT — турбулентный поток явного тепла, LQn — поток скрытого тепла, т. е. тепло, затрачиваемое на испарение воды с земной поверхности; Q n — турбулентный
поток водяного пара; L — удельная теплота парообразования;
Qu •—молекулярный
поток тепла в почву; Qa — антропогенный поток тепла, создаваемый различными источниками, включая процессы метаболизма человека и животных.
В уравнении баланса (5.1) к а ж д ы й поток в городе существенно
отличается от соответствующего потока в сельской местности.
,
Обусловлено это прежде всего загрязнением городского воздуха антропогенными примесями, оказывающими влияние на по- :
токи солнечной (/ + г) и инфракрасной (В*) радиации, и изменением свойств земной поверхности. В городе значительно больше
параметр шероховатости: в зависимости от высоты зданий и плотности застройки он изменяется от 0,5—0,7 м до 3—5 м по сравнению с Ю - 3 — Ю - 1 м в сельской местности. Альбедо (г) городов на
4—6 % меньше, чем в сельской местности, например в Сент-Луисе,
США, альбедо около 11 %, а в окрестностях 16 %. Зимой и ранней весной в умеренных и высоких широтах особенно сильное
влияние на уменьшение г. оказывает загрязнение и уборка снега
в городах. Существенно различны в городе и окрестностях турбулентные потоки скрытого (LQn) тепла и потоки тепла в почву
(Q м ). По данным измерений в Колумбии (США) в один из летних
безоблачных дней при скорости ветра до 3 м/с потоки LQn
в городе и окрестностях
составляли
соответственно
0,1 и
2,04 Вт/м 2 , QM — 4,53 и 1,67 Вт/м 2 ; в безоблачную ночь в городе
LQn и QM составляли 0,07 и —1,40 Вт/м 2 , в окрестностях —0,07 и
—0,91 Вт/м 2 . Потоки положительны, если они направлены от поверхности раздела между атмосферой и почвой. Отметим, что
альбедо земной поверхности при проведении этого эксперимента
составляло 25 % в окрестностях и только 5 % в городе.
Антропогенный поток тепла (Q a ) в большинстве городов планеты не превышает 10 % от притока солнечной радиацйи, потока
тепла, затрачиваемого на испарение, и потока тепла в почву.
Воспользуемся известным выражением д л я турбулентного потока явного тепла
QT — —Cppkz (у — Ya)'
где у = —дТ/дг — вертикальный градиент температуры, уа «
да 1°С/100 м — сухоадиабатический градиент, kz — коэффициент
турбулентности, р — плотность воздуха, с р — удельная теплоемкость воздуха. Н а основе уравнения (6.1) получим выражение д л я
вертикального градиента температуры вблизи земной поверхности
где q — массовая доля водяного пара.
72
Ночью, когда R — —В* < 0, в окрестностях создаются условия
для образования приземной инверсии (у < 0) радиационного происхождения (основную роль играют радиационные потери тепла
земной поверхностью). В это ж е время в городе под влиянием
увеличенного встречного излучения атмосферы, за что ответственны примеси и водяной пар, образующийся при сжигании всех
видов топлива, эффективное излучение значительно меньше, чем
в окрестностях. Поскольку ночью поток направлен из почвы к земной поверхности, а по абсолютной величине в городе он больше, чем в окрестностях, из соотношения (5.2) следует,
что ночью вблизи земной поверхности
в городе более вероятны положительные значения у ( у > 0 ) . Это означает,
что температура в приземном слое падает с высотой, а инерсия температуры
поднимается на некоторую высоту над
земной поверхностью (рис. 5.4). К а к
эти качественные рассуждения, так и количественные оценки приводят к заключению об определяющей роли геофизических факторов в формировании острова
тепла. Ночью, а зимой — при отрицательном значении R — в течение большей части суток основную роль играет
эффективное (В*) излучение земной поверхности. При этом AT тем больше, Рис. 5.4. Схема, поясчем интенсивнее инверсия температуры няющая формирование
р а з н о с т и AT.
в окрестностях города, т. е. чем боль— вертикальные
профили
ше абсолютная величина у0кр. Д л я горо- 1температуры
в окрестности,
2 — в городе.
дов с населением больше 2 млн. человек установлена корреляционная связь
AT = 2,6 — 1,2у окр ,
(5.3)
при этом коэффициент корреляции между AT и 7 составляет
—0,87 (здесь AT — в °С, уокр — в °С/100 м).
Днем основную роль играет уменьшение альбедо города, сопровождающееся увеличением поглощенной солнечной радиации,
а также уменьшение затрат тепла на испарение.
В целом ж е потоки в уравнении баланса (5.1), а вместе с ними
и значения AT изменяются в очень широких пределах.
Большое влияние на турбулентные потоки тепла оказывает
скорость ветра. По мере усиления ветра инверсия температуры
разрушается не только в городе, но и в окрестностях. Вместе с разрушением инверсии исчезает и разность AT.
Получены следующие пороговые значения скорости н п0 р ветра
в разных городах, при превышении которых AT практически равна
нулю:
73
Население,
Ипор,
тыс.
чел.
м/с
Лондон
Монреаль
Бремен
Гамильтон
Реддинг
8500
12
2000
11
400
8
300
6—8
120
4—7
Получены непосредственные корреляционные связи между AT
и численностью населения (N) города:
для Северной Америки (18 городов)
ЛГ м а к с = 3,06 I g N - 6,79;
для Европы (11 городов)
ЛГмакс =
' '
2 , 0 1 \g
N
—
4,06.
5.4. Р а д и а ц и я
К а к у ж е неоднократно указывалось, загрязняющие атмосферу
города вещества оказывают существенное влияние на потоки и
притоки коротковолновой (солнечной) и длинноволновой (земной)
радиации, а в конечном счете — на радиационный баланс земной
поверхности и загрязненного слоя атмосферы. По данным наблюдений в нескольких городах Центральной Европы, поток солнечной радиации ослаблен в городе по сравнению с о к р у ж а ю щ е й сельской местностью на 29—36 % при высоте Солнца /г® = 10°, на
20—26 % — при /г© = 20°, на 15—21 % — при /г® = 30° и на 14—
16 % — при /г© = 40°, при этом первая из этих цифр относится
к лету или весне, а вторая — к зиме, когда воздух наиболее сильно
загрязнен.
В Кельне — большом загрязненном городе Ф Р Г — п о т о к суммарной радиации на горизонтальную поверхность в среднем за год
составляет 59 % от потока в идеальной (сухой и чистой) атмосфере, при колебаниях в течение года от 44 % в фервале до 69 %
в июне. В то ж е время в Трире — н е б о л ь ш о м малозагрязненном
городе Ф Р Г — этот поток составляет 70 %, при колебаниях между
60 % в ноябре и 76 % в апреле. В Токио поток солнечной радиации, поступающей к земной поверхности, на 12—30 % меньше потока в сельской местности. Н а Британских островах поток прямой
солнечной радиации в городах в среднем ослабляется на 38 %.
Однако в городах резко (в среднем в 2,3 р а з а ) возрастает поток
рассеянной радиации. В результате поток суммарной солнечной
радиации в городах составляет в среднем 82 % от наименьшего
потока, наблюдавшегося за это время в сельской местности.
З а г р я з н я ю щ и е вещества не только ослабляют поток солнечной
радиации, но и изменяют его спектральный состав. Так, по данным
наблюдений, в П а р и ж е в потоке суммарной радиации на д о л ю
ультрафиолетовой радиации приходится 0,3 % в центре и 3,0 %
в пригороде, фиолетовой — соответственно 2,5 и 5,0 %; в то ж е
время доля видимой (43 и 40 %) и инфракрасной (54 и 52 %) из74
меняется незначительно. М о ж н о отметить, что лишь в Лондоне за
последние "десятилетия улучшилось состояние воздушного бассейна
и, к а к следствие, увеличились притоки солнечной радиации и продолжительность солнечного сияния. Так, в 1958—1967 гг. последн я я зимой была на 50—70 % больше, чем в предшествующие десятилетия, весной и осенью на 15—25 %.
В Ленинграде и его окрестностях радиационный режим х а р а к теризуется следующими данными, осредненными за 1953—1976 гг.
К а к и в других крупных городах, потоки прямой и суммарной
солнечной радиации в Ленинграде меньше, чем в окрестностях.
Средние значения сезонных сумм прямой (/') и суммарной ( / ' + i)
солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность
в Ленинграде, Воейково и Николаевском в различные сезоны года
таковы ( М Д ж / м 2 ) :
Зима
Весна
Лето
Осень
843
871
859
134
142
159
1517
1626
1634
347
382
411
2 I'M
Воейково
Николаевское
17
29
37
549
582
562
Ленинград
Воейково
Николаевское
100
135
155
1085
1166
1152
Ленинград
2 (J'+i)At
З д е с ь / ' и 1 — потоки прямой и рассеянной солнечной радиации •
на горизонтальной поверхности, М — интервал времени м е ж д у
измерениями; суммирование распространяется на всю светлую
часть суток.
И з приведенных данных следует, что по сравнению с окрестностями потоки I ' и / ' + i в Ленинграде сильно ослаблены зимой
(при малых высотах Солнца) и значительно меньше ослаблены
летом: сумма прямой радиации в Ленинграде составляет только
59 и 46 % от аналогичных сумм соответственно в Воейково и Николаевском зимой и достигает 96 и 98 % летом. Соответствующие
отношения д л я суммарной радиации составляют 74 и 65 % зимой
и увеличиваются до 94 и 93 % летом.
Поскольку примеси поглощают и, в соответствии с законом
Кирхгофа, излучают инфракрасную радиацию, то, по сравнению
с окрестностями, в городе увеличено встречное излучение атмосферы и, к а к следствие, уменьшено эффективное излучение земной
поверхности. Средние значения сезонных сумм ( М Д ж / м 2 ) эффективного излучения земной поверхности в Ленинграде и Воейково
следующие:
Ленинград
Воейково
Зима
113
125
Весна
340
360
Лето
365
432
Осень
197
210
75
Сумма эффективного излучения в Ленинграде составляет 90 %
от аналогичной суммы в Воейково зимой и 85 % летом. Объяснить
это различие трудно, поскольку на эффективное излучение оказывают влияние не только примеси, концентрация которых зимой
больше, чем летом, но и абсолютная влажность воздуха, которая
в городе за счет полива улиц может отличаться от влажности
воздуха в окрестностях больше летом, чем зимой. Следует т а к ж е
иметь в виду низкую точность измерения эффективного излучения.
К а к у ж е указывалось выше, наблюдается существенное различие в альбедо земной поверхности в городе и его окрестностях.
Средние сезонные значения альбедо ( % ) приведены ниже:
Зима
Лето
Март
Ленинград
57
18
39
15
37
Воейково
73
19
61
27
51
Николаевское
71
22
67
36
46
Апрель
Ноябрь
В Ленинграде средние сезонные значения альбедо зимой на
14—16 % меньше, чем в Воейково и Николаевском, и только на
1—4 % меньше летом. Зимой альбедо земной поверхности за счет
снежного покрова в 3—3,5 р а з а больше, чем летом, к а к в городе,
т а к и в окрестностях. Однако под влиянием того ж е снежного
покрова, значительно более чистого в окрестностях, чем в городе,
где к тому ж е много снега вывозится, альбедо земной поверхности
в Ленинграде отличается от альбедо в окрестностях в осенне-зимний сезон намного больше, чем в весенне-летний. Особенно велика
разность в переходные месяцы года: в марте и апреле, когда альбедо в Ленинграде, в котором нередко снега в эти месяцы на улицах практически у ж е нет, на 28 и 23 % соответственно меньше, чем
в Николаевском, т а к к а к за городом в марте и апреле обычно еще
сохраняется снежный покров.
Конечный результат влияния на приземную температуру воздуха зависит от радиационного баланса (/?) земной поверхности.
Его средние сезонные значения (кВт/м 2 ) в трех указанных выше
пунктах таковы:
Зима
Весна
Лето
Осень
Ленинград
—9,1
66,9
111
8,5
Воейково
—11,2
58,5
111
10,0
Николаевское
—10,7
55,8
109
26,2
Зимой, а т а к ж е в ноябре радиационный б а л а н с отрицателен
как в городе, т а к и в окрестностях. Однако в Ленинграде земная
поверхность зимой теряет лучистой энергии меньше, чем в окрестностях (на 19 и 15 % по сравнению с Воейково и Н и к о л а е в с к и м ) .
В сторону ж е повышения температуры в городе действует радиационный баланс весной, когда он положителен, и в Ленинграде
76
на 14 и 20 % больше, чем в Воейково и Николаевском. О д н а к о
летом и особенно осенью, когда R в городе д а ж е меньше, чем
в окрестностях, в к л а д R в повышение температуры совершенно незначителен. Более того, осенью, согласно этим данным, под влиянием R температура воздуха в городе д о л ж н а понижаться по
сравнению с окрестностями. В р я д ли только можно считать правдоподобным столь большое значение R в Николаевском: в октябре,
например, месячная сумма R в Ленинграде равна —8 М Д ж / м 2 ,
а в Николаевском 126 М Д ж / м 2 ; вероятнее всего, данные измерений
в Николаевском получены со значительной погрешностью.
К сожалению, сколько-нибудь полные данные о сопоставлении
составляющих радиационного и теплового балансов, прежде всего
эффективного излучения, з а т р а т тепла на испарение, потока тепла
в почву, в различные части суток в городе и окрестностях в литературе не приводятся. Следует т а к ж е иметь в виду, что полученные в результате измерений на метеоплощадке значения метеовеличин могут отличаться от средних по городу значений. Д о с т а точно,
например,
указать
на влияние снега на альбедо: со
значительной части города снег убирается, в то ж е время на метеоплощадке сохраняется естественный снежный покров. Д л я получения достоверных оценок различных факторов, о к а з ы в а ю щ и х
влияние на климат города, необходимы сведения о составляющих
теплового баланса земной поверхности и атмосферы и других метеовеличинах, осредненные по всему городу. Т а к и е сведения м о ж н о
получить с помощью искусственных спутников Земли, самолетов
и других летательных аппаратов.
5.5. Скорость ветра
Н а и б о л ь ш е е влияние на уровень загрязнения атмосферы в городе и его окрестностях о к а з ы в а е т скорость ветра. Помимо адвективного притока, непосредственно зависящего от скорости ветра, на
изменение концентрации примеси во времени в воздушном пространстве города существенное влияние оказывает турбулентный
приток примеси, т а к ж е тесно связанный со скоростью ветра.
Н е м а л о в а ж н а я роль ветра обусловлена его динамическим воздействием на все сооружения, возвышающиеся над земной поверхностью, прежде всего такие, к а к телевизионные и радиомачты,
опоры линий электропередачи, водонапорные башни, трубы тепловых электростанций и отопительных систем, высотные здания.
Ветровые нагрузки следует т а к ж е учитывать при проведении строительных и погрузо-разгрузочных работ, разводке мостов и др. Информация о ветре, температуре и влажности воздуха необходима
д л я выбора р е ж и м а отопления зданий, а следовательно, определяет объем завозимого в город топлива, при оценке условий труда
и отдыха людей на открытом воздухе.
С ветром тесно связаны другие метеовеличины, погода и к л и м а т
данного района в целом. Встречаясь с тем или иным препятствием, ветер оказывает на него давление (ветровой напор), при
77
этом кинетическая энергия воздушного потока уменьшается, переходя во внутреннюю и потенциальную. Отдельные сооружения и
город в целом представляют собой препятствие, под влиянием которого скорость ветра в городе, как правило, ослаблена по сравнению с окрестностями. Д а н н ы е наблюдений в городе Колумбия
(США) и находящемся неподалеку от него международном аэропорту были разбиты на три группы в зависимости от отношения
скоростей ветра в городе (и г ) и аэропорту (м а ) а = « г /и а : 1) а <
- < 0,7; 2) 0,7 < а < 0,99; 3) а > 1,0. Повторяемость этих групп
существенно изменялась по мере застройки города. В 1969 г. д о л я
первой группы составляла 43 % от общего числа наблюдений,
а третьей — 25 %, через 5 лет повторяемость первой группы увеличилась до 65 %, а третьей — уменьшилась до 14 %.
В г. Гандевичи, Белоруссия, средняя за год скорость ветра
уменьшилась с 3,9 м/с в 1945 г. до 2,5 м/с в 1971 г. Аналогично,
в г. П а р м е , Италия, средняя за 10 лет скорость ветра снизилась
с 1,3 м/с в 1938—1949 гг. до 0,8 м/с в 1962—1973 гг.
П о данным наблюдений в ряде городов установлена зависимость скорости ветра от растительного покрова. Н а озелененных
участках летом скорость ветра на 20—30 % меньше, чем на неозелененных. Отношение скоростей ветра в плотно застроенном
центре города, например в Вене, и г и в парковой зоне на границе
города ып при увеличении иг с 1,4 до 9,7 м/с и г /и п возрастало
с 0,50 до 0,77 зимой и от 0,75 до 0,85—0,90 летом (сказывается
влияние зеленого покрова на ип)- Эти данные были получены при
западном ветре.
В случае юго-восточного ветра отношение ит1иш летом д а ж е
больше единицы. Оно возрастает с 1,00 до 1,25 при увеличении иа
с 1,4 до 6,9 м/с. Зимой иг/Ып растет с 0,50 до 1,05 при том ж е увеличении иа. По-видимому, п а р к о в а я зона расположена в западной
части города, поэтому при юго-восточном ветре поток проходит
сначала город, а затем парк, где дополнительно в зеленом массиве
ослабляется.
И з приведенных данных следует, что относительное ослабление
скорости ветра в городе при слабом и умеренном ветре больше,
чем при сильном.
Н а и б о л е е значительное ослабление ветра в городе наблюдается
вблизи земной поверхности. Следует подчеркнуть, что внутри города распределение ветра, температуры и влажности воздуха отличается большим разнообразием. Н и ж е крыш строений направление ветра определяется расположением зданий и улиц по отношению к направлению воздушного потока над городом. В городе
преобладает направление ветра вдоль улиц. П р и ветре, дующем
поперек улиц, скорость ветра на подветренной стороне зданий
в 2—3 р а з а меньше, чем на наветренной.
Разность температур воздуха на освещенной и теневой сторонах улицы при малооблачной погоде в летний день может достигать 5 °С, а относительная влажность при поливе улиц возрастает
на 30—40 %.
78
В условиях свободной застройки, преобладающей в районах
новостроек, при отсутствии зеленых насаждений существенного
ослабления ветра в ж и л ы х массивах не наблюдается. В ряде случаев вблизи торцовых разрывов между зданиями, наоборот, отмечается усиление скорости ветра (на 20—50 % ) по сравнению со
скоростью вне города. При перпендикулярном к фасаду здания"
направлении ветра происходит поворот потока на 90°, при этом
сама скорость существенно не изменяется. При ветре, дующем
вдоль фасадов, скорость несколько увеличена (на 10—20 % ) . Д р е весно-кустарниковая растительность вблизи зданий снижает скорость ветра с 20 до 35 %. Е щ е более значительное влияние на ветровой и термический режим оказывают зеленые н а с а ж д е н и я площ а д ь ю не менее 5—8 га.
Ж и л ы е и промышленные здания, изменяя скорость и направление воздушного потока, о к а з ы в а ю т большое влияние на распределение внутри города з а г р я з н я ю щ и х веществ. При ветре, дующем
поперек корпусов алюминиевого завода, на подветренной стороне
промплощадки содержание фтористого водорода в 2,5 — 24 р а з а
больше, чем на наветренной, а твердых фторидов — в 3 — 28 р а з .
В центре промплощадки концентрация примесей при ветрах противоположных направлений примерно одинаковая, но несколько
превышает среднее из значений концентраций на подветренной и
наветренной сторонах. Аналогичные результаты получены д л я межкорпусного д в о р а : при направлении ветра вдоль оси двора наибольшие концентрации з а г р я з н я ю щ и х веществ наблюдались на
подветренной стороне; при ветрах, дующих поперек оси двора, максимальное загрязнение отмечено в точках, расположенных вблизи
центра двора.
Зависимость загрязнения от скорости ветра обнаруживается
лишь при осреднении данных. Наиболее значительные концентрации примесей наблюдались при скорости ветра 2—4 м/с. При этом
следует отметить, что слузаи со штилем и со скоростью до 1 м/с
практически в период эксперимента отсутствовали, что не позволило изучить распределение концентрации примеси при очень слабом ветре. П р и скорости ветра 9 м/с содержание фторидов в 3—
5 р а з меньше, чем при 2—4 м/с.
Изменение скорости ветра с высотой над городом описывается
с помощью тех ж е уравнений и формул, которые получены д л я
естественных сильно шероховатых поверхностей, в частности д л я
леса. В уравнениях движения в случае таких поверхностей наряду
с градиентом давления, кориолисовой силой и силой турбулентного
трения, необходимо учесть силу сопротивления, возникающую при
взаимодействии потока с препятствиями.
В приземном.слое высотой до 100—200 м зависимость скорости
ветра u(z) от высоты z с достаточной д л я практических целей точностью описывается логарифмической формулой
(5.4)
79
где ug — скорость геострофического ветра, ug = — —"5 Ш ' г ° —
параметр шероховатости; b — u*/u g — геострофический коэффициент трения; и* — скорость трения, — д р / д п — горизонтальный градиент давления, 2coz = 2со sin ф — кориолисов параметр, р — плотность воздуха, ф — широта, со — угловая скорость суточного
вращения Земли. П а р а м е т р b связан следующей зависимостью
с числом Росби Ro • = м г /(2св г 2о):
Ro = 0,4(l/6 2 - 115)'/2 + 2,64 lg (l/6 2 ).
Скорость геострофического ветра определяется или по карте
давления, или по данным зондирования атмосферы (скорость ветра
на высоте 1—1,5 км близка к % ) .
Поскольку в городе элементами шероховатости с л у ж а т здания,
то параметр шероховатости (в отличие от естественных, не покрытых лесом поверхностей) имеет порядок Ю - 1 —10° м. По данным разных авторов, Zo в городах изменяется от 0,4—0,7 до 3—5 м.
Выше приземного слоя распределение скорости ветра по высоте
описывается с помощью формул, которые сложнее вышеприведенной. М о ж н о отметить, что поскольку над городом более сильно
развит турбулентый обмен (в результате влияния большого 2о)>
скорость ветра растет с высотой над городом медленнее, чем над
о к р у ж а ю щ е й его местностью. Так, по осредненным данным отношение u(z)/ug
на высоте 200 м составляет около 0,95 над равнинной сельской местностью, 0,84 над пригородами со сравнительно
низкими постройками и только 0,58 над самим городом с его высокими зданиями.
К а к из теории, т а к и из данных наблюдений вытекает, что
изменение ветра с высотой существенно зависит и от термической
стратификации атмосферы. Н а рис. 5.5 приведена построенная по
данным наблюдений в Ленинграде на телемачте номограмма д л я
определения отношения и ( г ) / и ю на различных высотах при разных
значениях безразмерного параметра
__
g
7*132
7*2 — 7* 164
2<аг«132 '
характеризующего устойчивость атмосферы. Здесь Г 2) Тi 32 , 7*164 —
температура воздуха на высоте 2 м (метеорологическая б у д к а ) ,
132 и 164 м; «ю и «132 — скорость ветра на высоте 10 м (флюгер)
и 132 м; g — ускорение свободного падения. П а р а м е т р ц > 0 при
падении температуры с высотой и р, < 0 — при инверсионной стратификации.
.
Согласно существующим физическим представлениям, скорость
ветра быстро растет с высотой (выше 10 м) при инверсионной
стратификации, затрудняющей обмен количеством движения по
вертикали, и сравнительно медленно при падении температуры
с высотой (в эту группу входят случаи и неустойчивой стратифи80
к а ц и и ) . Так, при р, = — 1 0 0 скорость ветра на высоте 150 м по
сравнению с таковой на уровне 10 м увеличивается примерно
в 3,8 р а з а , в то ж е время при цх = 100 на высоте 150 м скорость
ветра дашь в 2,2 р а з а больше нюП р и большой скорости ветра на высоте несколько выше уровня
крыш нередко наблюдается образование струи. Так, по д а н н ы м
наблюдений на телебашне в Токио, при скорости ветра больше
30 м/с на высоте 30 м над
средним уровнем крыш скоv(z)/ui0
рость ветра, к а к правило, на
10 м/с больше.
В
целом
возмущающее
влияние большого города распространяется ч а щ е всего на
весь пограничный слой, т. е. до
высоты 1,0—1,5 км.
Поскольку в городе существует остров тепла, то, к а к
и над всякой перегретой областью, над ним под влия200м
нием силы плавучести возникает
восходящее
движение
воздуха.
В
горизонтальной
Рис. 5.5. График для определения отношения и(г)/ию скоростей ветра.
Ленинград, г 0 = 0,8 м.
-200
100
II
плоскости при этом наблюдается сходимость (конвергенция) воздушных течений. Наиболее сильно остров тепла развит ночью.
Поэтому и составляющие воздушных потоков, направленные
к центральной части города, удается легче обнаружить и измерить
в ночные часы. К а к правило, с о с т а в л я ю щ а я скорости ветра, пор о ж д а е м а я островом тепла, не превышает 1 м/с.
Конвергенция воздушных течений служит причиной того, что
по ночам ветер ослабевает в городе не т а к сильно, к а к днем, и
временами может быть д а ж е больше, чем в окрестностях. Этот
эффект особенно заметен при низкой скорости ветра и инверсионной стратификации. Так, в центре Лондона скорость ветра ночью
(в 01 ч) в среднем за год на 0,3 м/с больше, чем в аэропорту; при
изменении разности от 0,1 м/с весной до 0,6 м/с летом. Д н е м
(в 13 ч) соотношение обратное: скорость ветра в центре на 0,7 м/с
меньше, чем в аэропорту (при колебаниях от 0,4 м / с зимой до
1,2 м/с весной).
Неупорядоченное расположение построек и неоднородность
рельефа местности приводят к тому, что конвергирующие к центру
города потоки удается обнаружить д а л е к о не всегда, а если они
и наблюдаются, то распределение их по территории города не
6
Заказ № 33
81
столь правильное (не концентрическое), какое могло бы быть
в случае однородной поверхности.
Можно отметить, что нередко движение воздуха внутрь города
и явление в целом носит характер фронтальной волны: у к р а я
плотно застроенной зоны города наблюдаются наибольшие контрасты температур и пульсации скорости втекающего ночью в город более холодного воздуха.
Конвергенция воздушных течений, п о р о ж д а е м а я
островом
тепла, способствует переносу загрязняющих веществ с окраин города в его центральную часть. С этой точки зрения расположение
промышленных предприятий на окраинах города не решает проблемы снижения уровней загрязнения в центре города: выбросы
предприятий, расположенных на окраинах, конвергирующими потоками переносятся в центральную часть города.
5.6. Дымки, туманы, смоги
и видимость в городах
Загрязнение атмосферы города примесями, изменение температуры воздуха, скорости ветра и других метеовеличин не могло не
сказаться на условиях формирования и повторяемости таких в а ж ных д л я решения прикладных з а д а ч явлениях, к а к дымки, туманы
и смоги, с которыми связано наиболее значительное ухудшение
видимости в атмосфере.
Д ы м к о й принято называть такое состояние атмосферы, при
котором под влиянием загрязнения атмосферы примесями метеорологическая
дальность
видимости
5 м заключена между 1
и 10 км. При 5 м < 1 км явление носит название тумана. Однако
у ж е при 5 м < Ю км частицы примесей, к а к правило, обводнены,
при этом чем выше относительная влажность воздуха, тем меньше
доля я д р а конденсации в общей массе капли. Если радиус капли
увеличивается до 1 мкм — это у ж е мельчайшие капли тумана, —
то доля д а ж е т а к называемых гигантских ядер конденсации (радиусом около 0,1 мкм) уменьшается до 0,001 от общей массы
капли. Д а в л е н и е насыщенного водяного пара над каплями радиусом больше 1 мкм, независимо от природы ядра конденсации, на
котором о б р а з о в а л а с ь капля, практически не отличается от давления насыщения над плоской поверхностью воды. Это означает,
что в устойчивом (не рассеивающемся) капельно-жидком тумане
относительная влажность воздуха близка к 100 °/о, а условия существования и роста капель в т у м а н а х определяются
изменением
температуры или абсолютной влажности воздуха. Обратим внимание т а к ж е на то, что, согласно опытным данным, гигроскопических
частиц — ядер конденсации — более чем достаточно в атмосфере
не только городов, но и любого другого района Земли, в том числе
над океанами; лишь на небольшой части ядер образуются капли
туманов и облаков. После этих общих замечаний приведем результаты наблюдений за д ы м к а м и и туманами в крупных городах и
в их окрестностях.
82
З а г р я з н е н и е атмосферы городов примесями антропогенного
происхождения, конечно же, способствует ухудшению видимости,
росту повторяемости дымок и уменьшению повторяемости состояний с хорошей видимостью;
Так, по данным наблюдений за 1969—1974 гг., повторяемость Р
состояний атмосферы с SM > 10 км в Ленинграде и пунктах, удаленных от него на расстояние 20—80 км, зимой следующая:
Р%
Пункт
32
54
Ленинград
Воейково
Р%
Пункт
Сосново
Белогорка
64
62
Таким образом, в Ленинграде неухудшенная видимость (SM >
> 10 км) наблюдается значительно реже, а ухудшенная (SM <
С 10 км) — ч а щ е (примерно в два р а з а ) , чем в небольших населенных пунктах в его окрестностях. Близкие к этим значения получены д л я других городов.
:
Таблица 5.4
Повторяемость (%) метеорологической дальности видимости (объем выборки
по каждому пункту — 3608). Зимы 1969—1974 гг.
SM
км
Пункт
Ленинград
Воейково
Сосново
Белогорка
<1
1-2
2-6
6-10
>10
1,4
2,8
4,7
3,5
2,1
2,5
3,4
2,7
22,9
19,4
8,5
10,3
41,8
21,2
19,0
21,7
31,8
54,1
64,4
61,7
О д н а к о под влиянием антропогенных примесей существенно
возрастает в городе повторяемость л и ш ь . с л а б о й (SM = 6—10 км)
и умеренной (SM = 2—6 км) дымки (табл. 5.4): повторяемость
таких д ы м о к в Ленинграде примерно в два р а з а больше, чем в Сосново и Белогорке. Что ж е касается сильной дымки (SM = 1—
2 км) и особенно тумана (SM < 1 к м ) , то их повторяемость в крупном городе не только не больше, но и меньше, чем в окрестностях:
повторяемость состояний с SM < 1 КМ В Ленинграде в 2—3 р а з а
меньше, чем в других пунктах.
Об этом ж е свидетельствуют данные об общей продолжительности t* тумана и вероятности Р его наблюдения (за зимы 1969—
1974 гг.):
4*
83
Пункт
Ленинград
Воейково
t* ч
Р%
115
319
1,1
3,0
Пункт
Сосново
Белогорка
t* ч
Р%
443
265
4,1
2,4
(Р — отношение t* ко всему периоду наблюдений).
Приведем еще сведения о числе дней с туманом за две пятилетки в тех ж е пунктах:
Пункт
1965—1969 г г .
1970-1974 гг.
80
194
142
191
74
265
206
238
Ленинград
Воейково
Сосново
Белогорка
а т а к ж е о среднем годовом числе дней с туманом по многолетним
данным:
Ленинград (ИЦП)
Ленинград (Невская)
Воейково
Петрокрепость
Выборг
29
39
64
46
47
Токсово
Лодейное поле
Волосово
Лисий Нос
Ломоносов
67
52
68
21
25
(здесь И Ц П — информационный центр погоды, Н е в с к а я — метеостанция в устье Н е в ы ) .
В Москве среднее годовое число дней с туманом т а к ж е в 2—
2,5 р а з а меньше, чем в ее окрестностях:
Пункт
Москва, центр
ВДНХ
Клин
Число дней
с туманом
20
26
36
Пункт
Дмитров
Загорск
Кашира
Ч и с л о дней
с туманом
37
46
49
Отметим, что д о последнего времени было широко распространено мнение, нашедшее отражение в монографической и учебной
литературе (см. например, монографии Смита и Р а м а д ы , согласно
которым повторяемость туманов в городах на 30 % летом и на
100 % зимой больше, чем в сельской местности), о более частом
образовании туманов в городах по сравнению с окрестностями.
В качестве причины указываются я д р а конденсации, которых
в действительности в городе больше, чем вне его.
Чем ж е в таком случае объясняется столь парадоксальное по
традиционным представлениям и такое значительное уменьшение
повторяемости туманов и отчасти сильных дымок в крупных горо84
дах, которое, бесспорно, следует из приведенных выше данных?
Нетрудно видеть, что определяющую роль в этом явлении играет
повышение температуры воздуха в городе. В самом деле, пусть
метеорологическая обстановка такова, что относительная в л а ж ность воздуха в окрестностях
foKp = = £окрIЁ (^окр)
приблизилась к 1 0 0 % : е 0К р жЕ(Токр).
Здесь е — парциальное
давление водяного пара, Е — давление насыщенного водяного
пара, растущее вместе с ростом температуры Т.
В это ж е время относительная влажность в городе
/гор == ётОр/Е
(Тгор),
к а к правило, будет меньше 100 %. П о д влиянием горизонтального
перемешивания давление пара в городе близко к е0кр- еТОр да
дав
окр
Е
(Токр)-
Н а б л ю д е н и я подкрепляют это заключение. Таким образом,
в момент начала образования тумана в окрестностях относительная влажность в городе будет равна
£(Гок )
f
/гор
— Е ( Г о к р + Рд Т ) ,
где Т = Тгор — ?окр — разность температур воздуха в городе и его
окрестностях.
Значения / г0 р ( % ) при различных значениях 1 окр и двух значениях АТ следующие:
т
окр
AT °С
°си
—20
—10
0
10
1
2
92
92
93
94
84
85
87
88
Поскольку /гор существенно меньше 100 %, образование т у м а н а
в городе не может начаться, в то время к а к в окрестностях при
этой обстановке туман начинает формироваться (f 0K p « 100 % ) .
Д л я возникновения тумана в городе температура воздуха в окрестностях д о л ж н а упасть ниже точки росы. При этом в окрестностях
образуется сильный (с большой водностью) туман, в городе ж е —
умеренный или слабый. Рассеиваются в городе п р е ж д е всего слабые туманы. Таким образом, различие в повторяемостях тумановв городе и его окрестностях связано прежде всего со слабыми и
умеренными туманами.
Следует подчеркнуть, что повышение температуры влияет на
образование туманов лишь в крупных городах, где АТ достигает
85
в среднем значений, близких к 1 °С. В тех ж е городах, а в Советском Союзе таких большинство, где средние значения АТ не прев ы ш а ю т нескольких десятых градуса Цельсия (в Минске и Куйбышеве 0,2 °С, Киеве и Ташкенте 0,4 °С, Свердловске 0,5 °С) понижение относительной влажности под влиянием AT мало, и, к а к
следствие, не наблюдается ощутимого различия в повторяемостях
туманов в городе и его окрестностях. По этой ж е причине в Лисьем
Н о с у и Ломоносове, пригородах Ленинграда, согласно приведенным выше данным, годовое число дней с туманом д а ж е несколько
меньше, чем в Ленинграде: в октябре — январе, когда чаще всего
и образуются туманы, температура воздуха в этих пунктах на
0,2—0,3 °С выше, чем в Ленинграде, т а к к а к сказывается отепляющее влияние Финского з а л и в а . И вообще всюду следует учитывать
влияние местных условий на образование туманов. По этой причине повторяемость туманов в окрестностях р я д а городов меньше,
чем в самих городах, особенно при небольших средних значен и я х AT.
Следует остановиться на употреблении понятия «смог». Некоторые авторы отождествляют с ним понятия «дымка» и «туман».
В действительности смог — самостоятельное явление, отличное от
дымки и тумана. К а к у ж е указывалось в п. 3.3, отличительной
особенностью смога является коричневатый оттенок, который прид а ю т ему оксиды азота, входящие в состав пароксилацетилнитрата
(ПАН) — главной составляющей смога. П А Н в свою очередь образуется при воздействии солнечной радиации, прежде всего
ультрафиолетовой и фиолетовой, на углеводороды и оксиды азота,
которые при этом соединяются. В отличие от дымок, цвет которых
•серый и сине-голубой, относительная влажность в смогах, к а к правило, невысокая. По этому признаку смоги б л и ж е не к дымке,
-а к мгле — явлению понижения видимости под влиянием твердых
слабообводненных примесей, например образующихся во время
п о ж а р а . Д а л ь н о с т ь видимости в смогах изменяется в широких
пределах, однако, к а к правило, меньше 10 км. Поскольку в образовании П А Н определяющая роль принадлежит солнечной радиации, то смоги образуются в городах, расположенных в низких широтах.
5.7. Осадки
"
Осадки относятся к числу наиболее изменчивых во времени и
пространстве метеорологических величин (пятнистый характер выпадения осадков). Исследованиями О. А. Д р о з д о в а и Ц. А. Швер,
проведенными д л я условий Ленинграда, установлено, что на распределение осадков оказывают влияние сам город и особенности
рельефа местности — Невской губы и Финского залива. По многолетним д а н н ы м наблюдений в северной зоне окрестностей (Левашове) и в северной части города в среднем за год количество
осадков соответственно на 20 и 11 % больше, чем в центральной
части Ленинграда. В южной, а т а к ж е западной (устье Невы и
86
побережье Невской губы) частях города количество осадков, н а оборот, меньше, чем в центре (в среднем за год на 5—7 % ) .
Особенно неоднородно распределение по территории города и
окрестностей ливневых осадков: нередки случаи, когда интенсивные осадки выпадают в одной части города и отсутствуют в других. Неравномерно по территории города и распределение толщины
снежного покрова. По данным наблюдений, в Ленинграде только'
в 40 % случаев снег одновременно выпадает во всех районах города. Толщина выпавшего снега в разных частях города может
существенно различаться: при сильных снегопадах разница в толщине выпавшего за сутки снега доходит до 10—14 см. В среднем,
более заснеженными в Ленинграде оказываются южные и юго-восточные районы. Толщина выпавшего за сутки снега изменяется
в широких пределах: в 60 % случаев она не превышает 2 см,,
в 80 % случаев — 4 см и в 96 % случаев — 10 см (при общем з а
год среднем числе дней с выпадением снега равном 76).
ГЛАВА 6. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ (ПРИМЕСЕЙ)
В ТУРБУЛЕНТНОЙ СРЕДЕ
Поступающие из различных источников загрязняющие вещества
(примеси)
распространяются в атмосфере под влиянием::
1) переноса их воздушными течениями; 2) турбулентного обмена;
3) захвата примесей каплями облаков и туманов и последующего*
вымывания осадками.
6.1. Возникновение и критерии
турбулентного движения атмосферы
Отличительной особенностью атмосферных движений с л у ж и г
то, что малые частицы воздуха (нередко называемые молями) совершают неупорядоченные, хаотические движения. Такой режимдвижения атмосферы (равно как и любой другой жидкости или
газа) принято называть турбулентным. Режим, при котором ч а стицы перемещаются по параллельным
слегка
искривленным
плавным траекториям, называют
ламинарным.
Теоретические и экспериментальные исследования показали,,
что характер движения жидкости и газа определяется двумя безразмерными числами или параметрами:
а) числом Рейнольдса
Re — ~ ~
(6.1>
(здесь и — скорость движения, I — характерный размер потока,,
v — кинематический коэффициент молекулярной вязкости);
87
б) числом Ричардсона
Ri
g
T
Va —Y
p2
(6.2)
(здесь у = — д Т / d z — вертикальный градиент температуры воздуха;
1 °С/100 м — сухоадиабатический градиент; g — ускорение свободного падения, Г—-температура воздуха, К;
вертикальный
градиент скорости ветра; и, и — п р о е к ц и и скорости ветра на горизонтальные оси координат х и у).
П р и малых значениях числа Re движение жидкости и газа носит ламинарный характер. При критическом значении Re Kp этого
числа наблюдается переход ламинарного движения в турбулентное, а при больших значениях Re движение становится полностью
турбулентным.
Оценка Re д л я атмосферных движений показывает, что их под а в л я ю щ а я часть носит турбулентный характер. Исключение составляют движения в очень тонком (толщиной от нескольких миллиметров до 1—2 см) слое воздуха, прилегающем к земной поверхности, т а к называемом вязком
подслое.
Однако в атмосфере и гидросфере, где температура, плотность и скорость движения изменяются с высотой (глубиной), т. е.
наблюдается расслоенность (неоднородность) по вертикали, число
Re у ж е не может служить единственным критерием возникновения и тем более развития турбулентности в, такой расслоенной
(стратифицированной) среде. Анализ уравнения, определяющего
изменение во времени кинетической энергии турбулентных частиц, показывает, что в расслоенной среде, наряду с числом Рейнольдса, р е ж и м движения зависит от введенного выше числа Ричардсона Ri, учитывающего влияние к а к термического (у), т а к и
динамического (Р) факторов на возникновение и развитие турбулентности в атмосфере и гидросфере. К а к и для Re, существует
критическое значение RiKp, которое, по современным оценкам,
близко к единице.
При значениях Ri - < Ri Kp интенсивность турбулентного движе- .
ния, под которой имеется в виду кинетическая энергия турбулентных частиц, со временем усиливается; при Ri > RiKp, наоборот,—
•ослабевает и при очень больших значениях турбулентный режим
может перейти в ламинарный.
Уменьшению Ri и, следовательно, усилению интенсивности турбулентного движения способствует, к а к следует из
выражения
'(6.2), увеличение вертикальных градиентов температуры у и скорости ветра р.
Большие (положительные) значения у в приземном слое атмосферы наблюдаются
наиболее часто при малооблачной погоде
в дневные часы теплого сезона года. В этих случаях температура
почвы и воздуха вблизи нее под влиянием солнечной радиации доs88
статочно высокая, а при подъеме температура воздуха быстро п а дает с высотой: градиент у положителен и, к а к правило, б о л ь ш е
Yo Y > Уа- Т а к а я стратификация называется неустойчивой.
Число»
Ричардсона при этом меньше нуля Ri < б.
В ночные часы теплого сезона года, а зимой нередко и в течение всех суток, особенно при морозной
малооблачной
погоде,,
в приземном слое под влиянием радиационных потерь тепла земной поверхностью температура воздуха наиболее низкая у земной
поверхности, а при подъеме растет с высотой. Такое распределение температуры воздуха по высоте называют инверсионньш.
При
этом градиент у отрицателен, число''Ш^бП1штенсивн6'сть._ турбулентного движения со временем ослабевает, "вплоть до полного"
исчезновения.
Инверсионная стратификация ( у < 0 ) является частным случаем более широкого класса устойчивой стратификации, при которой температура воздуха падает с высотой медленнее температуры частицы, поднимающейся адиабатически в атмосфере.
Увеличение вертикального градиента |5 скорости ветра всегда*
способствует усилению турбулентности, поскольку при этом уменьшается Ri. Рост р в приземном слое однозначно связан с увеличением самой скорости ветра. Таким образом, при фиксированном у (термический фактор) турбулентное движение (обмен) тем
интенсивнее, чем больше скорость ветра, и, наоборот, при оченьслабом ветре турбулентный обмен в приземном^ слое
прекращается.
Н а г л я д н о е представление о степени развития турбулентности
в атмосфере дает распространение дыма из заводских и печных
труб. П р и малых скоростях ветра или инверсионной стратификации (в общем случае при больших значениях Ri) дым распространяется в виде тонкой струи на значительное расстояние. По мереувеличения скорости ветра или перехода от устойчивой стратификации к неустойчивой (в общем случае при уменьшении Ri) струядыма приобретает все более извилистый характер и, наконец, р а з бивается на отдельные клубы дыма.
В случае рассмотрения проблемы загрязнения атмосферы в глобальном масштабе необходимы сведения по крайней мере о х а рактеристиках тропосферы и стратосферы, поскольку примеси искусственного и естественного происхождения проникают и распространяются в этих слоях. Особого внимания при этом з а с л у ж и в а е т
влияние примесей на озоносферу (20—55 к м ) — с л о й , в которомсосредоточена основная масса озона, содержащегося в атмосфере;,
некоторое количество его содержится и в других слоях, в частности в тропосфере.
Однако практически все примеси антропогенного происхождения (исключение составляют радиоактивные примеси, образующиеся при ядерных взрывах) распространяются вверх до высоты
1,0—1,5 км, представляющей собой верхнюю границу Н планетарного пограничного
слоя атмосферы. Граница эта испытывает значительные колебания во времени и пространстве: от 300—400 м :
89»
при слабо развитом (большие значения Ri) до 2,0—2,5 км при
сильно развитом (малые значения Ri) турбулентном обмене.
Пограничный слой находится в особенно тесном взаимодействии с земной (подстилающей) поверхностью. На турбулентность
в этом слое помимо у и |3 большое влияние оказывает шероховатость подстилающей поверхности: высота и вид неровностей земной поверхности (растительный покров, здания, холмы и др.). Д л я
количественной характеристики влияния подстилающей поверхности на воздушный поток вводится понятие параметр
шероховатости 20.
Внутри пограничного слоя выделяется приземный (приводный)
слой атмосферы с верхней границей от 30—50 м до 150—250 м,
в пределах которого особенно велики (по абсолютной величине)
и испытывают особенно большие колебания во времени и прос т р а н с т в е вертикальные градиенты метеовеличин: температуры,
влажности, скорости ветра — и концентрации примесей.
6.2. Уравнение п е р е н о с а примесей
в турбулентной атмосфере
С количественной стороны изменение содержания примесей во
времени и пространстве описывается уравнением
переноса
примесей. Остановимся кратко на выводе этого, одного из основных
в механике примесей уравнения.
П р и отсутствии .турбулентности (ламинарном движении) масса
примеси в единичной массе воздуха, т. е. массовая концентрация
q , может изменяться в движущемся объеме воздуха только под
-влиянием молекулярного обмена. Таким образом
•где 8М — молекулярный приток примеси к 1 кг воздуха за 1 с;
dq/dt — полная (индивидуальная) производная от q по времени t,
х а р а к т е р и з у ю щ а я изменение q в движущемся с воздушным потоком объеме воздуха. Воспользуемся известным выражением для
полной производной
З д е с ь dq/dt — л о к а л ь н а я производная от q по t, характеризующ а я изменение q во времени в неподвижной точке пространства;
и, v, w — проекции мгновенной
скорости движения частицы на
оси х, у, z прямоугольной системы координат, при этом оси х и у
расположены в горизонтальной плоскости, ось 2 направлена вдоль
истинной вертикали вверх. Привлечем уравнение неразрывности
dp
|
фи
dt
'
дх
т д е р — плотность воздуха.
90
.
dpv
ду
. dpw
= 0,
' дг
(6.5)
Если теперь сложить уравнения (6.3) и (6.5), то получим
дс ,
dt ~
due
дх
.
~
dvc
ду
,
~
dwc
dz
(6.6>
где с = р9 — объемная концентрация примеси
(масса примеси
в 1 м3 воздуха).
В случае турбулентного движения скорость ветра, концентрация примесей и другие^.вели^вПШ'^'йспытывают
беспорядочные
(хаотические) изменения во времени, или, как говорят, пульсируют. Но наряду с хаотическим движением все частицы воздуха
имеют некоторую одинаковую (среднюю)
скорость
переноса..
Вследствие этого составляющие и, v, w мгновенной скорости движения воздушной частицы могут быть представлены в виде сумм
и — й + и'-, о = .й+'о'; w — w + w',
(6.7),.
где и, v, w — проекции средней скорости движения, определенной
путем осреднения за некоторый интервал времени или по некоторому объему воздуха; и', v', w' — составляющие пульсационной скорости движения.
В таком же виде записывается мгновенная
концентрация:
примеси
с—с+
с
(
6
.
8
>
Если теперь выражения (6.7) и (6.8) вставить в уравнение
(6.6) и осреднить его, то с учетом известных свойств операции
осреднения
(с' = 0; и'=0
— среднее значение пульсаций равно
нулю; с = с; и = и—среднее
от среднего равно среднему значению;.
дс/дх = дс/дх; ( с + с ' ) = с + с'), получим уравнение
тока) примеси в турбулентной атмосфере:
дс
dt
,
1
дйс
dx
,
1
dvc
dy
,
1
dwc
dz
( du'c'
\
dx
,
da'c'
dy
переноса
1
dz
J
(при-
+
Вошедшие сюда средние значения произведений пульсации объемной концентрации (с') на проекции пульсационной скорости движения
Qx = u'c',
Qy = v'с',
Qz—w'c'
(6.10>
представляют собой составляющие турбулентного потока (Q)
примеси. Каждая из этих составляющих характеризует перенёс
массы примеси турбулентными частицами (молями) за единицу
времени в соответствующем направлении через единичную поверхность, перпендикулярную этому направлению. Размерность и единица турбулентного потока примеси: [<2] = кг/(м 2 • с).
91
Легко доказывается теорема, согласно которой удельный прит о к е примеси (водяного пара, различных видов энергии и др.)
с в я з а н с потоком Q соотношением
е=
divQ
или
(6.11)
г д е ре — абсолютный приток примеси: масса примеси, поступающ е й за единицу времени в единичный объем воздуха; размерность
и единица [рб] = к г / ( м 3 • с), в то время к а к размерность удельного
притока [е] = к г / ( к г • с) = с - 1 . П е р в о е слагаемое в правой части
уравнения (6.9), таким образом, представляет собой абсолютный
турбулентный приток примеси
(6.12)
Приведенные здесь в ы р а ж е н и я (6.10) д л я составляющих турбулентного потока примеси и формула (6.12) д л я турбулентного
притока ее в таком общем виде используются в статистической
теории турбулентности и распространения примесей. П р и решении
прикладных з а д а ч наиболее часто привлекается т а к н а з ы в а е м а я
полуэмпирическая теория турбулентности, в которой основной характеристикой интенсивности перемешивания служит коэффициент турбулентности k, поэтому эту теорию нередко называют kтеорией. Физически очевидно, что турбулентный обмен ведет к выравниванию удельного содержания примеси. Пусть на некотором
уровне г средняя удельная концентрация примеси q, а на близко
расположенном уровне z+Az она равна q+Aq.
виях атмосферы наиболее часто наблюдается
концентрации с высотой, т. е. q+Aq
В реальных услослучай убывания
< q или Aq < 0 (хотя в от-
д е л ь н ы х слоях возможно и возрастание q с высотой, т. е. Aq
>0).
>
П р и наличии перемешивания турбулентные частицы, дви-
ж у щ и е с я вверх, переносят массу примеси, пропорциональную
q,
а частицы, движущиеся вниз, массу, пропорциональную
q+Aq.
Поэтому при равных массах частиц, движущихся вверх и вниз,
а это — один из постулатов турбулентного обмена, в случае убывания q с высотой (Д^ < 0) будет наблюдаться перенос примеси,
направленный вверх.
И з физических представлений можно заключить, что этот поток пропорционален разности удельных концентраций Aq примеси
на уровнях г и 2+Л2 и обратно пропорционален расстоянию Д2
между уровнями, т. е.
Aq
Qz = — pkz A z
Переходя к пределу при Д2-^0, получаем выражение для вертикальной составляющей турбулентного потока примеси
Q2 = ^ V = - pftz-gf-.
(6.13)
Вошедший сюда множитель пропорциональности kz и носит название вертикального
коэффициента
турбулентности,
а произведение
pkz -— вертикального коэффициента турбулентного обмена. Единица kz — 1 M2/c, pkz— 1 кг/(м • с).
Поток Qz положителен (направлен вверх) при убывании концентрации примеси с высотой, когда вертикальный градиент
—dq/dz>
вниз)
0, а производная dq/dz<. О, и отрицателен (направлен
при
возрастании
q
с
высотой, когда —dq/dz < О,
a dq[dz > 0.
Такие же рассуждения приводят к заключению, что составляющие турбулентного потока примеси по осям х и у имеют вид
=
pft*-§J-, Q y = W
= -pky-^-,
(6.14)
где kx и ky — горизонтальные коэффициенты турбулентности;
обычно полагают kx — k v = ks.
Для определения kz в приземном слое атмосферы к настоящему
времени разработаны достаточно надежные методы. Наибольшее
признание получил метод, в основе которого лежат представления
теории подобия и размерности. Отметим, что в приземном слое
kz всегда растет с высотой и в зависимости от скорости ветра, термической устойчивости и шероховатости земной поверхности изменяется в широких пределах: на высоте несколько метров над
земной поверхностью чаще всего от Ю-1 до 10° м2/с. Менее разработана теория, позволяющая определять kz выше приземного слоя,
в так называемой экмановской части пограничного слоя. Что касается горизонтальных коэффициентов kx и ky, то относительно
их известен лишь порядок величины: (10 2 — 104) м2/с для мезомасштабных движений размером по горизонтали в несколько десятков километров.
Если теперь в уравнение (6.9) ввести среднюю удельную концентрацию примеси q, связанную с объемной концентрацией соотношением c = pq, учесть уравнение неразрывности, имеющее для
осредненного движения вид:
ф
, dpfi
, дро
, дрй __п
/я i
93
то с учетом выражений (6.13) и (6.14) для составляющих турбулентного потока примеси и формулы (6.12) для ее турбулентного
притока запишем уравнение переноса примеси в турбулентной атмосфере в виде
р(4г+ йж- + 6 1 т +
+
+
-§г)-= 4 г
-щ-+
P - f + gM'
(6Л6>
где в правой части введено дополнительное слагаемое, учитывающее убыль примеси под влиянием радиоактивного распада (в случае радиоактивной примеси) или вымывания ее осадками. Параметр т, имеющий размерность времени, носит название времени
релаксации, или времени жизни частиц.
Поскольку коэффициенты турбулентности kx и ky известны
лишь приближенно, а изменение kz с высотой существенно превышает изменение р, то в уравнении (6.16), как правило, пренебрегают зависимостью р не, только от х и у, что вполне оправдано,
но и от высоты z.
Полагая еще kx = kv = ks и присоединяя молекулярный приток
(путем увеличения коэффициентов турбулентности на некоторую
малую величину, близкую к коэффициенту молекулярной вязкости) к турбулентному, перепишем уравнение переноса (притока)
примеси в турбулентной атмосфере, называемое также уравнением
турбулентной диффузии примесей, в следующем виде:
-3"= - . ( • • 1 - + • ' - % ) • — + Ч Э : + - £ - ) +
где знак осреднения над всеми величинами опущен (в дальнейшем
рассматриваются только средние значения концентрации, скорости
движения и других величин).
6.3. Факторы, определяющие изменение концентрации
примесей во времени
Выполним прежде всего качественный анализ уравнения переноса примесей, позволяющий оценить знак различных членов
в правой части (6.17), а вместе с этим и тенденцию изменения
концентрации примесей во времени под влиянием различных факторов. Отметим, что горизонтальные составляющие скорости переноса примеси и, v совпадают с составляющими скорости ветра.
Что касается вертикальной составляющей w, то для газообразных
примесей, а также мелких (легких) жидких и твердых примесей,
радиус частиц которых меньше 1 мкм, она практически равна вертикальной скорости движения воздуха. Однако в случае крупных
(тяжелых) примесей (радиус частиц больше 1 мкм) под состав94
ляющей w в уравнении (6.17) следует понимать алгебраическую
сумму вертикальной скорости движения воздуха wa и средневзвешенной (по массе) скорости падения vg частиц примеси под влиянием силы тяжести, но с учетом, конечно, силы трения:
w = wa — и
(6.18)
при этом под vg понимается абсолютная величина (модуль) скорости падения частиц, которая всегда направлена по вертикали
У
Рис. 6.1. Поле концентрации примесей в горизонтальной плоскости.
вниз, поэтому она и вычитается. Вертикальная же скорость положительна (wa > 0) при восходящем движении воздуха и отрицательна (Доо < 0 ) при нисходящем.
Согласно уравнению (6.17), концентрация примеси в фиксированной точке пространства ( d q / d t — локальная производная во
времени) изменяется со временем под влиянием следующих факторов.
Адвективный приток примеси — первое слагаемое в правой части (6.17). Для оценки этого фактора необходимо иметь данные
о концентрации примеси во многих точках города и скорости
ветра. Нанеся данные измерений q на карту, проводим изолинии
концентрации (^ = const). Изолинии эти имеют, как правило, эллипсоидальную форму, при этом максимум концентрации (при
осреднении ее за достаточно большой интервал времени — декаду,
месяц, сезон) находится, как правило, вблизи центра города
(рис. 6.1). Наряду с основным максимумом q наблюдается несколько вторичных максимумов. Если ось х направлена по касательной к линии тока, которую следует также провести на карте,
то, согласно данным рис. 6.1, на наветренной стороне города и>
> 0, и = 0 и dq/dx> 0. Таким образом, адвективный приток примеси здесь меньше нуля ( — м - ^ - < 0 ) , а концентрация примеси
95
под влиянием этого фактора со временем убывает (dq/di С 0).
На подветренной стороне города, согласно данным рис. 6.1,
и> 0, и = 0 и dq/dxCO.
Здесь, таким образом, адвективный приток примеси больше нуля, а ее концентрация со временем возрастает.
Конвективный приток примеси — второе слагаемое в правой части (6.17). Д л я оценки этого фактора необходимо знать вертикальные профили концентрации примеси и скорости w. Н и ж е (см.
п. 6.4) построено решение уравнения (6.17), позволяющее оценить
роль конвективного фактора.
Приток примеси под влиянием горизонтального турбулентного
обмена — третье слагаемое в правой части (6.17). Этот фактор
всегда приводит к распространению (диффузии) примеси на то
или другое расстояние от ее источников, в частности, в окрестностях города. Хотя и построены решения уравнения (6.17), учитывающие влияние горизонтальной диффузии, однако более целесообразно, в соответствии с опытными данными, описывать распределение примеси по горизонтали, обусловленное турбулентностью,
с помощью нормального закона (формулы Гаусса), т. е. представл я я q (х, у, z, t) в виде
q(x,
у, z, t) =
Sexp(—Я2/2о2Л
P
V J
Ю
q*(z,
t),
(6.19)
где R = ^ x z + y 2 — расстояние турбулентной частицы (моля) от
оси 2, ад — среднее квадратическое отклонение этого расстояния,
q* (z, t)—осредненная
по горизонтальной площади S, теоретически бесконечно большой, концентрация примесей на данной высоте z в момент времени t:
q*{z,
t}=
Hm 4 - П
Я(х, у, z, t)dS.
(6.20)
Соотношение (6.19) легко устанавливается
путем
подстановки
в правую часть (6.20) выражения (6.19) и последующего интегрирования по х и у.
Легко видеть, что максимальное значение концентрации, равное q*(z, t)S/(2no2R),
определяемое выражением (6.19), наблюдается в начале координат (при х = у = 0). Поле концентраций симметрично относительно этого начала. С увеличением расстояния
R от начала координат концентрация убывает по экспоненциальному закону, асимптотически приближаясь к нулю при R
оо.
Сравним распределение q(x, у, z, t) по горизонтали при двух
значениях стандарта
oR, например a'R и aR, при этом о ' н <
<Од.
При R = 0 концентрация q(0, 2, t) в первом случае, когда
турбулентный обмен менее интенсивен (вследствие этого a R мало),
больше, чем во втором (при o" R ):
96
q'{0,
г, t)>q"{0,
z, t).
Такое ж е неравенство сохраняется при малых значениях R. Однако поскольку при увеличении R концентрация во втором случае
убывает медленнее (велико o" R ), чем в первом, то на больших расстояниях от центра города, в соответствии с физическими представлениями, соотношение между концентрациями
q'{R,
z, t) < q" (R, z, t)
противоположно наблюдаемому при малых значениях R (рис. 6.2).
Более того, составив отношение q"{R, z, t)/q' (R,z, t), у б е ж д а е м с я
в том, что на очень большом расстоянии от центра города это отношение неограниченно растет при увеличении R.
R
0
Рис. 6.2. Распределение концентрации примесей по
горизонтали при слабо (1) и сильно (2) развитом
турбулентном обмене.
Приток примеси под влиянием вертикального турбулентного
обмена — четвертое слагаемое в правой части уравнения (6.17).
Оценка этого ф а к т о р а дается ниже на основе построенного решения уравнения (6.17).
Пятое слагаемое в правой части уравнения (6.17) описывает
убыль (отток) примеси вследствие захвата примеси каплями и
кристаллами облаков, туманов и осадков, а т а к ж е радиоактивного р а с п а д а примеси, если она радиоактивна.
Под
влиянием
этого фактора, а т а к ж е падения частиц в поле силы тяжести происходит самоочищение атмосферы. Все другие факторы лишь перераспределяют примесь в атмосфере. Если действует только пятый фактор, то уравнение (6.17) принимает вид
dq_
dt
q_
х •
Интегрируя это уравнение при начальном условии
, q = q0
6
Заказ № 33
при f = 0, '
97
получаем
Q (t) — Чо exp ( — t j x ) .
Таким образом, при t = х концентрация q(x)=q0/e,
т. е. за время,
равное х, концентрация убывает в е = 2 , 7 2 . . . раз. Эти рассуждения выясняют физический смысл времени жизни примеси х.
6.4. Установившееся распределение
примеси по высоте
В общем случае концентрация з а г р я з н я ю щ и х атмосферу веществ является сложной функцией координат и в к а ж д о й точке
пространства изменяется под влиянием рассмотренных выше факторов во времени. Исследовать эту зависимость концентрации от
координат и времени на основе уравнения (6.17) можно в общем
случае лишь с помощью численных методов с последующей реализацией построенного решения на современных ЭВМ. К тому ж е
д л я построения замкнутого решения уравнение (6.17) следует дополнить уравнениями движения (для определения и и о), неразрывности (для определения wa), баланса турбулентной энергии
(для kz), движения частиц примеси и капель облаков и осадков
(для определения % и т). Необходимо т а к ж е привлечь р я д полуэмпирических соотношений — функции распределения частиц примеси, а т а к ж е капель облаков и осадков по р а з м е р а м ; формулу,
связывающую коэффициент k s с характеристиками поля ветра;
р я д формул теории подобия или эмпирических выражений, устанавливающих связи м е ж д у п а р а м е т р а м и вертикального обмена и
термодинамическими величинами.
В этой общей постановке исследование и количественная оценка
загрязнения атмосферы примесями различного происхождения далека от завершения. Однако к настоящему времени выполнено
большое число оценок загрязнения атмосферы
для
некоторых
частных случаев, которые получаем на основе различных предположений об источниках примесей, х а р а к т е р е движения, коэффициентах уравнений и др.
Рассмотрим один из таких частных случаев. С этой целью
осредним уравнение (6.17) за достаточно большой интервал времени (декада, месяц, сезон, год) и по большой площади, например по всему городу. Тогда можно считать близкими к нулю:
а) левую часть уравнения — процесс загрязнения воздушного бассейна города установившийся (dqfdtmO);
б) адвективный приток
примеси
0), поскольку этот приток имеет разные
У
/
знаки в различных частях города и меняет знак во времени в одной и той ж е точке, прежде всего, под влиянием смены направления ветра.
98
С учетом того что г о р и з о н т а л ь н а я д и ф ф у з и я у ч и т ы в а е т с я с пом о щ ь ю ф о р м у л ы (6.19), у р а в н е н и е (6.17) д л я этого частного случ а я з а п и ш е м в виде
(6.21)
П р и этом мы т а к ж е п р е д п о л а г а е м , что к о э ф ф и ц и е н т ы у р а в н е ния kz, w, т р а в н ы некоторым осредненным по времени и п л о щ а д и
з н а ч е н и я м , поэтому они вынесены из-под з н а к а осреднения. Одн а к о к о э ф ф и ц и е н т ы kz, w и т в у р а в н е н и и (6.21) я в л я ю т с я функц и я м и высоты. П о э т о м у решение д а ж е этого упрощенного уравнения без с п е ц и а л ь н ы х допущений о виде ф у н к ц и о н а л ь н о й зависимости к о э ф ф и ц и е н т о в от высоты м о ж н о построить л и ш ь с пом о щ ь ю численных методов. Ч т о б ы получить решение у р а в н е н и я
(6.21) в виде, в ы р а ж а ю щ е м с я через известные функции, дополнительно п р е д п о л о ж и м : в) скорость w не з а в и с и т от высоты и
р а в н а некоторому среднему по всему пограничному слою значению: w — w = c o n s t : г) в приземном слое т о л щ и н о й h = 50—100 м,
в котором существенно изменение kz с высотой, м а л а р о л ь в ы м ы вания примесей о с а д к а м и или р а д и о а к т и в н о г о р а с п а д а , поскольку
т о л щ и н а этого с л о я м а л а по с р а в н е н и ю со всем пограничным
слоем. Ч т о к а с а е т с я к о э ф ф и ц и е н т а турбулентности kz, то, к а к
установлено многочисленными исследованиями, в частности с привлечением теории подобия и р а з м е р н о с т и ,
коэффициент
этот
в п р и з е м н о м слое всегда р а с т е т (в непосредственной близости
к земной поверхности — линейно) с увеличением высоты. В ы ш е
приземного с л о я kz п р а к т и ч е с к и не з а в и с и т от г. В хорошем согласии с р е з у л ь т а т а м и теоретических исследований и опытными д а н ными находится с л е д у ю щ а я э к с п о н е н ц и а л ь н а я ф о р м у л а :
kz = &оо [1 +е — ехр
(—z/L)],
(6.22)
где L — м а с ш т а б д л и н ы М о н и н а — О б у х о в а , £оо(1 -1-е)
— значение kz на большой высоте (практически при z>h
— в ы ш е приземного с л о я ) . В б л и з и земной поверхности,
где
ехр ( — z / L ) да
да1-—z/L,
к о э ф ф и ц и е н т турбулентности линейно р а с т е т с высотой
kz = ko+
7— 2,
(6.23)
где k o ^ k ^ B — з н а ч е н и е kz при 2 = 0. О т с ю д а
всегда мал а я по с р а в н е н и ю с единицей. Отношение koo/L п р е д с т а в л я е т собой з н а ч е н и е kz на высоте 2 = 2 1 = 1 м:
у
1
•
К\ — «о Т"
^00
7
^^ №00
^
J
»
(6.24)
поскольку ko м а л о по с р а в н е н и ю с kmZi/L.
99
Интегрируя уравнение
получаем
(6.21)
kzJ^-
при w = w
и т->ос
— wq = A.
по высоте,
(6.25)
Постоянную интегрирования А определим из условия на большой
высоте — в данной з а д а ч е на верхней границе Н пограничного
слоя, поскольку у ж е на этой высоте концентрация примесей и турбулентный поток их практически равны нулю. И з этого условия
при 2 = # следует, что Л = 0 . Уравнение (6.25) принимает с учетом (6.18) вид
=
— wa)4,
(6.26)
где vg и wa — осредненные по всему пограничному слою скорость
падения
частиц
примеси
и вертикальная скорость движения
воздуха.
Физически уравнение (6.26) в ы р а ж а е т равенство турбулентного потока примеси потоку примеси, обусловленному силой тяжести и упорядоченным вертикальным движением воздуха, восходящим в циклонах и л о ж б и н а х и нисходящим в антициклонах
и гребнях.
П р и kz, определенном формулой (6.22), д л я получения интег р а л а уравнения (6.26) необходимо ввести новую независимую переменную г), связанную с г соотношением
•ц = (1
е) exp (z/L) — 1.
Уравнение (6.26) после перехода к переменной ц принимает вид
^
Я
=
( 6 .27)
v
ч
'
где
6=
(ve — Wa)L
(Од — Wa) Zi
\g
'
=•
I
, ,
fcooO+e)
fti(l+e)
(6.28)
K
'
безразмерный параметр; здесь
использовано
также
соотношение (6.24).
Будем считать известной (измеренной) концентрацию примеси
вблизи земной поверхности, например на высоте z = z i (tl = r|i).
Интегрируя (6.27) в пределах от zi, где q = qi до произвольной
высоты z, получаем
Hz) = qM/Л.Г6Эту формулу можно назвать показательно-степенной,
(6.29)
поскольку
г) — показательная (экспоненциальная) функция высоты, а гу (г) —
степенная функция г].
100
Н е представляет большого труда выполнить расчет концентрации примесей по формуле (6.29) на всех высотах, не вводя никаких упрощений. Однако для наглядности рассуждений и качественных оценок рассмотрим два частных случая.
Малые высоты.
мают вид
Здесь переменная т) и формула (6.29) принит) да (1 + е) (1 + z/L) — 1 да z/L,
q(z) = qi{zjz)\
поскольку ехр {zi/L) да 1 +zi/L
(6.30)
и e < C l . В случае тяжелой
сом в несколько десятков микрометров) примеси
метр
(vg > 0)
(радиупара-
8 при любой метеообстановке положителен, поскольку
д л я частиц такой примеси, к а к правило, больше модуля
vg
|а/а|:
Концентрация таких примесей, согласно степенной формуле (6.30), всегда убывает с высотой.
Однако в случае газообразных, а т а к ж е легких твердых и жидких примесей, для которых о^даО, параметр б меньше нуля при
w a > 0 и, следовательно, концентрация таких примесей не падает,
V g > \ w a \ .
а растет с высотой. Вообще говоря, такое распределение q(z) по
высоте в циклонах и ложбинах, где wa > 0, по-видимому, возможно в нижней части приземного слоя. Но в таких барических
системах следует учитывать захват и вымывание примеси облаками и осадками, поскольку они здесь всегда наблюдаются. Н а
оценке роли этого фактора, а т а к ж е на анализе других закономерностей изменения q (z) с высотой остановимся ниже, в связи
с анализом формулы (6.29) д л я больших высот.
Большие высоты (верхняя, экмановская, часть пограничного
слоя). Здесь переменная г) и формула (6.29) принимают следующий вид:
т] да (1 + е) ехр (z/L) да ехр (z/L),
q(z) = qn\Uxp{-b-j-).
'
(6.31)
З а п и ш е м эту формулу д л я верхней границы приземного слоя z = h
$(A).= $* = ? i T i i e x p ( - 6 - 4 - ) .
Если теперь составить отношение q(z)/qh,
и (6.32) получим
q (г) = qh ехр
-
то на основе
~ ' ( г - h) j ,
(6.32)
(6.31)
(6.33)
101
при этом использовано соотношение (6.28).
Согласно экспоненциальной (показательной)
формуле
(6.33),
концентрация т я ж е л о й (достаточно крупной) примеси ( % > ( ) ) ,
а т а к ж е концентрация л ю б ы х примесей при wa < 0 (антициклоны
и гребни) всегда падает с высотой, асимптотически п р и б л и ж а я с ь
к нулю при z->-oо. Скорость у б ы в а н и я q(z)
при увеличении
существенно р а з л и ч н а в зависимости от значения п а р а м е т р а
а=
.
г
(6.34)
П у с т ь этот п а р а м е т р принимает д в а значения а' и а", при
этом а' < а". И з ф о р м у л ы (6.33) следует, что при м а л о м ( а ' )
значении п а р а м е т р а а концентрация примеси у б ы в а е т с высотой
медленнее, чем при его большом значении, т. е. на всех уровнях
г > h выполняется неравенство (рис. 6.3)
q (z)/qh>
q"
(zj/qi
Такой ж е вывод следует из ф о р м у л ы (6.30), если при р а с с у ж д е ниях п а р а м е т р а заменить на 6, а отношение q(z)/qq
на
q(z)/qi.
М а л ы е значения ( а ' и б ' ) п а р а м е т р о в а и б относятся
к с л у ч а я м сильно развитого турбулентного обмена (большие значения
и ki в в ы р а ж е н и я х (6.34) и (6.28)) мелких по р а з м е р а м
частиц примеси ( м а л а скорость п а д е н и я vg) или с л а б ы х вертикальных д в и ж е н и й воздуха ( м а л ы е значения модуля \ w a \ ) .
Турбулентный обмен в свою очередь интенсивен в тех случаях,
когда н а б л ю д а е т с я сильный ветер или т е р м и ч е с к а я с т р а т и ф и к а ц и я .
приземного слоя неустойчивая — вертикальный градиент температуры у =—dT/dz
больше сухоадиабатического уа, а в насыщенном воздухе — в л а ж н о а д и а б а т и ч е с к о г о градиента у'а\ у > уа или
у > у'а — или когда сильно ш е р о х о в а т а я
земная
поверхность
(большие значения уровня шероховатости zo).
П о с к о л ь к у на значительных высотах концентрация
примеси
при м а л ы х ( а ' ) значениях п а р а м е т р а а повышена (см. рис. 6.3),
то к а к из физических представлений, т а к и из результатов расчета
следует, что концентрация примеси на м а л ы х высотах, в частности в непосредственной близости к земной поверхности, пониж е н а , о д н а к о при том непосредственном условии, что масса примесей, поступающих из источников, во всех с л у ч а я х сохраняется
постоянной.
П р и больших [а" и 8 " ) значениях п а р а м е т р о в а и б концент р а ц и я примеси быстро п а д а е т с высотой, вследствие чего ее сод е р ж а н и е м а л о на значительных высотах и велико на
малых,
в частности вблизи земной поверхности. Б о л ь ш и е значения а и б
отмечаются в тех случаях, когда слабо развит турбулентный об102
мен (мала скорость ветра, устойчивая, особенно инверсионная,
термическая стратификация приземного слоя: у<уа
или
м а л а шероховатость земной поверхности) или велики размеры частиц примеси или наблюдаются сильные нисходящие
движения
(скорость их да, < 0 и велика по модулю — в мощных антициклонах).
zм
Р и с . 6.3. Р а с п р е д е л е н и е н о р м и р о в а н н о й (на qu) концентрации прим е с е й по в ы с о т е п р и м а л ы х ( / )
и б о л ь ш и х (2) з н а ч е н и я х п а р а м е т ров б и а.
Р и с . 6.4 Р а с п р е д е л е н и е к о н ц е н т р а ц и и
п р и м е с е й по в ы с о т е п р и с и л ь н о (1)
и с л а б о (2) р а з в и т о м т у р б у л е н т н о м
обмене,
Типичные кривые распределения над городом концентрации загрязняющих веществ по высоте при малых и больших значениях
параметров а и б приведены на рис. 6.4. г —
И з приведенных рассуждений следует: !по сравнению с некоторым средним уровнем, наблюдаемым в данном городе, высокие
уровни загрязнения на малых высотах создаются или при слабом
ветре, или при сильно устойчивой (инверсионной) стратификации, когда разность температур воздуха у земной поверхности
(Го) и на некоторой высоте, например 500 м (Г5оо), отрицательна:
АТ = Т0 — Тьоо < 0. Т а к а я стратификация чаще наблюдается ночью
и зимой, чем днем и летом, или при антициклонической метеорологической обстановке. Нередко все эти факторы действуют одновременно, и тогда возникает наиболее т я ж е л а я обстановка—-сод е р ж а н и е з а г р я з н я ю щ и х веществ на малых высотах особенно велико, их концентрация может во много р а з Превышать предельно
допустимую концентрацию ( П Д К ) . J
103
Н а больших высотах при этих условиях содержание примесей
понижено, толщина аэрозольного о б л а к а z* над городом минимальна (оно прижато к з е м л е ) .
6.5. Учет захвата и вымывания примеси
каплями и кристаллами облаков и осадков
Выше у ж е указано, что при циклонической обстановке, когда
wa > 0, необходимо учитывать влияние захвата и последующего
вымывания загрязняющих веществ каплями и кристаллами облаков и осадков. Этот процесс в конечном счете приводит к самоочищению атмосферы. Газообразные примеси, в первую очередь
диоксид серы, реагируют с каплями, превращаясь в жидкие примеси, и с ними оседают на земную поверхность.
Наиболее просто эффект вымывания учитывается в верхней
(экмановской) части пограничного слоя, где коэффициент турбулентности практически не зависит от высоты: kz~kco = const. Д л я
этой части слоя уравнение (6.21) путем введения новой функции
ql(z) = q(z)ex р
(6.35)
приводится к виду
d2q,
dz3
b2q, = О,
(6.36)
где
b2
=
( Vg-Wa
у
(6.37)
xkn
Ограниченное на бесконечности решение уравнения
вид
(6.37)
имеет
(6.38)
<7. (z) = qh ехр [—b (z — h)].
С учетом соотношения (6.35) получаем следующее в ы р а ж е н и е
для концентрации примеси на высоте z> h:
q (z) = qh ехр
g —
и
-
Wa
+
b\(z
•h) 1.
J
(6.39)
Легко видеть, что с учетом вымывания концентрация примеси,
к а к тяжелой, т а к и легкой, всегда убывает с высотой не только
при нисходящих (до о -< 0 ) , но и при восходящих (w a > 0) вертикальных движениях воздуха в циклонах. В самом деле, каково
бы ни было w=wa — vg в формуле (6.39), первый множитель в показателе экспоненты всегда положителен:
т
104
=
2/г„
1
>0.
т/г,.
(6.40)
Это означает, что концентрация любой примеси (легкой и тяжелой) всегда падает с высотой при любой синоптической обстановке. Однако скорость убывания q(z) при увеличении высоты существенно различна в областях пониженного и повышенного давления. В самом деле, оценим множитель т при kao = b м 2 /с,
(легкая примесь), т = 1 ч (1/т = 3 - Ю - 4 с - 1 — т а к о в порядок величины этого п а р а м е т р а в о б л а к а х и осадках для частиц аэрозоля
радиусом 1—-2 мкм по опытным д а н н ы м ) , w a = —2 см/с (первый
случай, антициклон) и wa = 2 см/с (второй случай, циклон). Тогда
в антициклоне т= (2 + 3,3) • 10~3 = 5,3- Ю - 3 м - 1 , а в циклоне т =
= (—2 + 3,3) • 1 0 - 3 = 1,3 • Ю- 3 м- 1 .
Таким образом, в данном примере концентрация примеси убывает в е = 2,72 р а з по сравнению со значением ее при z = h при
подъеме всего лишь примерно на 200 м в антициклоне и более
чем на 750 м в циклоне. И з приведенных оценок следует, что
о б щ а я метеорологическая обстановка
оказывает
существенное
влияние на уровень загрязнения атмосферы: при^ антицикл одической обстановке концентрация примесей п о в ш ф ш а _ в ^ и з ^ Г з е м н б й
поверхности и понижена в верхней части пограничного слоя; циклоническая обстановка сопровождается снижением уровней загрязнения на малых высотах и ростом их на больших. К. тому ж е
следует иметь в виду, что в антициклонах чаще, чем в циклонах
наблюдается инверсионная стратификация и более слабые ветры.
Воспользуемся формулой (6.39) д л я оценки высоты z* верхней
границы о б л а к а примесей. Теоретически она равна бесконечности,
поскольку только при z - v o o концентрация примесей асимптотически приближается к нулю. Однако можно определить z* к а к такой уровень, на котором концентрация убывает по сравнению с цк,
например в 100 р а з : q (z*)/qh = l0~z.
получаем
Тогда из формулы
(6.39)
где параметр т определен в ы р а ж е н и е м (6.40). При указанных
выше значениях параметров и h = 50 м высота z* составляет
около 920 м в антициклоне и примерно 3500 м в циклоне. В случае т я ж е л о й примеси со средним радиусом 25 мкм и плотностью
р,. = 2 г/см 3 высота о б л а к а такой примеси оказывается
равной
всего лишь около 180 м в антициклоне и около 260 м в циклоне
при тех ж е ш а = ± 2 см/с, &<х> = 5 м 2 /с, h = 50 м, т = 1 ч. Скорость
падения таких частиц оценивается по формуле Стокса
vg=l,26X
X Юб р г г 2 (где г — в см, v g — в см/с, р г — в г/см 3 ) и равна 13 см/с.
И з этих оценок следует, что т я ж е л а я
примесь
сосредоточена
в нижней части пограничного слоя.
105
Общий вывод сводится к тому, что метеорологические условия
оказывают существенное (нередко определяющее) влияние на
уровни загрязнения атмосферы вблизи земной поверхности, на
распределение концентрации примесей в пространстве и изменение
во времени.
Остановимся еще на учете адвективного притока примеси. Введем характерный горизонтальный масштаб D города, точнее той
области, на внешней границе которой концентрация примеси мала
по сравнению с концентрацией в центре города, например меньше
в 100 раз. На наветренной стороне такой области концентрация
примеси при увеличении расстояния на Dj2 вдоль оси х, направленной по ветру, изменяется от значения, близкого к нулю,
на границе области до qm вблизи центра города. Таким образом,
здесь dq/dx^2qmID,
а адвективный приток примеси — u d q j d x
w—2uqm/D.
Полагая среднее значение концентрации примеси
близким к qml2, приходим к заключению, что осредненный адвективный приток примеси на наветренной стороне города приближенно можно представить в виде:
—udq/dxm
— q/x*,
(6.41)
где т * = £ ) / ( 4 ы ) — п о с т о я н н а я с размерностью времени, имеющая
такой ж е физический смысл, что и время релаксации т. З а время t,
равное х*, осредненная по наветренной стороне города концентрация примеси уменьшается в е раз.
Такие ж е рассуждения приводят к следующей оценке адвективного притока примеси на подветренной стороне города:
—и dq/dx « q/x*.
(6.42)
Выражения (6.41) и (6.42) показывают, что адвективный приток можно учесть, если постоянную х, вошедшую в уравнение
(6.21) и формулу (6.38), заменить на т + т* на наветренной стороне города и на х — х* на подветренной. Легко видеть, что на
наветренной стороне города концентрация примеси под влиянием
адвекции падает с высотой быстрее, чем в случае отсутствия адвекции, в то время как на подветренной стороне города этот процесс идет медленнее.
6.6. Одиночный непрерывный источник
Большая часть загрязняющих веществ в городах поступает из
одиночных (точечных) источников. Это трубы
промышленных
предприятий, тепловых электростанций (ТЭС), отопительных систем, выхлопные трубы автомобилей и др. При изучении глобального загрязнения атмосферы отдельные города т а к ж е рассматриваются как точечные источники (поскольку их размер мал
по сравнению, например, с радиусом З е м л и ) . Выбросы примесей
осуществляются, как правило, в течение длительного времени. Это
означает, что процесс выброса и распространения примеси из
трубы можно рассматривать как установившийся.
106
В распространении примеси от одиночных источников определ я ю щ у ю роль играют адвективный перенос и т у р б у л е н т н а я диффузия. Горизонтальный обмен учтем, согласно опытным данным,
с помощью нормального (гауссова) з а к о н а :
у, z, t)=
0
> * p H W )
о у -у2я
, » ( . , z, Q.
(6.43)
З д е с ь q*(x, z, t) — о с р е д н е н н а я вдоль оси у (поперек ветра) конц е н т р а ц и я примеси
q*{x,
(поскольку
[D
z, t) = l i m - j j - J q(x,
+00
J ехр
J —;
2
(-уЧ2ау)
у, z, t)dy
dy = 1), oy — среднее
(6.44)
квадратиче-
ское отклонение турбулентных частиц по оси у.
(
П р и этом следует учесть д и ф ф у з и ю примеси л и ш ь в поперечном (к ветру) направлении, поскольку в продольном н а п р а в л е н и и
роль д и ф ф у з и и м а л а по сравнению с адвективным переносом.
Т а к и м о б р а з о м , предположим, что: а) процесс р а с п р о с т р а н е н и я
примеси я в л я е т с я установившимся; б) м а л ы скорость гравитационного оседания частиц примеси
— л е г к а я примесь) и верт и к а л ь н а я скорость воздуха (ш а даО); в) отсутствуют в ы м ы в а н и е
И р а д и о а к т и в н ы й р а с п а д примеси; г) н а п р а в л е н и е ветра не изменяется с высотой (при этом и = 0, если ось х н а п р а в л е н а вдоль
в е т р а ) . Тогда у р а в н е н и е (6.21) д л я концентрации примеси
q*(x,
г), осредненной в поперечном (к ветру) направлении, примет
вид
И с к о м а я концентрация примеси q(x,
щ и м граничным у с л о в и я м :
^->-0
у, z) удовлетворяет следую-
при X — о о ,
—kzdq/dz-*-0
оо, z - » - o o ;
при
z->-0;
+ 8|Я + Е
lim ^
е-*-0 _ Е
jj uqpdy
я _ е
dz = М
при х = 0 и z — H,
(6.46)
где Я — высота источника примеси (трубы), М — масса примеси,
поступающей из источника за единицу времени (кг/с). Второе из
приведенных условий означает, что оседания примеси на земную
поверхность не происходит (частицы примеси от нее о т р а ж а ю т с я ) ;
107
третье условие определяет выброс примеси точечным источником
мощностью М.
Анализ решения уравнения (6.45) при условиях (6.46) методами теории подобия приводит к заключению, что у поверхности
Земли ( z - > 0 ) при стратификации, близкой к безразличной ( у ж
~ У а ) , функция q* имеет следующий вид:
а) вблизи источника (малые х)
q*{Xt 0) = a
tr*
v
\
*
+
(6.47)
1
б) на большом расстоянии от источника (большие значения х)
где а * — скорость трения; 2сог — кориолисов параметр; а и b, at
и bi — некоторые постоянные (определяемые опытным путем).
Согласно формулам (6.47) и (6.48)
концентрация
примеси
у земной поверхности с увеличением х растет вблизи источника
и уменьшается на больших расстояниях от него. Таким образом,
на некотором расстоянии хт концентрация
примеси
достигает
максимального значения qm. Теория подобия и размерности приводит к следующим выражениям для этих величин:
=
^ =
+
+ ...),
(6.49)
0 +
+ •••)<
(6.50)
где а% и Ьг, аз и Ьз — некоторые новые постоянные.
Приведем опытцые данные о концентрации примесей на различных расстояниях от ТЭС. Эти данные получены в экспедициях
Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова под руководством М. Е. Б е р л я н д а в различных районах страны.
Значения отношения q!qm на различных расстояниях от Криворожской ТЭС ( Я = 250 м, Д Г = 100 — 130°С) следующие:
х км
1
2
3
5
7
10
15
Зола
0,5
0,8
0,9
1,0
0,9
0,8
0,7
S02
0,6
0,7
0,9
1,0
0,9
0,7
0,6
Те ж е отношения q!qm
= 115— 190 °С):
для Щекинской ТЭС ( Я = 1 2 0 м, ДГ =
Л км
1
2
3
4
5
10
12
Зола
0,5
1,0
—
0,8
0,6
—
—
S02
'—
0,8
0,9
0,8
0,6
0,5
0,3
Нетрудно видеть, что зависимость q от х точно т а к а я же, к а к
и q* от х. Согласно формулам (6.47) и (6.48), концентрация при108
меси q на небольших расстояниях растет с увеличением х, достигает при хт (равном 5 км в первом случае и 2—3 км во втором)
максимума, а затем (при больших значениях) начинает убывать.
Эти данные согласуются т а к ж е с формулой (6.49): расстояние хт в районе Криворожской ТЭС ( Я = 250 м) примерно в два
р а з а больше, чем в районе Щекинской ТЭС ( Я = 1 2 0 м ) . Подчеркнем, что под высотой трубы (источника) следует понимать сумму
Таблица
6.1
Наибольшие концентрации S 0 2 (мг/м 3 ) в районе Молдавской ГЭС
Скорость ветра, м/с
X км
1
2
3
4
5,5
2
3
4
6
0,08
0,18
0,23
0,22
0,17
0,09
0,18
0,22
0,27
0,20
0,09
0,18
0,20
0,20
0,15
0,07
0,16
0,16
0,10
0,11
геометрической высоты трубы и некоторой добавочной высоты
АН, на которую поднимаются выброшенные из трубы примеси
под влиянием перегревания (AT) и начальной скорости дао. На
АН существенное влияние оказывает скорость ветра. П р и некоторых упрощающих предположениях получена следующая формула
для определения АН:
Д Я
= - ^ ^ 3 , 7 5 +
".о
^
^
4
'95g^Ar V
Ти%
J
(6.51)
'
где Ro— радиус устья трубы, ыю — скорость ветра на уровне флюгера ( г » 10 м), Т — температура о к р у ж а ю щ е г о воздуха, AT —
перегревание, wo — н а ч а л ь н а я скорость подъема струи, g — ускорение свободного падения.
Концентрация примеси вблизи земной поверхности зависит не
только от мощности источника (7И) и расстояния х, но и от скорости ветра. Скорость ветра в формулах (6.47) и (6.48) представлена скоростью трения и*, которая при стратификации, не очень
сильно отличающейся от безразличной, связана линейной зависимостью со скоростью ветра «i на некоторой высоте z i m l м:
t)# = xa I /ln(2 1 /2 0 ),
(6.52)
где 2о — параметр шероховатости, у, = 0,40 — постоянная К а р м а н а .
С ростом скорости ветра концентрация примеси (при фиксированных М и х), Согласно формулам (6.47) и (6.48), уменьшается.
Наибольшие концентрации диоксида серы (SO2) по данным
наблюдений в районе Молдавской ТЭС ( Я = 1 8 0 м, 7 = 20 — 40 °С)
приведены в табл. 6.1.
109
Согласно опытным данным, концентрация
SO2, к а к правило,
уменьшается с ростом скорости ветра, однако значительно медленнее, чем предсказывают формула (6.48) и особенно формула
(6.47): согласно последней, увеличение ui в два р а з а сопровождается уменьшением концентрации более чем в восемь раз. В действительности концентрация
примеси только при скорости ветра
больше 3—4 м/с убывает (сравнительно медленно) с ростом т ,
а при малых скоростях ветра (до 3 м/с) концентрация не убывает
В
10'
Р Чт с/м1
М
10 г
0,1
_1_
SO
а)
б)
I
l i t
100 150 200250
LL
50
J
L
100 150 H M
Рис.
6.5.
Зависимость
максимальных
концентраций
д и о к с и д а с е р ы (а) и з о л ы ( б ) о т в ы с о т ы т р у б ы .
или д а ж е возрастает. Возможно, это объясняется тем, что опытные данные приведены лишь для наибольших концентраций, но,
может быть, и недостатком теории. Отметим, что М. Е. Берляндом р а з р а б о т а н а теория, из которой следует вывод о возрастании
концентрации с ростом щ при малых значениях последней и существовании т а к называемой опасной скорости ветра (порядка
3—5 м/с), при которой концентрация достигает (при заданном х)
наибольшего значения.
Зависимость концентрации примеси от х по данным измерений
в районе Молдавской ТЭС (так ж е к а к и в других пунктах) согласуется с выводами теории. В частности, в согласии с формулой
(6.49) опытные данные показывают, что при росте скорости ветра
значения хт уменьшаются:
и м/с
2—3
4
6
хт к м
~4
~3,5
~2,5
Имеющиеся данные удовлетворительно согласуются с заключением, вытекающим из формулы (6.50): максимальные концентрации тем меньше, чем больше высота трубы (рис. 6.5).
Если стратификация атмосферы существенно отличается от
равновесной, то наряду с параметрами М, Н, х и и на концентрацию примеси вблизи земной поверхности существенное влияние
оказывает устойчивость атмосферы. Результаты численного решено
ния у р а в н е н и я (6.45) и других уравнений, из которых определяются скорость u = u(z) и kz = kz{z), п р е д с т а в л е н ы на рис. 6.6, на
котором
п а р а м е т р устойчивости (Qо — т у р б у л е н т н ы й поток тепла при z = О,
р — плотность воздуха, ср — у д е л ь н а я теплоемкость в о з д у х а ) . Этот
п а р а м е т р о т р и ц а т е л е н (р 0 < 0) при неустойчивой (у > у а ) и по7 ф А 0 ) с / м 3
м
Рис. 6.6. Распределение вдоль оси
х концентрации примеси q(x, 0, 0)
вблизи земной поверхности при
различной стратификации
атмосферы (Н = 200 м, геострофический ветер — 10 м/с).
л о ж и т е л е н (р,о > 0) при устойчивой (у < уа) с т р а т и ф и к а ц и и . Р и сунок 6.6 п о к а з ы в а е т , что с ростом неустойчивости м а к с и м а л ь н ы е
з н а ч е н и я к о н ц е н т р а ц и и у в е л и ч и в а ю т с я , а точка м а к с и м у м а приб л и ж а е т с я к источнику (при ро = 20 эта точка находится вне черт е ж а ) . Т а к а я з а в и с и м о с т ь q{x, 0, 0) от ро о б ъ я с н я е т с я тем, что
в с л у ч а е высотного источника примесь поступает к земной поверхности под в л и я н и е м переноса ее т у р б у л е н т н ы м и м о л я м и . С усилением неустойчивости в о з р а с т а е т интенсивность турбулентного обмена, а вместе с ним и к о н ц е н т р а ц и я примеси вблизи земной поверхности. Т а к о е з а к л ю ч е н и е с п р а в е д л и в о л и ш ь д л я высотных
источников. Д л я низких (в том числе н а з е м н ы х ) источников зависимость к о н ц е н т р а ц и и от с т р а т и ф и к а ц и и п р о т и в о п о л о ж н а , наиб о л ь ш а я к о н ц е н т р а ц и я примесей в этом с л у ч а е н а б л ю д а е т с я при
устойчивом (особенно, инверсионном) р а с п р е д е л е н и и т е м п е р а т у р ы
с высотой.
6.7. Э к с п е р и м е н т а л ь н ы е д а н н ы е
В з а к л ю ч е н и е приведем некоторые э к с п е р и м е н т а л ь н ы е д а н н ы е
о в е р т и к а л ь н ы х п р о ф и л я х концентрации примесей. В М о с к в е заг р я з н е н и е воздушного бассейна диоксидом серы происходит в основном от высоких (в среднем около 110 м) источников (ТЭС —
тепловые электростанции, заводские трубы). На распределение
к о н ц е н т р а ц и и по высоте б о л ь ш о е в л и я н и е о к а з ы в а е т в е р т и к а л ь ный п р о ф и л ь т е м п е р а т у р ы (в частности, высота
расположения
111:
нижней границы приподнятой инверсии, ее толщина и перепад
температур в ней). Согласно данным наблюдений (1970—1972гг.)
на Останкинской телебашне, наиболее часто нижняя граница инверсий р а с п о л а г а л а с ь в слое 110—250 м.
Под инверсионным слоем происходит накопление
примесей^
выбрасываемых^^
даются максимальные концентрации. К а к следует из табл. 6.2,
Таблица 6.2
Средняя
сезонная
3
концентрация ( м г / м ) диоксида
направлениях ветра
серы
при
различных
Направление ветра
Высота, м
СВ
В
ЮВ
Штиль
юз
3
сз
С
0,24
0,25
0,18
0,22
0,26
0,30
0,20
0,28
0,29
0,40
0,47
0,23
0,30
0,46
0,37
0,26
0,11
0,17
0,09
0,14
0,11
0,09
о;ю
0,09
0,06
0,07
0,08
0,08
Ю
Зима
1,5
147
269
377
0,20
—
—
0,23
0,27
0,34
0,31
0,32
0,32
0,3.1
0,17
0,21
0,32
0,34
0,40
0,21
0,28
—
—
—
Осень
1,5
147
269
377
0,17
0,11
0,10
0,04
0,09
0,18
0,15
0,09
0,25
0,12
0,31
0,11
0,25
0,33
0,13
0,13
0,17
0,13
0,11
0,11
зимой при четырех направлениях ветра максимум средней концентрации н а б л ю д а л с я на высоте 147 м, при двух — на 269 м и
при
одном — непосредственно
вблизи
земной
поверхности.
Осенью концентрация примесей в 2 — 3 р а з а меньше, чем зимой,
что объясняется турбулентным обменом, более сильно развитым
осенью. В отличие от зимы, когда концентрация примеси лишь незначительно и нерегулярно изменяется с высотой, осенью наблюдается более быстрое (начиная с некоторого уровня) убывание
концентрации (особенно при северо-восточном, восточном и южном направлениях в е т р а ) .
Приведем еще результаты анализа, выполненного Н. С. Бурениным, Б. Б. Горошко и В. И. Кирилловой, концентраций q оксида углерода (СО), диоксида серы (SO2) и диоксида
азота
(NO2) по данным измерений в течение одного года в Донецке.
Наблюдения проводились с 8 до 20 ч на высоте 1,5—25 м в двух
пунктах, расположенных в центральной части города на расстоянии около 3 км друг от друга.
Совместный анализ материалов (включавших в общей сложности около 16 тысяч проб) показал, что разности концентраций
примеси в двух пунктах л е ж а т в пределах погрешности измерения. Определяющую роль в практически синхронном изменении
112:
q во времени играют метеорологические условия. Авторы высказывают предположение о том, что на величину q не оказывают существенного влияния расположенные поблизости источники загрязняющих веществ, сами ж е данные измерений характеризуют
некоторый сформировавшийся на значительной территории города
уровень загрязнения. Наиболее низкие среднесуточные значения
Рис. 6.7. Распределение по высоте осредненных за теплый (1—3) и холодный
(4—6) периоды года концентраций NO2 (а) и SO2 (б) при различной метеообстановке.
1 и 4 — циклоническая;
2 и 5 — антициклоническая;
3 и 6 — малоградиентное
поле.
<7, в согласии с теорией, в приземном слое наблюдались при циклонической, а наиболее высокие — при антициклонической метеорологической обстановке. П р и этом концентрация SO2 и NO2 изменялась на два порядка, а концентрация СО — примерно в три
р а з а . Авторы предполагают, что метеоусловия оказывают влияние не только на распространение примесей, но и на превращение
SO2 и N 0 2 в другие химические соединения.
Осредненные за теплый и холодный периоды года вертикальные профили qlqmax при различной метеообстановке представлены
на рис. 6.7. И з него следует, что концентрация SO2 и NO2 п холодный период значительно больше, чем в теплый, что объясняется
преобладанием устойчивой ^инверсионной) теротческой стратификации в приземном слое зимой и неустойчивой —детомГ Однако
тот ж е рис. 6.7 показывает, что помимо стратификации на концентрацию примеси столь ж е существенное влияние о к а з ы в а ю т вертикальные движения воздуха, изменяющие з н а к при переходе от
циклонической
метеообстановки к антициклонической (конечно,
при этом изменяется т а к ж е и термическая с т р а т и ф и к а ц и я ) : в данном сезоне наиболее низкие значения q наблюдаются в циклонах,
а наиболее высокие—-в антициклонах. Особенно велико (в 3—
4 р а з а ) различие в концентрациях примесей, наблюдаемых при
циклонической обстановке летом и при антициклонической обстановке зимой, когда одновременно действуют соответственно в сто8
З а к а з № 33
113
рону понижения и повышения q оба фактора: термическая стратификация и вертикальные движенияГ
Высокие уровни загрязнения в холодный период года в значительной степени обусловлены преобладанием антициклонической
обстановки над циклонической':'' повтор['ёмость их с о с т а в л я е т ' 4 4 и
20 % соответственно; оставшиеся 36 % приходятся на малограТаблица
6.3
Распределение по высоте среднегодовых концентраций примесей
(отнесенных к максимальному значению ее) при различных направлениях ветра
Высота, м
Ветер
Северный
• Примесь
СО
so2
Восточный
1,5
10
15
20
25
0,76
0,54
0,80
0,64
0,-53
0,44
0,50
0,53
0,32
0,59
0,52
0,27
0,57
—
NO2
СО
0,82
NO~2
СО
0,80
0,85
0,79
0,62
0,73
0,81
0,54
0,63
0,81
0,55
0,67
0,80
0,87
0,80
0,90
0,92
0,68
0,86
1,00
0,65
0,75
0,91
0,66
0,84
1,00
0,85
0,83
0,70
0,80
0,58
0,68
0,55
0,44
0,70
0,58
0,42
0,68
0,80
1,00
1,00
0,66
0,68
0,82
0,61
0,58
0,82
0,62
0,52
0,80
—
so.
Южный
so2
Западный
NO2
СО
so2
Безветрие
NO2
СО
so2
NO2
—
—
0,95 •
—
—
1,00
—
—
диентное поле; летом соответствующие повторяемости равны: 29,
32 и 39 %.
Распределение по высоте среднегодовых концентраций СО, SO2
и NO2 (отнесенных к их максимальным значениям) при различных направлениях ветра приведено в табл. 6.3.
Согласно этим данным, концентрация СО при всех направлениях ветра и при безветрии убывает с высотой (от 1,5 до 25 м
в 1,5—2 р а з а ) , что объясняется преобладанием выбросов этой примеси из низких источников,
преимущественно
автотранспорта.
Концентрация диоксида серы практически т а к ж е при всех направлениях ветра убывает с высотой (от 10 до 25 м — в 2 раза и
более). Исключение составляет южный ветер, при котором концентрация S 0 2 мало изменяется с высотой и достигает максимальных
(по сравнению с другими ветрами) значений, что
объясняется
расположением промышленных источников загрязнения. Концентрация оксидов азота крайне незначительно изменяется с высотой
при всех направлениях ветра, что можно объяснить расположением источников этой примеси на всех уровнях в пределах рассматриваемого слоя.
114:
Суточный ход концентрации .наиболее четко в ы р а ж е н при антициклонической обстановке. В течение дня, который только и
охвачен наблюдениями, первый максимум q наблюдается в 9—
11 ч, а второй — в 16—17 ч, м и н и м а л ь н ы е ' з н а ч е н и я — в 12—14 ч.
Минимум q в послеполуденные часы объясняется усилением вертикального турбулентного обмена под влиянием усиления скорости ветра и неустойчивости приземного слоя. Поздно вечером и
рано утром концентрация понижается вследствие сокращения выбросов примесей транспортом и промышленностью.
Совершенно естественно, что на автомагистралях и на близких от них расстояниях концентрация примесей повышена. Так,
по данным наблюдений в пунктах, располагавшихся в непосредственной близости от автомагистралей (не более 2—3 м от обочины дороги), концентрация оксида углерода (осредненная за
20 мин) в ночные и ранние утренние часы почти в 5 раз больше,
чем в пункте, находившемся на расстоянии 150 м от автомагистрали, а днем она в 1,5—2 р а з а больше.
В тех городах, в которых на долю автотранспорта приходится
большая часть выбросов з а г р я з н я ю щ и х веществ, их концентрация
ночью в 3—6 раз меньше, чем днем, при этом днем отмечаются
два максимума: в 7—11 и 16—19 ч. Отметим, что доля СО в общей массе выбросов автотранспорта составляет 80—90 %, в свою
очередь в глобальных выбросах оксида углерода около 80 % приходится на автотранспорт.
Основной максимум спектральной функции концентрации СО
приходится на период, равный 1 сут.
По, данным наблюдений в 328 городах, к а к средние (q),
так
и средние максимальные (q m ) значения концентраций СО, SO2
и NOz растут по мере увеличения численности населения города,
с которым связан рост промышленного производства, автотранспорта и др.
Получены следующие значения концентрации СО, SO2, NO2
(отнесенные к средней концентрации в городах с населением менее 100 тыс. чел.):
Численность населения,
тыс. чел.
со
NO2
S02
Q
«т
<100
100—250
250—500
500—1000
>1000
1,0
1,0
1,1
1,2
1,5
1,0
1,2
1,1
1,6
1,5
Все города
1,1
1,2
4
'
я
1,0
1,1
1,0
1,2
1,2
1,0
1,5
1,6
1,6
2,0
1,0
1,2
1,2
1,5
1,8
1,0
1,1
1,4
1,9
2,8
1,2
1,3
1,1
1,2
Таким
образом, средняя концентрация примесей в городах
с населением более 1 млн. чел. увеличена по сравнению с тако8*
115
выми в м а л ы х городах на 20 % по SO2, на 50 % по4 CG и на
80 % по NO2; рост средних м а к с и м а л ь н ы х значений еще более
значителен: в 1,5 р а з а — по СО, в 2 р а з а — по S 0 2 и в 2,8 р а з а —
по N 0 2 .
С о д е р ж а н и е к а ж д о й из примесей испытывает большие колебания д а ж е в пределах одной и той ж е группы городов. Отношение
0. Iq, н а з ы в а е м о е коэффициентом в а р и а ц и и , составляет 0,5—0,8
д л я SO2 и 0,3—0,7 д л я СО и NO2; д л я м а к с и м а л ь н ы х концентраций это отношение составляет 0,6—1,5 д л я SO2, 0,5—0,7 д л я С О
и 0,6—1,0 д л я N 0 2 .
Отношение qm/q д л я SO2 и N 0 2 в целом по стране р а в н о 11—
12, д л я С О оно близко к 4. О д н а к о с ростом городов м а к с и м а л ь ные концентрации растут быстрее, чем средние, вследствие чего
отношение
qmlq в крупных городах больше, чем в средних.
6.8. М е т е о р о л о г и ч е с к и е а с п е к т ы
аварии на Чернобыльской атомной электростанции
Авария
на
Чернобыльской АЭС, п р о и з о ш е д ш а я 26 а п р е л я
1986 г., относится к числу наиболее т я ж е л ы х по своим последствиям за все в р е м я э к с п л у а т а ц и и всех А Э С .
В р е з у л ь т а т е а в а р и и значительное количество р а д и о а к т и в н ы х
веществ, накопившихся в р е а к т о р е за в р е м я его работы,- б ы л о
выброшено в о к р у ж а ю щ у ю станцию среду.
Высота струи р а д и о а к т и в н ы х
веществ,
распространявшихся
в северо-западном направлении, 27 а п р е л я п р е в ы ш а л а 1200 м на
расстоянии 30 км от станции, в последующие дни эта высота сос т а в л я л а 200—400 м. Уровень р а д и а ц и и на высоте 200 м и расстоянии 5—10 км от места а в а р и и 27 а п р е л я достигал 1000 м Р / ч и
28 а п р е л я 500 мР/ч.
Р а д и о а к т и в н ы е продукты из аварийного р е а к т о р а поступали
в атмосферу из д в у х . независимых источников: мгновенного, обр а з о в а в ш е г о с я в р е з у л ь т а т е в з р ы в а р е а к т о р а , и горячего, в котором т е м п е р а т у р а п о д д е р ж и в а л а с ь горением г р а ф и т а и р а д и о а к т и в ным р а с п а д о м осколочных продуктов. З н а ч и т е л ь н о е влияние на
вынос р а д и о а к т и в н ы х веществ о к а з ы в а л о
большое
количество
песка и других материалов, сброшенных в активную зону.
Относительное изменение выбросов
радиоактивных
веществ
в атмосферу из зоны р е а к т о р а в первые 4—5 сут описывается экспоненциальной формулой
Q (t) = 0,32 ехр (—0,28^),
где t — время, 'сут.
Поступившие из аварийного р е а к т о р а в атмосферу и затем выпавшие на земную поверхность р а д и о а к т и в н ы е продукты сформир о в а л и з а г р я з н е н и е ближней зоны у ж е в первые 4 — 5 сут после
116:
аварии. В последующем суммарное количество радиоактивных веществ на следе монотонно убывало,
В первые дни после аварии район АЭС находился в м а л о г р а диентном барическом поле. Вследствие этого направление и скорость ветра в нижней тропосфере резко изменялись во времени»
Выброшенные в момент аварии радиоактивные продукты распро-
Рис. 6.8. Распределение уровней радиации (мР/ч) 29 мая 1986 г. в ближней
зоне Чернобыльской АЭС.
странились в западном от АЭС направлении, создав узкую вытянутую полосу повышенного радиоактивного загрязнения местности.
27 апреля радиоактивные вещества распространялись
в
виде
струи сначала в юго-западном, а затем в северо-западном направлении. 28—29 апреля преобладал их перенос на северо-восток,
а 30 апреля — на юго-восток и юг от АЭС. Распределение уровней
радиации в. ближней зоне по состоянию на 29 м а я 1986 г. приведено на рис. 6.8.
М а к с и м а л ь н ы е значения (свыше 100 мР/ч) уровня р а д и а ц и и
наблюдались в районе, расположенном к северо-западу от АЭС
117:
(г. Припять и его окрестности). Результаты самолетной гаммасъемки в первой декаде июня 1986 г. представлены на рис. 6.9.
На рисунке приведены границы территории, в пределах которой
уровень радиации, созданной выбросами радиоактивных продуктов из реактора Чернобыльской АЭС, по состоянию на 10 июня
1986 г. превышал 0,05 мР/ч. Видно, что радиоактивное загрязне-
7
\
РСФСР
Рис. 6.9. Контур радиоактивного загрязнения, ограниченный изолинией уровня радиации, равной 0,05 мР/ч, по
состоянию на 10 июня 1986 г.
ние в ближней и дальней зонах происходило преимущественно
в виде трех языков, ориентированных на запад, север и юг от
АЭС.
По состоянию на 5 м а я 1986 г. суммарное количество радиоактивных выпадений в ближней и дальней зонах достигло 3 1 X
Х Ю 6 Ки, что составляет около 3 , 5 % теоретического суммарного
выделения радиоактивных продуктов в реакторе за прошедшее
после взрыва время.
При построении модели радиоактивного з а р а ж е н и я местности
предполагается, что радиоактивные вещества, поднятые из аварийного блока тепловыми потоками на некоторую высоту г*, становятся точечным источником радиоактивных полидисперсных частиц. Зависимость активности этих частиц от их радиуса г описывается логарифмически нормальным законом.
118:
Скорость
падения
частиц
аппроксимирована
формулами::
v(r) = 3 , 1 7 - К)" 4 г 2 — д л я г < 22 мкм и v(r) = 0,014(г — 11) — д л я '
г > 22 мкм (здесь v—-в м/с, г — в м к м ) . Перенос частиц по горизонтали определяется переменным во времени и изменяющимся
с высотой полем ветра. Учтена т а к ж е горизонтальная (по нормали
к направлению ветра) диффузия радиоактивных частиц: использо-
Рис. 6.10. Рассчитанное (1) и измеренное (2) распределение уровней радиации (мР/ч) на земной поверхности
29 мая 1986 г.
в а н нормальный закон изменения концентрации частиц в зависимости от расстояния до источника.
П а р а м е т р ы логнормального закона распределения активности
частиц от радиуса подбирались так, чтобы рассчитанная по модели и фактическая зависимости площади радиоактивного з а р а ж е н и я от уровня радиации были наиболее близкими. В наилучшем согласии рассчитанная зависимость 5 от Р с фактическими
данными гамма-съемок находится при п а р а м е т р а х логнормального
закона, равных 25 мкм (медианный радиус) и 0,25 (среднее квадратическое отклонение л о г а р и ф м а р а д и у с а ) .
Результаты расчета уровней радиации при указанных значениях параметров и привлечении фактических данных о скорости
ветра приведены на рис. 6.10. Н а ч а л ь н а я высота подъема радиоактивных продуктов принималась равной 1000 м до 17 ч 28 апреля
119:
1986 г. и 500 м после этого срока. Видно, что расчетные и фактические данные об уровнях радиации находятся в удовлетворительном согласии.
Отметим, что распределение уровней радиации в какой-либо
•фиксированный момент времени, особенно в первые после аварии
дни, отмечалось еще большей пестротой (изменчивостью), чем
лредставлено на рис. 6.8 и 6.10.
ГЛАВА 7. ПРОГНОЗ ФОНОВОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
ВОЗДУХА В ГОРОДЕ
7.1. Введение
Метеорологические условия высокого фонового
загрязнения
воздуха следует изучить в к а ж д о м городе путем анализа результатов наблюдений. Обычно в городе на сети постов Госкомгидромета С С С Р в течение одного дня отбирается 50—100 проб воздуха на различные составляющие примесей.
Д л я оценки степени загрязнения атмосферы города в целом
используются различные обобщенные показатели.
Одним из наиболее простых показателей загрязнения служит
нормированная (безразмерная) концентрация
примесей
(q*),
осредненная по всему городу и по всем срокам наблюдений:
(7Л)
где qi — средняя за день концентрация в г'-том пункте, q% — среднесезонная концентрация в том ж е пункте, N — число стационарных пунктов в городе.
Нормирование на среднесезонную концентрацию позволяет исключить влияние изменения общей концентрации от года к году,
что дает возможность использовать для анализа р я д наблюдений
з а несколько лет.
В качестве другого показателя загрязнения используется коэффициент при первом члене р а з л о ж е н и я концентрации примеси
по естественным ортогональным функциям (е. о. ф.):
ЛГ
« 1 = X <Pi 14и
• £=1
(7.2)
где
ф1г — компоненты первой е. о. ф., q\ = q% — qi — отклонение
концентрации от ее среднего значения в г-том пункте.
Коэффициент а% характеризует одновременное возрастание или
уменьшение концентрации примеси по всему городу (этот показа120:
тель можно использовать только в тех пунктах наблюдения, в которых расчет выполняется с помощью Э В М ) .
Наибольшее распространение получил третий показатель фонового загрязнения города — параметр
(7.3>
где п-—общее число наблюдений за концентрацией примесей в городе в течение одного дня на всех стационарных пунктах, т —
число наблюдений за концентрацией, превышающей среднее сезонное значение более чем в 1,5 р а з а (qi > \,bqi).
П а р а м е т р З 3 тесно связан с коэффициентом oci, коэффициенты
корреляции г между ними составляют 0,85—0,94, и нормированным средним значением q* (г = 0,65 — 0,90). Среднесезонные з н а чения qt в г-том пункте определяются для каждого года по среднемесячным значениям, например, для лета
4iV I + QiVU + livill
3
При оперативном расчете 9* следует ориентироваться на средние
значения qi за соответствующий сезон предыдущего года и предшествующий месяц данного года.
Д л я многих городов параметр 9> можно рассчитывать по со! вокупности ряда примесей. Следует лишь исключить те специфические примеси, которые поступают в атмосферу из четко выраженных источников.
Существует достаточно тесная корреляционная связь между параметром
рассчитанным д л я всех примесей, и среднесуточными:
концентрациями q отдельных примесей (СО, SO2, NO2): коэффициенты корреляции между ZP и q составляют в Ленинграде и Чите
0,76 и 0,82 для S 0 2 , 0,70 и 0,84 д л я N 0 2 , 0,58 и 0,69 д л я СО соответственно.
Выделяют три уровня загрязнения воздуха в городе: высокий:
(I группа) — SP > 0,35; повышенный
(II группа) — 0,20 < & ^
^ 0,35 и пониженный (III группа) — <
0,20.
Высокий уровень загрязнения
0,35) формируется при следующих метеорологических условиях:
/
1) ночью или утром данного дня очень слабый (до 1 м/с) ве/ т е р или безветрие, а накануне наблюдалось повышенное значеI ние
: ЯР' > 0,3;
2) днем (по данным наблюдений в 15"ч) безветрие или оченьслабый ветер, а накануне 03' > 0,15;
3) относительно высокая температура воздуха при слабом (до5 м/с) ветре в утренние часы данного дня, а накануне
> 0,30;
121:
i(
4) умеренный (3—6 м/с) ветер и неустойчивая стратификация
Цднем сменяются безветрием вечером, а накануне 5 г > / > 0 , 1 5 ;
ц
5) накануне £Р' > 0,4, а в последующий день не ожидается
//' усиления ветра или выпадения значительных осадков;
Ij
6) при очень слабом (до 1 м/с) ветре наблюдается туман или
Ч. .приподнятая инверсия.
• Оправдываемость
каждого из этих признаков (предикторов)
^составляет 60—70 %.
Пониженный уровень загрязнения отмечается при следующих
метеорологических условиях:
1) скорость ветра (по флюгеру) превышает 5—6 м/с;
2) умеренный или сильный дождь;
3) накануне во второй половине дня
<С 0,15.
Оправдываемость в этом случае составляет 70—90 %.
\ Высокий уровень загрязнения наблюдается в центральных час т я х стационарных антициклонов, в малоградиентных барических
:полях при адвекции тепла в тропосфере, в западных и северо-зап а д н ы х частях малоподвижных антициклонов, в теплых секторах
.циклонов при малых значениях градиента д а в л е н и я ^ !
Пониженное загрязнение наблюдается при активной циклонич е с к о й деятельности, при больших значениях градиента давления.
7.2. Способ распознавания образов
Способ распознавания образов сводится к определению стешени близости конкретной обстановки к указанным выше уровням
з а г р я з н е н и я . С этой целью д л я каждого уровня загрязнения опред е л я ю т с я среднее значение х и среднее квадратическое отклонение о х следующих предикторов: скорости ветра на высоте 10 м
(«ю) и 500 м (usоо), разности температур (АТ = То — TSoo) воз..духа у земной поверхности Го и на высоте 500 м Г500, самой приземной температуры Т0 на высоте 2 м и параметра
в предшеств у ю щ и й день. З а т е м рассчитываются величины
ft= 1 V
X
k]
.характеризующие близость данной конкретной метеообстановки
:к среднему состоянию /-того уровня загрязнения, / = 1, II, III.
...Здесь xi —- ню, Х2 = М500, хз = АТ, xt = То, Хъ =
; Xhj — средние значения величины Xk при /-том уровне загрязнения, о х — с р е д н е "•Э
.квадратическое отклонение величины хь. при том ж е /-том уровне
загрязнения.
Средние значения и среднеквадратические отклонения предикторов, полученные по данным наблюдений зимой в Красноярске,
представлены в табл. 7.1.
В согласии с теорией, загрязнение воздуха тем значительнее,
-чем меньше скорость ветра у земной поверхности и на высоте
У 22
500 м, больше (по модулю) разность AT, хотя изменение ее к р а й н е
мало, ниже приземная температура воздуха Т0 и выше уровень
загрязнения в предшествующий день 9 3 '.
На основании фактических данных о предикторах хк по соотношению (7.4) рассчитываем величины
р 2 , p2t и р 2 и . Д а н н у ю
конкретную обстановку относим к тому уровню, д л я которого величина р2. о к а ж е т с я наименьшей. Так, в один из дней наблюдаТа блица 7.1
Средние значения и среднеквадратические отклонения метеовеличин
для разных уровней загрязнения
Средние значения
Уровень
загрязнения
«10 м / с
I
II
III
1,44
1,85
6,25
«500
м / с
6,1
8,7
13,3
Среднеквадратические
°С
г 0 °с
8"
щ
— 1,6
-1,3
-1,4
—25
—20
—15
0,31
0,17
0,15
2,4
2,3
5,2
AT
м/с
«500
М / С
3,4
4,6
4,4
AT
°С
4,0
4,3
3,5
отклонения
т« °С
8,2
9,7
11,9
0,10
0,10
0,08
лось: «Ю== 0, И5оо = 5 м/с, Д Г = — 3 °С, Г0 = —22 °С, ^ > ' = 0 , 2 7 . П р и
тех
значениях
Xhj и Ox k j , которые представлены в табл. 7.1,
в этом случае имеем р2 = 0 , 8 9 ; р 2 : = 2 , 8 7 ; р 2 п = ' 7 , 8 4 . Таким о б р а зом, данный случай следует отнести к высокому уровню загрязне: ния, поскольку р2 — наименьшее. Оправдываемость прогнозов, составленных по методу распознавания образов, составляет 73—
75%.
7.3. С п о с о б п о с л е д о в а т е л ь н о й г р а ф и ч е с к о й р е г р е с с и и
^Способ последовательной графической регрессии включает построение корреляционных графиков по имеющемуся ряду наблюдений д л я определения параметра 9* по различным сочетаниям
величин (предикторов), которые о к а з ы в а ю т существенное влияние
на уровни загрязнения. В наиболее распространенном в а р и а н т е
схемы прогноза используются следующие пары предикторов: «м и
А7', »5оо и ЯР',
— —
Н а рис. 7.1 приведен пример построения корреляционных графиков. На рис. 7 . 1 а по осям координат отложены скорость ветра
«ю на высоте 10 м, т. е. на уровне флюгера, и разность AT температур воздуха у земной поверхности Т0 и на высоте 500 м Г5оо, ,
на рис. 7 . 1 6 — скорость ветра Ы500 и значение (S 3 ') параметра
в предшествующий день. Строятся подобные графики для к а ж дого города с использованием всех имеющихся материалов наблюдений за несколько лет. С этой целью по измеренным значениям
AT и ию наносятся на график (рис. 7.1 а) точки, около которых
выписывается определенное за тот ж е срок, что и д л я AT, «юг
123:
значение параметра
После того к а к на график нанесено достаточно большое число точек, охватывающих все уровни загрязнения, проводятся изолинии параметра & (кратные 0,1) таким образом, чтобы между проводимыми изолиниями & находилось наибольшее число точек с соответствующими отметками. Аналогично
•строится график по значениям «500 и
. Графики эти строятся
лт °с
а)
Рис. 7.1. Графики для предсказания фонового загрязнения воздуха в городе.
•а — з а в и с и м о с т ь п а р а м е т р а
от р а з н о с т и т е м п е р а т у р в с л о е 0—500 м ( Д Т ) и от с к о р о с т и
(«ю); б — з а в и с и м о с т ь п а р а м е т р а & от с к о р о с т и в е т р а на у р о в н е
( ветра н а у р о в н е ф л ю г е р а
.500 м («5м>) и з н а ч е н и я & в п р е д ш е с т в у ю щ и й д е н ь (<?"); в — п р о г н о с т и ч е с к и е з н а ч е н и я ^ ,
о п р е д е л я е м ы е по ч е т ы р е м п р е д и к т о р а м .
р а з д е л ь н о не только для каждого города, но и при наличии большего ряда наблюдений для каждого сезона года.
М о ж н о отметить некоторые особенности графиков, подобных
представленному на рис. 7.1. Высокие и повышенные уррвни^зд^
грязнения
(0 s > 0,3 — 0,4)
отм^ются"~ЁГ~следующих
случаях:
/
1) при приземном ветре, близком к штилю, и инверсионном
'состоянии нижней части пограничного слоя;
2) при умеренной (2—3 м/с) скорости ветра и при значительном падении температуры воздуха с высотой ( А 7 , > 3 ° С / 1 0 0 м).
• Н а л и ч и е этого максимума на рис. 7 . 1 а объясняется загрязнением приземного слоя воздуха примесями, выбрасываемыми высотными источниками (высотой более 100—200 м ) : при слабом
в е т р е и инверсионной стратификации (ослабленном турбулентном
•обмене) эти примеси сохраняются на высоте; при сильном ветре
турбулентный обмен разносит примесь на весь пограничный слой;
и только при умеренных скоростях ветра и отсутствии инверсии
температуры выбросы от высотных источников, распространяясь
вниз и вверх, создают повышенные уровни загрязнения воздуха
вблизи земной поверхности;
3) при высоких уровнях загрязнения в предшествующие сутки,
а т а к ж е при ослаблении скорости ветра на высоте 500 м.
После того к а к графики, подобные изображенным на рис. 7.1,
по результатам наблюдений за несколько лет построены, их^ид,п о л м у ю т _ ^ л я прогноза уровней загрязнения. В отличие от диаUif
гноза, при прогнозе''в^'качестве в х о д н ы х ~ п а р а м е т Р о в
>, «500
.124
привлекаются их прогностические значения, предсказанные по какой-либо из принятых методик (синоптической, численной). Пара- 4
метр 5 s определяется по данным наблюдений за текущий день»
и используется в качестве входного параметра на рис. 7.1 б при
прогнозе уровня загрязнения на следующий день. Окончательное
суждение об уровне загрязнения 3* составляется по рис. 7.1 в, на
котором по осям отложены значения параметра SP, определенные
по рис. 7.1 а (&>ик, at ) и рис. 7.1 б ( ^ V > W s o o ) .
Приведем пример прогноза 0>. Если по данным метеорологического прогноза з а в т р а о ж и д а ю т с я ию = 3 м/с, АГ = 2°С/100 м и
«5oo = B м/с, а по данным измерений
сегодня 5 s ' = 0,18, то по
рис. "7.1с находим $Pu w ,at = 0 , 1 7 , а по рис. 7.1 б — ^ V ' ) M s o o —
= 0,18.
Входя с этими последними значениями в график 7.1 в,
окончательно найдем, что уровень загрязнения з а в т р а следует ожид а т ь равным 0,17. Прогнозируется обычно группа, в данном случае группа III — пониженный уровень загрязнения.
Составлены, например д л я Донецка, графики, с помощью которых прогнозируется вероятность уровней загрязнения. На рис. 7.2
приведены графики, используемые д л я прогноза высокого уровня
(5 s > 0,30) загрязнения. Здесь по осям координат отложены: ию
и AT на рис. 7.2 а,
и горизонтальный градиент А Н ш высоты
поверхности 850 гПа на рис. 7.2 б. Приведенные на основе анализа опытных материалов на этих рисунках кривые представляют
собой изолинии вероятности прогноза с уровнем загрязнения
>
> 0,30. Согласно рис. 7.2 а, при слабом приземном ветре и инверсии температуры (ДГ < 0) вероятность высокого уровня загрязнения составляет 60—100 %. Столь ж е значительна (свыше 80 %)
вероятность высокого уровня при малых
значениях
градиента
Д#85о (скорость ветра пропорциональна ему) и больших значениях
(рис. 7.2 6 ) .
Окончательное суждение о прогнозе составляется с помощью
г р а ф и к а на рис. 7.2 в, на котором по осям отложены вероятности,
определенные по рис. 7 . 2 б ( ^ д# 830 ,д>>) и
рис. 7 . 2 а ($Р иш Ат)Оправдываемость прогнозов, составленных по способу графич е д щ й регрессии, к а к правило, не ниже 80 %.
| П р и прогнозе кривой с т р а т и ф и к а ц и и ' пограничного слоя следует учесть адвективные и конвективные, обусловленные вертикальными движениями, изменения температуры воздуха, суточный
ход, трансформацию воздушной массы. Ценную дополнительную
информацию, к а к п о к а з а л опыт, можно извлечь, если наряду с оперативно составляемыми приземной синоптической картой и картами топографии поверхностей 850 и 700 гПа строится карта поверхности 925 r l j a j М а к с и м а л ь н а я
скорость
на
поверхности
925 г П а близка к полусумме геострофических скоростей
ветра,
определенных по приземной карте и карте поверхности 850 гПа.
Ш р и прогнозе инверсий полезно использовать графики, подобные изображенным на рис. 7.3. П р и составлении прогноза на 09 ч
(рис. 7.3 а) используются вертикальный градиент у температуры
125:
в слое 0—500 м по данным зондирования в 21 ч предыдущих суток и разность между температурой воздуха на высоте 2 м в 21 ч
и минимальной температурой на той ж е высоте в течение пред-
Рис. 7.2. Графики для предсказания высокого уровня загрязнения воздуха в городе.
а — повторяемость (число случаев)
0,30 в з а в и с и м о с т и от р а з н о с т и т е м п е р а т у р в о з д у х а
А Т с и с к о р о с т и в е т р а ию; б — п о в т о р я е м о с т ь ( ч и с л о с л у ч а е в ) с
^ 0,30 в з а в и с и м о с т и от
г р а д и е н т а г е о п о т е н ц и а л а п о в е р х н о с т и 850 г П а и от з н а ч е н и я
в — прогнозируемая вероятность (число случаев)
0,30, о п р е д е л я е м а я п о ч е т ы р е м п р е д и к т о р а м .
\
стоящей ночи (ATi = Tzi — 7 m i n ).j
Прогноз
инверсий
в
15
ч
(рис. 7.3 6) составляется по у в слое 0—500 м за 03 ч и разности
AT между максимальной температурой воздуха на высоте 2 м
126:
в предстоящий день и температурой в 03 ч (&Т2 = Ттах — Тоз).
Прогнозируются приземные и приподнятые инверсии по графикам,
подобным рис. 7.3, с вероятностью 80—90 %.
Анализ наблюдений в Новосибирске привел к заключению,
что уровень загрязнения воздуха корреляционно тесно
связан
с параметром, представляющим отношение горизонтального градиента давления, определенного по приземной карте и На so в ради-
Рис. 7.3. Графики для прогноза приземных, приподнятых инверсий и безинверсионного состояния в Киеве на 9 ч (а) и 15 ч (б).
усе 500 км, к разности температуры воздуха
на
поверхности
925 гПа и у земной поверхности. С ростом этого отношения, т. е.
с увеличением скорости геострофического ветра или уменьшением
разности температур при инверсионной стратификации, уменьшается вероятность возникновения высокого уровня загрязнения одним или несколькими загрязняющими веществами одновременно.
— Подмечено также, что вероятность высокого уровня загрязнения атмосферы сажей возрастает при увеличении относительной
влажности воздуха.
ГЛАВА 8. ЧИСЛЕННЫЕ МОДЕЛИ
ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ БОЛЬШОГО ГОРОДА
В последние годы разработано несколько моделей распространения примесей от многих источников, расположенных на территории города. Проблема эта относится к числу наиболее сложных,
127:
поскольку распространение примесей тесно связано с динамическим, термическим и влажностным режимом города, характером
подстилающей поверхности, химическим составом примесей и др.
Одна из наиболее полных и далеко продвинутых вперед моделей загрязнения города р а з р а б о т а н а сотрудниками Сибирского
отделения Академии наук С С С Р В. В. Пененко, А. Е. Алояном,
Г. Л . Л а з р и е в ы м , возглавляемыми академиком Г. И. Марчуком.
Исходная система включает: а) уравнения движения, уравнения неразрывности и статики; б) уравнения притока (баланса)
тепла и водяного п а р а ; в) уравнение переноса (баланса) примесей.
Турбулентный перенос и приток количества движения, тепла,
водяного пара и примесей учтены в р а м к а х
полуэмпирической
теории турбулентности — путем введения коэффициентов турбулентности в горизонтальном и вертикальном направлениях.
В приземном слое вертикальные профили всех метеовеличин и
концентрации примесей записываются с учетом достижений теории подобия и размерности. В верхней, экмановской, части пограничного слоя атмосферы строится численное решение с использованием метода расщепления полной системы уравнений, в которых
сохранены адвективный, конвективный и турбулентный притоки
соответствующей субстанции, а в уравнении баланса примесей —
т а к ж е притоки их от источников и переходы одного вида загрязняющих веществ в другие. Вертикальная скорость возникает к а к
под влиянием дивергенции горизонтального потока, т а к и за счет
обтекания неровностей земной поверхности. Большие затруднения
при построении теории загрязнения атмосферы вызывает п о с т а - ;
новка граничного условия на земной поверхности для концентрации примесей. Все дело в том, что различные по химическому составу
примеси
по-разному взаимодействуют с земной поверхностью: одни из них при соприкосновении с ней сильно
поглощаются, другие — почти полностью отражаются. Обычно это
граничное условие записывают в виде
kzp -J - + o j / W =
— U.(x, У> *).
Здесь первое слагаемое слева представляет турбулентный поток г-той примеси, второе-—поток t-той примеси за счет гравитационного оседания ( v ^ — скорость оседания), fi(x, у,
t)—функция, описывающая источники примеси на уровне земной поверхности, р,-— множитель (с размерностью скорости), характеризующий взаимодействие t-той примеси с подстилающей поверхностью,
при рj = 0 наблюдается отражение примеси от поверхности, при
Р/ —у- оо — полное поглощение. Современное состояние вопроса таково, что для большинства примесей значения множителя р, неизвестны.
Анализ результатов расчета показал, что р* достаточно знать
в интервале от Ю - 5 до I м/с. Вне этого интервала распределение
концентрации примесей слабо зависит от изменения Рг. В од128:
ном из примеров максимальные
значения
концентрации
увеличились примерно в два р а з а при изменении Р* от Ю - 5 до
10" 3 м/с.
Поскольку одновременно с уравнением переноса примесей строится решение уравнений притока тепла и влаги, то представляется
возможным смоделировать термический и влажностный режим
города. В уравнении баланса тепла учтены турбулентные потоки
явного и скрытого тепла и поток тепла в почву.
В уравнении баланса тепла на земной поверхности, используемого в качестве граничного условия, н а р я д у с потоками явного
и скрытого тепла, коротковолновой и инфракрасной радиации и
потоком тепла в почву учтен антропогенный поток тепла I s , выделяемого в процессе производства и потребления энергии в городе. Этот последний представлен в виде: h(t) = 21 + 2 9 s i n
—
— 6)/18] при 6 ч ^ t ^ 24 ч и Js(t) = 2 1 Вт/м 2 д л я других моментов
времени. Таким образом, антропогенный поток, будучи равным
21 Вт/м 2 ночью — от 0 до 6 ч, — после 6 ч увеличивается, Достигает максимума, равного 50 Вт/м 2 , в - 1 5 ч и убывает до минимума
к 24 ч; отметим, что, согласно оценкам, в большинстве городов
мира Ts колеблется между 3—10 и 50—60 Вт/м 2 , однако в центральных
частях
городов / 8 может достигать 200—300 Вт/м 2 .
В центральной части Лондона (площадью около 1 км 2 ) в среднем
за сутки выброс тепла достигает 230—259 Вт/м 2 , а в центре НьюЙорка д а ж е 600—650 Вт/м 2 . В целом поток I s составляет 5—
10 % от радиационного баланса (R) земной
поверхности днем
(Rда400—600 Вт/м 2 ) и достигает 1 5 — 2 5 % ночью (—Яда 100 —
200 Вт/м 2 ).
П а р а м е т р шероховатости го принят равным 1 м для части города,
занятой
строениями, средняя высота которых 20-—30 м,
0,5 м — д л я парковой части города и 0,1 м для окрестностей города; альбедо земной поверхности — соответственно 0,2, 0,4, 0,3;
коэффициент теплопроводности почвы — 2,6, 1,1 и 1,1 В т / ( м - ° С ) .
В начальный момент отклонения всех метеовеличин от их средних значений принимаются равными нулю.
Расчет характеристик микроклимата города выполнен д л я случая сильно размытого барического поля, когда скорость геострофического (фонового) ветра близка к нулю• (ы« = 0), а особенности термического и ветрового р е ж и м а в городе формируются лишь
под влиянием теплофизических, радиационных и гигрометрических
неоднородностей подстилающей поверхности.
На рис. 8.1 приведен суточный ход разности AT температур
воздуха на высоте 2 м в центре города и в точках, расположенных
на северо-западе и юго-западе от центра, в окрестностях города.
Основной максимум AT, близкий к 3,5 °С, достигается ночью, перед восходом Солнца- (4 ч 41 мин), вторичный (около 1,6°С) —
днем, в 12—13 ч. Минимумы AT достигаются вскоре после захода
Солнца (20 ч 31 мин) и рано утром (около 6 ч). Практически
в течение всего дня и ночи разность AT положительна, только
в течение небольшого интервала времени после захода Солнца
8
Заказ № 33
129
температура воздуха в центре города несколько ниже, чем в его
окрестностях, главным образом по сравнению с точкой на юго-западе, находящейся вблизи крупного водоема, который о х л а ж д а ется ночью медленнее, чем поверхность в городе.
Рис. 8.1. Суточный ход разности температур воздуха на высоте 2 м между
центром города и точками, расположенными на северо-западе (1) и юго-западе
(2) от центра в окрестностях города;
вертикальные черточки — моменты восхода и захода Солнца, горизонтальные — моменты перехода AT через нуль.
Результаты расчета поля температуры в вертикальной плоскости, проходящей через центр города вдоль меридиана, представлены на рис. 8.2. З а ш т р и х о в а н н а я часть оси у представляет собой
город, а полукружьями обозначена водная поверхность ( р е к а ) .
Д н е м (рис. 8.2 а) над каждой частью города формируется само-
г Ю
-19-
.400
200 -
4-0 О
30
у им
Рис. 8.2. Поле температуры (°С) в вертикальной (меридиональной) плоскости,
проходящей через центр города, на 14 ч (а) и 4 ч (б).
стоятельный остров (купол) тепла. С высотой эти купола объединяются в один купол, который распространяется до высоты около
600 м. Ночью (рис. 8.2 6) в окрестностях до высоты около 200 м
наблюдается инверсионная стратификация с перепадом температур
около 3 ° С , над городом инверсия температуры сильно ослабл е н а — она распространяется до высоты около 100 м при перепаде
температур примерно 1 °С; высота купола тепла ночью около
400 м, т. е. меньше, чем днем. Анализ воздушных течений пока130:
зывает, что днем в нижней части пограничного слоя возникает
циклоническое движение (на высоте 50 м в 12 ч м а к с и м а л ь н а я
скорость составляет 6,2 м/с) в верхней — антициклоническое (на
высоте 1400 м максимум скорости 1,5 м/с). Поскольку в циклоне
наблюдается сходимость воздушных течений под влиянием сил
трения, то над городом вертикальное движение воздуха в целом
восходящее (да > 0 ) : в 14 ч оно распространяется вверх примерно
до высоты 1500 м (при максимуме 16 см/с на высоте 500 м н а д
центром города), в 2 ч да > 0 до высоты около 500 м (при максимуме около 2 см/с на высоте примерно 100 м). Однако над водной поверхностью (рекой) движение воздуха днем нисходящее
(да < 0 ) .
Большой интерес представляет выполненная авторами обсуж д а е м о й работы оценка в к л а д а различных факторов в формирование разности А Т. Поскольку коэффициент теплопроводности почвы
в городе примерно в 2,5 р а з а больше, чем в окрестностях (2,6 и
1,1 В т / ( м - ° С ) ) и ночью поток тепла в почве направлен вверх,
а днем вниз, то в результате отличия теплофизических свойств
почвы в городе и окрестностях наблюдается повышение городской
температуры воздуха и, к а к следствие, усиление интенсивности
острова тепла вблизи земли ночью и ее понижение, ослабление
острова тепла, днем. Максимальный в к л а д этого фактора составляет около 1,3°С ночью (в 3 ч) и —1,1 °С днем (в 9 ч ) .
Увеличение п а р а м е т р а шероховатости Zo ведет к усилению турбулентного потока тепла. Ночью поток тепла направлен от атмосферы к земной поверхности, и его усиление означает, что температура воздуха вблизи земной поверхности повышается максимально на 0,7 °С, если zo в городе в 10 р а з больше, чем в окрестностях, а остров тепла усиливается. Д н е м при
неустойчивой
стратификации, наоборот, температура воздуха вблизи земной
поверхности при увеличении zo уменьшается
максимально
на
—0,6 °С, а остров тепла ослабевает.
Уменьшение альбедо земной поверхности в городе до 0,2 при
его значении в окрестностях, равном 0,3, приводит к повышению
температуры воздуха днем максимально на 0,8 °С; под влиянием
перестройки поля движения температура повышается т а к ж е и
ночью.
Уменьшение испарения ведет к увеличению температуры воздуха. В предположении, что только с
поверхности города происходит испарение воды за счет удаления осадков и уменьшения
свободно испаряющей поверхности,
температура
воздуха
на
высоте 2 м повышается максимально на 1 °С днем и 0,6 °С
ночью.
Наконец, в к л а д в А Г антропогенных источников тепла ничтожно мал днем и сравним с влиянием других факторов ночью;
в обсуждаемом примере учет I s повышает температуру воздуха
вблизи земной поверхности в городе на 1,6 °С.
Суммируем в к л а д ы различных факторов в АТ при у к а з а н н ы х
выше значениях параметров:
8*
131
дг°с
AT
Фактор
Теплопроводность
почвы
Шероховатость поверхности
'С
Фактор
день
ночь
1,1
1,3
•0,6
0,7
день
Альбедо
Испарение
0,8
ночь
1,0
0,6
ГЛАВА 9. ОРГАНИЗАЦИЯ НАБЛЮДЕНИЙ
ЗА З А Г Р Я З Н Е Н И Е М АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
9.1. Общий подход к организации наблюдений
В условиях неуклонного роста антропогенных воздействий на
о к р у ж а ю щ у ю среду необходимо иметь разнообразную и детальную
информацию о ее фактическом состоянии. Т а к а я информация позволит не только оценить сложившуюся ситуацию, но и дать прогноз будущего состояния среды и наконец определить стратегию
контроля в области охраны природы.
Поскольку компоненты среды — атмосфера, гидросфера, литосфера, биосфера — тесно связаны между собой, очевидно, что инф о р м а ц и я т а к ж е д о л ж н а быть комплексной. Кроме того, необходимо учитывать и имеющиеся различия в уровнях воздействия.
Таким образом, при организации наблюдений целесообразно осуществлять системный подход, который в последние годы получил
название «всесторонний анализ о к р у ж а ю щ е й природной среды».
При системном подходе вполне
допустимо
предположение
о квазиоднородности загрязнений в пределах различных территориально-экономических районов.
Такие районы являются сложными системами, характеризуемыми большим числом переменных параметров, прямыми и обратными связями между величинами, их значительной временной
изменчивостью и т. д. Аналитически описать такую систему практически невозможно, однако подход реализуем, если использовать
метод математического моделирования. Д л я построения подобной
модели применяется модульный принцип, при котором к а ж д ы й модуль имеет самостоятельное значение.
С точки зрения организации постоянного наблюдения за распространением вредных примесей, т. е. изучения вопросов загрязнения крупных регионов, целесообразно рассмотреть модуль распространения загрязнений. Д о л я загрязнения, привносимого из
одной части региона в другую, осредненная за некоторый интервал
времени, может быть определена по в ы р а ж е н и ю
132:
Z Z-Р1ЦтСЦ.
"
p
с
+ ZI Z
m KiimCxi + IZ /г '
ZI Z
I Z
m
где Pijim — вероятность переноса загрязнения из среды I i-й части региона в среду т /-й части региона (за принятый временной интервал осреднения); Рхнт — то же, но извне региона; са —
средний уровень загрязнения в среде I i-й части региона; cxi —
средний уровень загрязнения в среде I на границе региона, формирующейся за счет поступлений извне региона.
Если расчет переноса осуществляется только для одной среды,
например для атмосферы, то выражение (9.1) существенно упрощается и принимает следующий вид:
<?«/=
V p
У "
•
м
(9-2)
I
Процесс распространения примесей от мгновенных и непрерывных источников различной высоты на малые и большие расстояния с различными скоростями осаждения может быть описан соотношением
Z Pii4i(h)e
i
х
+Qi(tk)(tk + i-tk)
= qi(h + 1),
(9.3)
где qi(th) —интегральная концентрация загрязнения над облаоо
стью i (проинтегрированная по высоте);
qi(th) = Jci(fa,
h)dh,
о
(Ci — объемная концентрация,
h — высота); fa, fa+i — моменты
времени; т — время существования вещества в атмосфере (время
релаксации); Qj(fa) —интенсивность источников загрязнения в области / в момент fa.
В свою очередь концентрации загрязняющих веществ в атмосфере, меняющиеся в пространстве и времени In(R, t), являются
функцией источников Qi(R, t) и зависят от гидрометеорологических характеристик среды
Iu(R,
t) = f(Qi,VR,
KR, vg, ...),
(9.4)
где VR, Kr, vg — соответственно скорость ветра, коэффициент турбулентной диффузии, скорость гравитационного осаждения.
Представляется очевидной и зависимость
Qi(R, 0 = Z < M * . *), •
i
(9.5).
где qij — количество i-то вещества, выбрасываемого отдельными
/-ми источниками (значения величины H(R), во многом определяются и размещением источников в пространстве).
133:
Таким образом, соотношения (9.1) — (9.5) позволяют определ и т ь перечень приоритетных факторов, которые необходимо учесть
при организации сети наблюдений. Основные из них следующие:
— сведения о существующих и перспективных источниках загрязнения атмосферы (с учетом, развития экономических
районов);
— характеристика з а г р я з н я ю щ и х веществ (токсичность, возможность вступления в химические реакции с другими веществами, способность к осаждению на подстилающую поверхность и т. д.);
— гидрометеорологические данные;
— результаты прошлых наблюдений за загрязнением атмосферы (в основном экспедиционных исследований);
— данные об уровнях загрязнения природных сред в других
странах;
— сведения о дальнем (трансграничном) переносе примесей.
Созданная в С С С Р сеть наблюдений является составной частью
Глобальной системы мониторинга о к р у ж а ю щ е й среды ( Г С М О С ) ,
реализуемой в последние годы в р а м к а х программ Ю Н Е П .
П р о г р а м м а Г С М О С предусматривает работу в различных направлениях, однако наиболее важной задачей в р а м к а х этой программы
является
мониторинг крупномасштабного переноса и
осаждения загрязняющих веществ (мониторинг з а г р я з н е н и я ) .
В свою очередь, конечными целями глобального и региональн о г о мониторинга загрязнения в системе ГСМОС являются:
— определение концентрации приоритетных загрязняющих веществ в среде, их распределения в пространстве и изменения во времени;
— оценка величины и скорости потоков загрязняющих веществ
и вредных продуктов их превращений;
— обеспечение унифицированных методов пробоотбора и а н а лиза д л я получения сравнимых между странами результатов и обмен опытом по организации систем мониторинга;
— обеспечение в глобальном масштабе информацией, необходимой д л я принятия решений по управлению мероприятиями по борьбе с загрязнениями.
Таким образом, организация научно-обоснованной системы наблюдений д о л ж н а базироваться на всестороннем анализе окруж а ю щ е й природной среды. Д а н н ы е ж е такой системы — информационная основа для решения з а д а ч регулирования качества среды.
Важнейшим направлением в борьбе с загрязнением атмосферного воздуха является система контроля промышленных выбросов
в атмосферу. Эта система необходима для получения объективной
информации о выбросах вредных примесей в атмосферу промышленными источниками. Д л я решения этой задачи была создана
134:
Государственная инспекция по охране
атмосферного
воздуха,
обеспечивающая контроль за соблюдением госпредприятиями норм
предельно допустимых выбросов ( П Д В ) и мероприятий по снижению количества выбросов вредных веществ в атмосферу.
Государственная инспекция по охране атмосферного воздуха
осуществляет контроль:
— за соблюдением предприятиями, учреждениями и организациями, должностными лицами и гражданами приказов и инструкций, а также других правил, установленных законодательством по охране атмосферного воздуха;
— за выполнением планов и заданий по охране атмосферного
воздуха;
— за соблюдением нормативов предельно допустимых выбросов ( П Д В ) загрязняющих веществ и временно согласованных выбросов (ВСВ) в атмосферу;
— за соблюдением требований по охране атмосферного воздуха от загрязнения при размещении,
проектировании,
строительстве и вводе в эксплуатацию новых и реконструируемых предприятий;
— за выполнением плановых заданий по строительству и вводу
в эксплуатацию сооружений, оборудования и аппаратуры
для очистки выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.
В настоящее время функции контроля за охраной атмосферного
воздуха перешли к Госкомприроде СССР (в 1991 г. Госкомприрода СССР преобразован в Министерство охраны окружающей
среды), а действующая в системе Госкомгидромета СССР сеть
наблюдений относится к системе мониторинга, т. е. является пассивной информационной системой.
Планом развития этой системы предусматривается дальнейшее
расширение количества стационарных постов. Так, к 1995 г. предполагается увеличение числа стационарных постов на 100—150 по
сравнению с 1985 г., что соответствует созданию службы наблюдений примерно в 20—30 населенных пунктах территории СССР.
При этом дальнейшее развитие наблюдений будет обеспечиваться
совершенствованием организационной структуры сетевых подразделений, внедрением автоматизированных
систем
наблюдений,
увеличением
объемов
наблюдений за загрязнением природной
среды, в первую очередь в районах расположения АЭС, полной
реализацией программ наблюдений и др.
Вместе с тем следует отметить необходимость критического пересмотра многих сложившихся представлений о развитии сети наблюдений. В частности, в условиях серьезных экономических трудностей в стране вызывает определенные сомнения доминирующее
стремление к количественному росту сети наблюдений. По-видимому, в каждом конкретном случае необходимо решать, на что
в первую очередь нужно использовать имеющиеся средства: на
развитие сети или на охранные мероприятия (строительство и мо135:
дернизация очистных установок, переход транспорта на газовое
топливо и т. д.) .
Такую стратегию в решении проблемы улучшения качества атмосферного воздуха можно назвать оптимальной
приоритетной
стратегией, при которой решаются задачи в приоритетном порядке
исходя из реальных экономических возможностей.
9.2. Наблюдения за качеством атмосферного воздуха
в населенных пунктах
и за фоновым загрязнением
В 1980 г. был утвержден закон С С С Р «Об охране атмосферного воздуха». В соответствии с законом в последние годы
значительно расширены функции служб, осуществляющих наблюдения и контроль за состоянием загрязнения атмосферы. П р и этом
в решении проблемы загрязнения атмосферы наряду с расчетными
методами чрезвычайно велика роль экспериментальных данных
(результатов регулярных наблюдений за концентрациями вредных
примесей).
Получение систематической информации о содержании загрязняющих веществ в воздушном бассейне осуществляется с помощью
сети наблюдений^ В настоящее время т а к а я сеть наблюдений
охватывает болеё 450 городов С С С Р (в это число включены
населенные пункты, в которых контроль осуществляется не только
с л у ж б а м и Госкомгидромета С С С Р , но и других министерств
-и ведомств). Таким образом, по сравнению с 1966 г. число
городов и населенных пунктов, в которых проводятся регулярные
наблюдения, увеличилось примерно в 10 раз. Ответственность
за организацию с л у ж б ы наблюдений возложена на Госкомгидромет С С С Р .
Теоретические и экспериментальные исследования распространения. примесей в атмосфере, выполненные в Главной геофизической обсерватории имени А. И. Воейкова, позволили выработать
основные принципы организации сети наблюдений, проведения
Лабораторного (химического) анализа проб воздуха, сбора, обработки и обобщения информации о загрязнении.
Д л я контроля качества воздуха в населенных пунктах устанавл и в а ю т с я три категории постов наблюдений:
стационарный,
маршрутный и передвижной ( п о д ф а к е л ь н ы й у
С т а ц и о н а р н ы й nocj^ предназначен д л я обеспечения регулярн о г о ' о т Б о р а п р о б воздуха в целях последующего лабораторного
анализа, а т а к ж е д л я непрерывной регистрации содержания з а грязняющих
веществ
автоматическими
газоанализаторами.
В настоящее время сеть стационарных постов оснащается павильонами «Пост-2» (ранее «Пост-1»), которые укомплектованы газоа н а л и з а т о р а м и типа ГМК-3 и ГКП-1 (краткие характеристики
этих приборов представлены в п. 10.4). Д л я выявления долговременных изменений содержания основных и наиболее распро136:
страненных загрязняющих веществ из числа стационарных постов
выделяются опорные стационарные посты. Размещение стационарных постов согласовывается с местными органами Госкомгидромета С С С Р и санитарно-эпидемиологической службой. Перенос
опорных постов допустим только по разрешению Госкомгидроj мета СССР.
Марщрухньщ^-по.ст предназначен для регулярного отбора проб
воздуха в фиксированных точках местности с помощью оборудованной для этих целей автомашины.
Передвижной подфакеЛьный пост предназначен для отбора
п р o F под" д ыШвьГм " ¥ л ?Г га з о в ы м факелом источника примесей
с целью определения зон его воздействия.
Независимо от категории каждый пост размещается с учетом
определенных требований: открытость площадки, непылящее покрытие, отсутствие близкорасположенных зданий и строений,
способных внести искажения в результаты измерений, и т. д.
^Определение мест размещения стационарных и маршрутных
постов во многом зависит от результатов предварительного комплексного обследования состояния загрязнения воздушной среды
города промышленными выбросами, выбросами автотранспорта,
бытовыми и другими источниками. В период такого обследования
изучаются физико-географические особенности положения данного
населенного пункта, режим метеорологических условий, размещение источников загрязнения, устанавливается перечень основных
загрязняющих веществ и т. д . ]
Суммируя, при возможности, данные комплексного обследования и результаты, полученные расчетными методами (например,
на основании расчетов в соответствии с ОНД-86) можно создать
достаточно эффективную сеть, позволяющую получать адекватную
картину фактического состояния загрязнения воздушного бассейна.
Важным дополнением к информации стационарных и маршрутных постов являются результаты подфакельных наблюдений,
осуществляемых на различных расстояниях под факелами промышленных предприятий.
1 В зависимости от численности населения устанавливается
минимальное число стационарных постов. Так, в населенных
пунктах с числом жителей более 1 млн. человек сеть должна
состоять из 10—20 стационарных и маршрутных постов. Ленинград,
насчитывающий у ж е более 5 млн. человек, располагает всего 12
Постами типа «Пост-1» («Пост-2»). На число постов и их размещение влияют еще и другие факторы: площадь населенного
пункта и рельеф местности, уровень развития промышленности,
особенности транспортного движения и т. д.
Сформированная сеть постов наблюдений отмечается на картесхеме города, пример которой представлен на рис. 9.1. На эту
схему наносятся пункты наблюдения, места расположения предприятий и других источников загрязнения, границы санитарно-защитных зон и зон отдыхгц
.137
- „«K^'
i На стационарных и маршрутных постах реализуются четыре
программы
наблюдений:
полная,
неполная,
сокращенная
и суточная.
ум
Рис. 9.1. Типовая карта-схема города.
1 — металлургический завод, 2 — азотно-туковый завод, 3 — ГРЭС, 4 — районные отопительные котельные, 5 — цементный завод, 6 — машиностроительный завод, 7 — предприятие легкой промышленности, 8 — домостроительный
комбинат;
I — граница
санитарно-защитной
зоны, I I — г р а н и ц а зоны отдыха, I I I — метеостанция, IV — пункт н а б л ю д е н и я за з а г р я з н е нием атмосферы.
Наблюдения по полной программе выполняются ежедневно
с применением автоматических газоанализаторов (непрерывно)
или дискретно в 1, 7, 13 и 19 ч по местному декретному времени.
Д л я получения информации о разовых концентрациях допускается проведение наблюдений по неполной программе, осуществляемой ежедневно в 7, 13 и 19 ч по местному "декретному времени.
В местах, где среднемесячные концентрации ниже Узд разовой П Д К или меньше порога чувствительности прибора, а также
138:
при температуре воздуха ниже —45 °С, допускается проведение
наблюдений по сокращенной программе: получение ежедневной
информации о разовых~к0нцентрациях в 7 и 13 ч по местному
декретному времени.
«При отборе проб фиксируются также метеорологические характеристики: направление и скорость ветра, температура воздуха,
состояние погоды и подстилающей поверхности.
На опорных стационарных постах проводятся наблюдения
за основными загрязняющими веществами (пыль, диоксид серы,
оксид углерода и диоксид азота) и специфическими, перечень
которых устанавливается в результате комплексного обследования состояния загрязнения воздушного бассейна данного населенного пункта.
На стационарных (неопорных) постах проводятся наблюдения
за специфическими вредными примесями. Определение концентраций основных загрязняющих веществ на этих постах допускается
с использованием сокращенной программы наблюдений.
На маршрутных постах проводятся наблюдения как за основными, так и за специфическими загрязняющими веществами.
На передвижных (подфакельных) постах наблюдения проводятся только за специфическими примесями, характерными для
выбросов конкретного предприятия.
Рассмотренная выше сеть наблюдений организуется в местах
интенсивного антропогенного воздействия, в то же время необходим контроль за уровнем загрязнения и в районах, удаленных от
локальных источников вредных примесей. В таких районах уровень загрязнения формируется за счет дальнего (трансграничного)
переноса примесей.
Для наблюдений за уровнем загрязнения Всемирная метеорологическая
организация
(ВМО) осуществляет обширную
программу измерений на сети фоновых станций, которая насчитывает более 175. (Для этой сети готовятся следующие типы станций:
— базовые станции для глобального мониторинга низких фоновых концентраций наиболее важных составляющих атмосферы;
— региональные станции для слежения за долгопериодными
изменениями состава атмосферного воздуха, обусловленными региональными антропогенными воздействиями;
— региональные станции с расширенной программой.
Минимальная программа мониторинга на базовых станциях
включает измерения мутности атмосферы, проводимости воздуха,
концентрации диоксида углерода в воздухе, примеси, тяжелых
металлов, измерения кислотности осадков. Это станции главным
образом исследовательского типа.
На региональных станциях минимальная программа включает
наблюдения за мутностью атмосферы, примесями осадков. Региональные станции с расширенной программой имеют дополнитель139:
ные измерения газовых составляющих атмосферного воздуха,
состава частиц, т я ж е л ы х металлов в воздухе и т. д.
В настоящее время функционирует около 10 базовых станций,
н а которых проводится анализ загрязнений не только в атмосфере, но и в других средах.
9.3. Основные методы анализа веществ,
загрязняющих атмосферу
Анализ загрязнений, .содержащихся в воздушной среде, можно :
отнести к наиболее трудным з а д а ч а м аналитической химий. Э т о '
•обусловлено следующими причинами:
— одна проба одновременно может содержать десятки и д а ж е
сотни органических и неорганических соединений;
— концентрация токсичных веществ в атмосфере может быть
ничтожно малой (до Ю - 4 — Ю - 7 % и н и ж е ) ;
— воздух представляет собой неустойчивую систему с постоянно меняющимся составом (наличие влаги, кислорода,
фотохимические реакции, изменение
метеорологических
условий).
Одной из главных з а д а ч анализа загрязнений воздуха я в л я етея получение информации о качественном и
количественном
составе анализируемых проб воздуха, необходимой д л я прогнозирования уровней загрязнения воздуха, оценки фактического состояния, выполнения мероприятий по охране воздушного бассейна
и т. д.
Д л я выполнения этой задачи используются современные физико-химические методы анализа вещества и в первую очередь
хроматографические и спектральные методы в сочетании с предварительным концентрированием микропримесей.
В настоящее время методы определения в воздухе низких концентраций токсичных химических соединений р а з р а б о т а н ы более
чем д л я 400 веществ, нормированных в С С С Р и США.
Д л я целей анализа загрязнений воздуха получили распространение методы, которые можно разбить на четыре группы:
—
—
—
—
хроматографические,
масс-спектрометрические,
спектральные,
электрохимические.
Хроматографические методы наиболее эффективны при а н а л и з е сложных смесей. В частности, газовая хроматография — идеальный метод исследования микропримесей летучих органических
соединений. С конца 70-х годов началось интенсивное развитие
методов высокоэффективной жидкостной хроматографии высо140:
кого давления. Эти методы позволяют анализировать пробы воздуха, загрязненного примесями токсичных органических соединений, к которым относятся полициклические ароматические углеводороды, пестициды и др. В то ж е время д л я анализа загрязнений воздуха начали применять различные варианты
ионной
жидкостной хроматографии, с помощью которой определяются
микропримеси реакционноспособных органических и неорганических соединений.
Рис. 9.2. Схема газового хроматографа.
t — газ-носитель,
2 — р е г у л я т о р р а с х о д а , 3 — у с т р о й с т в о д л я ввода
5 — детектор, 6 — самописец, 7 — термостат.
пробы,
4 — колонка,
Н а рис. 9.2 представлена схема газового хроматографа, разделение летучих веществ в котором происходит в
следующей
последовательности. С помощью
специального
устройства —
обычно небольшого стеклянного шприца — проба вводится с одного конца длинной узкой хроматографической колонки (трубка
длиной 0,9—3,0 м и диаметром 0,25—50 м м ) , через которую протекает газ-носитель. В качестве газа-носителя используется инертный газ, который проходит через колонку с постоянной скоростью и выносит компоненты пробы, появляющиеся на выходе
в зависимости от времени у д е р ж и в а н и я их в колонке. Р а з д е л е н и е
происходит за счет твердого (абсорбента) или жидкого (адсорбента) вещества, находящегося в колонке и называемого неподвижной фазой. Б л а г о д а р я абсорбции отдельных компонентов на
активных центрах абсорбента или их растворению в неподвижной
фазе в зависимости от физических свойств компонентов
смеси
одни из них продвигаются быстрее, а другие медленнее, что позволяет их различать на выходе, применяя соответствующий детектор. В результате можно получить зональное распределение
компонентов — хроматограмму, позволяющую выделить и
проанализировать отдельные вещества пробы.
В последние годы наиболее широкое применение д л я автоматического контроля углеводородов получил пламенно-ионизационный метод.
Детектирование с применением пламенно-ионизационного метода осуществляется введением газообразной пробы в п л а м я во141:
дорода. П л а м я находится между электродами, на которых поддерживается напряжение в несколько сот вольт. При отсутствии
примесей (горение только одного водорода)
возникающий
ток
ионизации ничтожно мал ( Ю - 1 2 — Ю - 1 3 А ) . Когда в водородное
п л а м я вводится газообразная проба, с о д е р ж а щ а я углеводороды,
в пламени образуются ионы, которые направляются к положительному электроду.
Возникающий ток
ионизации
(Ю-7—
-12
Ю
А) усиливается электрометрическим усилителем
постоянного тока и регистрируется самопишущим прибором.
К числу достоинств пламенно-ионизационного
метода относятся:
— высокая чувствительность к органическим веществам,
— линейная характеристика преобразования,
— нечувствительность к большинству примесей
неорганического происхождения.
Использование пламенно-ионизационного метода д л я детектирования после разделения компонентов пробы с применением газовой, хроматографии-позволяет различать присутствующие углеводороды и определять их количество. Следует отметить, что
собственно пламенно-ионизационный метод дает возможность определять только суммарное количество присутствующих углеводородов и не позволяет различать вещества.
Масс-спектрометрические методы. Сложные композиции
загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, одновременное присутствие органических и неорганических соединений существенно
затрудняет проведение анализа. Д л я качественной и количественной оценки композиций необходимо четко разделить анализируемые вещества и получить однозначные Характеристики д л я к а ж дого из них. Одновременное выполнение этих двух требований
обеспечивает масс-спектральный анализ с предварительным хроматографическим разделением соединений. Такой анализ получил
название «хромато-масс-спектрометрия» (ХМС).
Пробы загрязненного воздуха, как отмечалось выше, часто
представляют собой сложные смеси, с о д е р ж а щ и е сотни соединений, детектируемых в виде хроматографичеоких пиков. Поэтому
расшифровка хроматограмм является чрезвычайно трудоемкой
работой.
Положение существенно изменилось при использовании электронно-вычислительных машин с соответствующим программным
обеспечением. Это значительно упростило расшифровку данных,
полученных ХМС или, в частном случае, ГХ—МС-методом (ГХ —
газовая хроматография).
П о существу в ХМС-анализе воздушных загрязнений имеются
два подхода:
1) определение специфических соединений или
классов;
142:
интересующих
2) общий анализ (качественный и количественный) всех соединений, присутствующих в данной пробе
загрязненного
воздуха.
В первом случае наиболее приемлем непрерывный контроль
выбранных ионов, смысл которого состоит в том, что из выбранных ионов с определенным соотношением массы к з а р я д у
(т/е)
только незначительная часть вносит в к л а д в интенсивность- соответствующего пика в масс-спектре. Если ж е детектировать только
«нужные» ионы, то количество их, регистрируемое таким очень
специфическим детектором, к а к М С — Э В М система, резко увеличивается, что обеспечивает значительно более высокую чувствительность при регистрации и количественной оценке.
При втором подходе требуется знание всех компонентов, вход я щ и х в анализируемую пробу загрязненного воздуха. В этом
случае о составе загрязнений судят по кривой изменения ионного
тока. График ионного тока, полученный в р е ж и м е ионной массхроматографии, показывает зависимость изменения интенсивности
пиков соответствующих ионов к а к функцию времени. Сравнивая
эти д и а г р а м м ы с графиком изменения полного ионного тока легко
найти интересующий исследователя масс-спектр соответствующего
компонента.
Количественные характеристики можно получить различными
способами. Одним из наиболее распространенных является использование д л я анализа хроматограмм, полученных
методом,
в котором масс-спектрометр играет роль специфического детектора. В этом случае д л я сравнения в хроматограф вводят стандартный раствор с известной концентрацией. П л о щ а д ь стандартного хроматографического пика сравнивают с площадью
пика
идентифицированного компонента и с учетом
коэффициентов
чувствительности рассчитывают интересующую концентрацию загрязняющего вещества.
Газовая хроматография имеет неоспоримые преимущества к а к
аналитический метод, но не позволяет идентифицировать сотни
соединений, входящих в состав сложных смесей,
загрязняющих
атмосферный воздух. Естественно, что д л я решения этой проблемы требуется детектор, способный селективно д а в а т ь
однозначные характеристики к а ж д о г о компонента в отдельности. Таким детектором является масс-спектрометр. Объединенные в единой схеме, эти методы дополняют друг друга и позволяют детектировать и идентифицировать низкие концентрации органических
соединений в комплексных смесях.
Спектральные методы а н а л и з а являются наиболее распространенным способом исследования качественного и количественного
состава загрязнений воздуха. Атомная
абсорбция,
плазменная
эмиссионная спектроскопия, рентгенофлуоресцентная спектроскопия, лазерные методы и другие позволяют определить множество
микропримесей в воздухе.
143:
Одним из наиболее доступных методов анализа воздуха в этой
группе является колориметрия. Метод основан на
измерении
ослабления светового потока вследствие избирательного поглощения света определяемым веществом в видимой области спектра.
Определяемый ингредиент переводится в окрашенное соединение
с помощью специфической химической реакции, затем определяется интенсивность окраски раствора. Если исследуемое вещество
непосредственно поглощает в видимой области спектра, продолжительность анализа снижается, поскольку отпадает необходимость получения окрашенного раствора. Применяемые в колориметрии приборы в основном делят на два типа:
— приборы, в которых проводят визуальное сравнение окрасок рабочего и стандартного растворов;
— приборы, в которых определяют абсолютные или относительные интенсивности световых потоков, прошедших через
раствор.
Известное распространение получили и ленточные фотоколориметрические газоанализаторы, в которых взаимодействие определяемого вещества и реагента происходит на бумажных, тканевых или полимерных лентах. Ленточные анализаторы имеют преимущества перед жидкостными: они более чувствительны, проще
р работе, не требуют з а т р а т времени на предварительное приготовление растворов.
К числу спектральных методов относится т а к ж е УФ- и И К спектроскопия. В УФ-области спектра чаще всего анализируются
ароматические соединения, а т а к ж е неорганические вещества, такие, к а к SO2, NO2 и H g . По сравнению с колориметрией метод
обладает более высокой чувствительностью, однако имеет и недостаток — низкую селективность. Это связано с тем, что множество
органических соединений, загрязняющих воздух, имеют в УФ-области спектра широкие полосы поглощения, которые могут прерываться. Это
прежде всего снижает точность измерения,
а иногда делает невозможным й анализ многокомпонентных смесей.
Метод ИК.-сп.ектроскопии позволяет проводить идентификацию
и количественно определять многие промышленные загрязнения
органического и неорганического происхождения.
Д л я непрерывного анализа примесей в воздухе широко применяются автоматические недиспергирующие и диспергирующие
И К - а н а л и з а т о р ы , позволяющие
определять
концентрацию
веществ в воздухе в области Ю - 4 — 1 0 ~ 2 % . Избирательность анализа при применении диспергирующего анализатора обеспечивается тем, что в качестве аналитической выбирается т а к а я длина
волны, при которой определяемое вещество, находящеся в смеси,
поглощает ИК-излучение, а неизмеряемые компоненты остаются
«прозрачными».
Недиспергирующие И К - а н а л и з а т о р ы бывают двух типов:
144:
— с негативной фильтрацией, когда одна из кювет, с л у ж а щ а я
фильтром, заполнена газом, который д о л ж е н определяться к а к
примесь в анализируемом воздухе, а другая — содержит мешающий определению примеси газ при определенном давлении, если
таковой присутствует в воздухе, или остается незаполненной;
— с позитивной фильтрацией, когда применяется селективный
приемник в виде камеры, содержащей анализируемый газ и кон^
структивно выполненной т а к и м образом, чтобы одна из стенок
к а м е р ы я в л я л а с ь чувствительной металлической мембраной. Ам-ноя BHqirBHOHttdouodn э З э м в я я b e b j кинзи-яв!/ иинвдэггом evAiHira
центрации анализируемого газа.
Недиспергирующие И К - а н а л и з а т о р ы применяются д л я анализа
оксида и диоксида углерода, углеводородов, оксидов азота и диоксида серы. Отечественная промышленность выпускает оптикоакустические И К - а н а л и з а т о р ы ГМК-3 и ГИАМ-1 д л я определения
в воздухе концентрации СО в интервале концентраций
0—
400 м г / м 3 .
К числу наиболее чувствительных эмиссионных методов определения следовых количеств органических и неорганических примесей в воздухе относится люминисцентный метод анализа, одним
из направлений которого является метод молекулярной газофазной флуоресценции. Д а н н ы й метод основан на принципе возбуждения молекул таких веществ, к а к SO2, N 0 2 , CI2, излучением
с длиной волны, характерной д л я поглощения этих соединений
в видимой и УФ-областях спектра. В о з б у ж д а ю т флуоресценцию
л а з е р а м и и высокоинтенсивными газоразрядными лампами, а измеряемую длину волны выделяют светофильтрами.
Д л я определения оксидов азота, углерода и серы, озона, аммиака и других применяют высокочувствительные г а з о а н а л и з а торы, работающие на принципе хемилюминесценции.
Химические реакции, сопровождающиеся явлением хемилюминесценции, могут протекать к а к при повышенной, т а к и при комнатной температуре. Так, определение концентрации оксида углерода возможно за счет хемилюминесценции, возникающей
при
горении оксида углерода в атомном кислороде:
C O - f 0 - > C 0 2 + AV.
П р и этом хемилюминесцентное свечение обнаруживается в видимой части спектра при Я = 4 0 0 нм. Предел обнаружения СО —
0,5 мг/м 3 . Оксид азота определяется по экзотермической реакции
между N 0 и 0 3 , в результате которой получается NO2, 0 2 и
около 10 % электронно-возбужденного NO2. П р и переходе NO2
в невозбужденное состояние возникает излучение, интенсивность
которого пропорциональна количеству N O в реакционной камере.
При определении суммарного содержания N O + N 0 2 в воздухе
NO2 предварительно восстанавливают до NO.
Газоанализаторы
д л я определения оксидов азота обычно
бывают
двух типов:
одно- и двухкамерные. В однокамерном газоанализаторе опреде8
Заказ № 33
145
ление содержания NO и N 0 2 происходит в два цикла: в первом
цикле определяется содержание N 0 , во втором цикле в газе, пропущенном через каталитический конвертор, определяется содерж а н и е суммы оксидов. По разности измерений определяется сод е р ж а н и е NO2. При этом предполагается, что с у м м а р н а я концентрация оксидов за время между циклами не изменяется. Д в у х к а мерные системы позволяют одновременно измерять концентрацию
N 0 и NO2. Определению концентрации оксидов азота в воздухе
могут мешать примеси нитратов и нитритов, но обычно их концентрация в атмосферном воздухе по сравнению с концентрацией
NO + N 0 2 незначительна и существенно не влияет на результаты
анализа.
Преимуществами метода являются:
— широкий диапазон измерения (10~ 2 —Ю - 4 м л н - 1 ) ;
— хорошее быстродействие (до 0,5 с);
— достаточно простая аппаратура.
При прямом взаимодействии оксидов азота с атомарным водородом возникает
хемилюминесцентное
свечение в
области
628—780 нм с максимумами 690 и 762 нм. Д л я измерения концентрации NO2 используется реакция непосредственной конверсии NO2 в N 0 при взаимодействии с атомарным водородом. Метод позволяет измерять концентрацию от 4 до 3-10 4 м л н - 1 . Преимуществами метода являются: наличие максимумов
излучения
в видимой части спектра, возможность измерения больших концентраций, широкий диапазон линейности
выходного
сигнала.
Основным недостатком метода является необходимость получения
атомарного водорода, что требует
высоких температур
(до
1900 °С) и связано с повышенной взрывоопасностыо.
С появлением ядерных источников излучения, о б л а д а ю щ и х монохроматичностью, высокой спектральной мощностью и направленностью излучения, стало возможным развитие активных методов зондирования атмосферы на протяженных
горизонтальных
т р а с с а х — д о нескольких десятков километров в видимом, ультрафиолетовом
и
инфракрасном
диапазоне
электромагнитного
спектра.
Активные методы зондирования делятся на
абсорбционные,
комбинированного рассеяния и резонансной флуоресценции. В зависимости от выбранного метода зондирования и спектрального
интервала можно обнаруживать в атмосфере такие газообразные
соединения, к а к С 0 2 , СН 4 , NH 3 , NO, N 0 2 , H 2 S, S 0 2 , H F , CI, F 2 .
Системы на основе С 0 2 - л а з е р а могут быть использованы д л я обнаружения в атмосферном воздухе большого числа органических
соединений. Эти методы количественного анализа
загрязнений
воздуха обладают высокой чувствительностью, однако д л я подобных систем в зависимости от природы измеряемого ингредиента, мешающего влияния примесей по трассе и метода зондирования пределы обнаружения могут составлять Ю - 4 — 1 0 - 8 %.
146:
Электрохимические методы. По сравнению с физико-химическими методами, получившими развитие в последние годы, электрохимические методы несколько утратили свое былое значение.
Вместе с тем технические достижения, сравнительная простота и
дешевизна приборов, удобство их эксплуатации позволяют
успешно применять электрохимические методы на практике. Особенно широкое применение эти методы нашли при систематическом контроле состояния загрязнения атмосферного воздуха и
воздуха рабочей зоны, в лабораториях АЭС и лабораториях сети
наблюдений Госкомгидромета С С С Р .
Наибольшее распространение при анализе атмосферных
загрязнений получили кондуктометрические и
кулонометрические
методы.
Сущность кондуктометрического метода заключается в измерении электропроводности анализируемого раствора. Электропроводность- раствора обеспечивается ионами
веществ,
способных
диссоциировать в определенных условиях, и зависит от концентрации ионов в растворе и их подвижности. Р а з р а б о т а н н ы е на кондуктометрическом принципе г а з о а н а л и з а т о р ы п р и м е н я ю т ' д л я определения оксидов газов, серосодержащих соединений, галогенов
и галогеноводородов. В зависимости от методики определения и
мешающих факторов предел обнаружения по диоксиду серы находится в интервале значений 0,005—1 мг/м 3 . Однако серийные кондуктометрические г а з о а н а л и з а т о р ы диоксида серы имеют предел
о б н а р у ж е н и я 0,02—0,05 мг/м 3 . Принцип действия такого газоанал и з а т о р а состоит в следующем. Анализируемый воздух пропускают через раствор, содержащий серную кислоту, бромид к а л и я
и некоторое количество брома. Содержащийся в воздухе диоксид
серы в присутствии брома окисляется по реакции
S0 2 + Вг2 + 2Н 2 0 -> SOi~ + 4Н + +' 2Вг~.
В ячейке используются два электрода: платиновый и серебряный, покрытый тонким слоем бромида серебра. Разность потенциалов между электродами подчиняется закону Нернста:
Е = Ев + (R774F) In ([Br2]/[Br-]),
где Е 0 — постоянная разность потенциалов, R — г а з о в а я постоянная, F — постоянная Ф а р а д е я .
Значение Е сравнивают со значением эталонного н а п р я ж е н и я
и по разности между ними осуществляют контроль за изменением
тока, проходящего через раствор, т. е. за изменением электропроводности раствора при электролизе:
2Вг~ ->- Вг2 + 2<?~.
Увеличение расхода брома за счет реакции с SO2 приводит
к увеличению тока в электрохимической цепи, что в свою очередь
повышает выход брома, образующегося при электролизе.
10*
147
Кондуктометрический метод не требует применения сложной
аппаратуры, обладает высокой чувствительностью, быстродействием и компактностью. Недостатком кондуктометрического метода
является то, что все растворяющиеся в реактиве с образованием
ионов газы оказывают сильное влияние на электропроводность
электролита, на точность показаний влияет температура внешней
среды, прибор нуждается в частой смене электролита и имеет нелинейную шкалу.
Кулояометрия — безэталонный электрохимический метод сравнительно высокой точности и чувствительности. В общем случае
метод основан на определении количества электричества, необходимого для осуществления электрохимического процесса выделения на электроде или образования в электролите вещества, по которому проводится анализ исследуемой пробы.
Кулонометрические газоанализаторы являются наиболее
эффективными из всех газоанализаторов, работающих на электрохимическом принципе, и позволяют определять в воздухе такие ингредиенты, к а к SO2, НС1, Cl 2 , H F , Оз, H C N . В зависимости от
конструкции электрохимической ячейки, электронной схемы и состава поглотительного раствора предел обнаружения по диоксиду
серы колеблется от 10 до 100 мкг/м 3 . Содержание хлора определяется в области концентраций от 0,02—0,03 до 22—24 мг/м 3 .
Кулонометрический метод анализа обладает рядом несомненных достоинств: высокой чувствительностью, независимостью показаний от факторов, влияющих на результаты измерений другими
методами (температуры, состояния поверхности электродов, интенсивности
перемешивания
и т. д.), широким динамическим
диапазоном. Современные кулонометрические анализаторы отличаются сравнительной простотой устройства, небольшими габаритами и массой, сравнительно невысокой стоимостью. К недостаткам кулонометрических методов м о ж н о отнести низкую селективность и необходимость периодической смены электролита.
9.4. П р и б о р н о е о б е с п е ч е н и е
наблюдений
Несмотря на известные трудности решения проблем охраны
природы в нашей стране, сеть наблюдений
Госкомгидромета
С С С Р в настоящее время располагает приборами, позволяющими
осуществлять эффективный
контроль .состояния
окружающей
среды, в частности атмосферы. Одни приборы со временем меняются на более совершенные, другие имеют более продолжительный срок службы. Не акцентируя внимание на проблемах обеспечения служб Комитета техническими средствами контроля, рассмотрим основные типы приборов, которые используются для
а н а л и з а уровней загрязнения воздушной среды. Кроме того, в рамках настоящего р а з д е л а будут представлены т а к ж е
сведения
о применяющихся комплексах технических средств: лаборатория
«Пост-2», автоматизированная система А Н К О С — А Г .
148:
Газоанализатор ГИАМ-1. Этот тип газоанализатора уже длительное время применяется для измерения содержания микропримесей, оксида углерода в воздухе. В приборе используется оптико-акустический метод анализа газа, основанный на измерении
поглощения лучистой энергии в ИК-области спектра. Каждый га»
поглощает ИК-радиацию в определенной области спектра. Ис-
Рис. 9.3. Принципиальная схема ИК-анализатора
с положительной фильтрацией.
1 — синхронный д в и г а т е л ь , 2 — источники излучения, 3—
• обтюратор, 4 — и з м е р и т е л ь н а я к а м е р а , б — в ы х о д г а з а ,
6 — ф и л ь т р н а входе г а з а , 7 — в х о д г а з а , 8 — ф и л ь т р о в ы е
к а м е р ы , 9 — с а м о п и ш у щ и й прибор, 10 — м е м б р а н а конденсаторного м и к р о ф о н а ,
11 — у с и л и т е л ь ,
12 — конденсаторный микрофон, 13 — л у ч е п р и е м и ы е ц и л и н д р ы , 14 —
приемник И К - и з л у ч е н и я , 15 — с р а в н и т е л ь н а я к а м е р а .
ключение составляют лишь одноатомные газы, а также кислород,
азот и водород — эти газы ИК-радиацию не поглощают. .
Оптико-акустический метод анализа основан на следующем
явлении: если газ, обладающий способностью поглощать ИК-лучи,
заключить в замкнутый объем и воздействовать на него потоком
ИК-радиации, то через определенный промежуток времени газ
нагреется и соответственно повысится давление. При прерывании
потока ИК-радиации с определенной частотой газ будет периодически нагреваться и охлаждаться, что приведет и к колебаниям
давления.
В ГИАМ-1 использована схема дифференциального ИК-анализатора с положительной фильтрацией. Принципиальная схема
ГИАМ-1 представлена на рис. 9.3.
149:
Как следует из рис. 9.3, поток ИК-радиации от двух нихромовых излучателей 2 поступает в два оптических канала. Потоки
.радиации поочередно прерываются обтюратором 3, вращение которого обеспечивается синхронным двигателем 1.
В правом канале прерывистый поток радиации проходит измерительную камеру 4, а затем фильтровую 8 и поступает в правый
лучеприемный цилиндр 13 приемника ИК-излучения 14. Через
к а м е р у 4 непрерывно проходит анализируемая газовая смесь. Аналогичен порядок прохождения потока и в левом канале, только
здесь прерывистый ИК-поток начинает свой путь через сравнительную камеру 15.
Лучеприемные цилиндры 13 заполнены смесью оксида углер о д а с аргоном, вследствие чего возникающие за счет ИК-излучения колебания температуры и давления газа
обусловлены
т о л ь к о поглощением ИК-радиации оксидом углерода.
Возникающие в результате воздействия прерывистого излучен и я колебания температуры и давления воспринимаются конденсаторным микрофоном 12. При этом имеет место сдвиг во времени между колебаниями давления в двух лучеприемных
цилиндрах. При равенстве потоков ИК-излучения мембрана конденсаторного микрофона 10, воспринимающая сумму давлений, буд е т находиться в состоянии покоя.
При наличии в измерительной камере оксида углерода, поток
ИК-излучения, поступающий в лучеприемный
цилиндр
будет
меньшим. В этом случае в надмембранном объеме приемника
ИК-излучения появится
переменная
составляющая
давления
т а з а , значения которой будет зависеть от степени поглощения
излучения в измерительной камере. Колебания мембраны преобразуются конденсаторным микрофоном в переменное напряжение,
жоторое поступает на вход усилителя 11, после чего на самопишущ и й прибор 9. Показания прибора 9 являются мерой концентращии СО в анализируемой газовой смеси.
Д л я подавления влияния на показания газоанализатора диок•сида углерода, обычно присутствующего в газовой смеси с СО и
имеющего близкий к спектру оксида углерода спектр поглощешия, фильтровые камеры ГИАМ-1 заполнены диоксидом углерода.
Газоанализатор позволяет проводить измерения в трех диапаз о н а х : 0—40, 0—80 и 0—160 мг/м 3 . При этом основная приведен.ная погрешность (в % от верхнего предела измерения) составл я е т не более ± 5 %.
Газоанализатор ГКП-1. Газоанализатор кулонополярографиче1ский ГКП-1 представляет собой автоматический" стационарный
лрибор для измерения содержания диоксида серы в атмосферном
.воздухе.
Принцип работы газоанализатора состоит в следующем. Анал и з и р у е м а я газовая смесь забирается из окружающего атмосферного воздуха с помощью специального заборного устройства, очищ а е т с я в фильтре от механических примесей и поступает в элек350:
трохимическую ячейку. Содержащийся в анализируемой смеси
диоксид серы реагирует с иодом до иодоводорода (HJ), затеж
окисляется на измерительном электроде:
S 0 2 + I2 + 2 H 2 0 ^ 2 H I + H 2 S0 4 .
Электрохимическая ячейка работает в режиме гальваническогоэлемента. Возникающий при электролизе электрический ток является мерой концентрации диоксида серы
c s o 2 = 1,1938
где Cso2 —концентрация диоксида серы в воздухе, мг/м 3 ; / —
электрический ток, мкА; Q — расход газовой смеси, л/ч.
Газоанализатор имеет четыре диапазона измерения: 0—1, 0 —
2, 0—5 и 0—10 мг/м3. Основная погрешность прибора не превышает ± 6 % от верхнего предела измерения.
Газоанализатор ГМК-3
предназначен для определения концентрации оксида углерода в газовых смесях.
Принцип действия (как и в ранее рассмотренном приборе
ГИАМ-1) основан на измерении поглощения оксидом углерода
ИК-радиации. Степень поглощения радиации зависит от концентрации оксида углерода. Много общего и в измерительной схемегазоанализаторов ГМК-3 и ГИАМ-1.
Прибор имеет три шкалы измерения: 0—40, 0—80 и 0 —
400 мг/м 3 . Основная погрешность на шкале 0—80 мг/м 3 не превышает ± 5 % от верхнего предела измерений. На шкалах 0 —
40 и 0—400 мг/м 3 погрешность несколько выше, но не более±10%.
Газоанализатор 652XJI01.
Автоматический
газоанализатор'
применяется для инструментального контроля
концентрации
озона. В основу работы прибора положен хемилюминесцентный
метод, сущность которого состоит в том, что реакция этилена(С2Н4) с озоном при определенных условиях сопровождается люминесценцией
0 3 + С2Н4
СНОН*; СНОН*
СНОН + Ь ,
где h — постоянная Планка, v — частота излучения.
Концентрация озона в анализируемой
смеси
определяется;
посредством детектирования с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) возникающего излучения hv,
пропорционального,
концентрации Оз в пробе.
Газоанализатор имеет четыре диапазона измерения массовой,
концентрации озона: 0—0,05, 0—0,15, 0—0,5 и 0—1,5 мг/м 3 . Основная приведенная погрешность на всех диапазонах не превышает±20%.
2831:
Газоанализатор 645XJI01. С помощью автоматического газоа н а л и з а т о р а 645XJ101 осуществляется инструментальный контроль
с о д е р ж а н и я в воздухе оксида азота ( N 0 ) , диоксида азота ( N 0 2 )
и суммы оксидов азота (NO + N 0 2 ) .
В основу работы прибора положен хемилюминбсдентный метод, при котором взаимодействие оксида азота с озоном в соответствующих условиях сопровождается люминесценцией:
N 0 + Оз
NO2 + 0 2 ; NO*
NO z + Av
Излучение происходит в области спектра 620—2500 нм с максимумом при 1200 нм, т. е. в ИК-Диапазоне. Интенсивность излучения hv пропорциональна числу взаимодействующих молекул,
т. е. концентрации оксида азота.
Приемником излучения в г а з о а н а л и з а т о р а х типа 645XJI служ и т фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Озон,
необходимый
д л я протекания реакции, получают из кислорода
окружающего
воздуха при высоковольтном р а з р я д е в генераторе озона. Д л я
определения концентрации N 0 2 и суммы оксидов азота N0-1- NO2
введен дополнительный к а н а л преобразования N 0 2 в N O
N02 НагРевание
200 с
° „ N 0 + 02.
В этом к а н а л е детектируется излучение от N 0 + N 0 2 .
Концентрация N 0 2 определяется по разности
между значениями электрических, сигналов, пропорциональных концентрациям
NO + N 0 2 И N 0 .
Д л я получения максимальной чувствительности прибора в камере, в которой происходит реакция взаимодействия анализируемой смеси с озоном, создается оптимальное р а з р я ж е н и е
0,6—
0,8 атм.
Газоанализатор имеет четыре диапазона измерения массовой
концентрации: 0—0,25, 0—0,75, 0—2,5 и 0—7,5 м г / м 3 .
Значение
основной приведенной погрешности на всех диапазонах измерения не превышает ± 2 0 % д л я NO, N 0 2 и ± 3 0 % д л я N 0 * .
Газоанализатор 667ФФ01. Г а з о а н а л и з а т о р
применяется д л я
инструментального контроля диоксида серы.
В основу работы прибора положен флуоресцентный метод определения диоксида серы в атмосферном воздухе. Сущность мет о д а состоит в регистрации флуоресцентного излучения молекул
диоксида серы, возникающего под воздействием возбуждающего
ультрафиолетового излучения. Возбуждение молекул
диоксида
серы происходит в спектральной области 220—240 нм, выделяемой с помощью первичного светофильтра из спектра излучения
импульсной ксеноновой лампы. В этой области спектра молекулы
воды и оксидов азота не влияют на флуоресценцию. Процесс возб у ж д е н и я описывается формулой
.
152:
S 0 2 - f hvi - > S0 2 ,
где vi — длина волны возбуждающего излучения.
Возбужденная молекула переходит в основное состояние с и з лучением кванта света
SO2 -»- SO2 + hv 2,
где v 2 — длина волны излучения при флуоресценции.
Флуоресцентное излучение находится в диапазоне длин в о л к
260—400 нм. Интенсивность излучения
пропорциональна
концентрации диоксида серы.
Г а з о а н а л и з а т о р имеет три диапазона измерения массовой концентрации: 0—0,5, 0—1,5 и 0—5,0 мг/м 3 . Значение д о п у с к а е м о й
основной приведенной погрешности прибора на всех диапазонах,
измерения не превышает ± 2 0 %.
Г а з о а н а л и з а т о р 623ИН02. Д а н н а я модификация
автоматического г а з о а н а л и з а т о р а 6 2 3 И Н применяется д л я контроля массовых концентраций суммы углеводородов, метана и суммы у г л е водородов за вычетом метана.
Р а б о т а г а з о а н а л и з а т о р а основывается
на
применении п л а менно-ионизационного метода измерения. В основе количественного определения концентрации углеводородов в воздухе л е ж и т
изменение тока ионизации, полученное при введении в п л а м я
водорода органических молекул.
Пламенно-ионизационный детектор р а з р а б о т а н еще в 1957 г..
Принцип его работы основан на том, что введение органического
вещества в водородное п л а м я вызывает образование ионов, благодаря которым возникает ионный ток между электродами д е т е к тора, находящимися под напряжением. При отсутствии органических примесей в пробе ток ионизации, возникающий в чистом водородном пламени, пренебрежимо мал; В случае ж е
введения в п л а м я органических веществ между электродами
пламенноионизационного детектора ток ионизации возрастает. Высокоомный измерительный преобразователь «ток—напряжение» преобразует ток ионизации в выходное напряжение.
Прибор выполнен по двухканальной схеме, при этом
поток
анализируемого атмосферного воздуха делится на две р а в н ы е
части. Н а один пламенно-ионизационный детектор, где регистрируется общая сумма углеводородов, анализируемый воздух поступает без изменений. Д р у г а я часть потока проходит через устройство разделения углеводородов, в котором метан отделяется о т
остальных углеводородов (этилен, пропан, толуол, бензол и д р . ) .
Второй детектор регистрирует только метан. Значение концентрации суммы углеводородов за вычетом
метана получается как.
разность электрических сигналов с обоих датчиков.
Г а з о а н а л и з а т о р имеет три д и а п а з о н а измерения массовой концентрации суммы углеводородов, метана и суммы углеводородов
за вычетом метана: 0—5, 0—15 и 0—50 мг/м 3 . Основная привед е н н а я погрешность измерения метана (СН4) и суммы углеводо2833:
родов ( £ С Н ) составляет ± 1 5 % . Погрешность при измерении
суммы углеводородов за вычетом метана ( £ С Н — С Н 4 ) не прев ы ш а е т ± 2 0 %.
Газоанализатор «Палладий-3». Этот тип
газоанализатора
приходит на смену базовой модели «Палладий-2». Прибор предназначен д л я инструментального контроля за загрязнением атмосферы и воздуха производственных помещений оксидом углерода.
Контроль осуществляется посредством измерения содержания оксида углерода в воздухе и выдачи информации в виде унифицированного выходного сигнала, пропорционального анализируемой
величине.
Принцип действия газоанализатора основан на методе потенциостатической амперометрии, заключающемся в измерении тока
электрохимической ячейки.
Г а з о а н а л и з а т о р «Палладий-3» состоит из двух блоков: газового и измерительного. В газовом блоке установлены элементы
газоподготовки и электрохимическая ячейка. В
измерительном
блоке расположена электронная схема, с помощью которой обеспечивается потенциостатический режим работы
электрохимической ячейки и измерение тока электрохимического окисления углерода. Газоанализатор работает в непрерывном режиме.
Лаборатория комплектная типа «Пост-2». Л а б о р а т о р и я предназначена д л я проведения комплекса стационарных наблюдений
з а уровнем загрязнения атмосферного воздуха, а т а к ж е д л я измерения метеорологических характеристик.
Л а б о р а т о р и я позволяет осуществлять автоматическое измерение и запись на диаграммной ленте концентраций оксида углер о д а и диоксида серы; автоматический отбор 33 проб воздуха на
пять газообразных примесей, сажу и пыль; ручной отбор пяти
проб воздуха на газообразные примеси, с а ж у и пыль; автоматическое измерение и регистрация направления и скорости ветра,
температуры (—50-Ч-50 °С) и влажности атмосферного воздуха
(0—100 % ) ; визуальный контроль температуры, влажности и давления атмосферного воздуха переносными приборами.
Л а б о р а т о р и я «Пост-2» представляет собой комплекс технических средств, включающий в себя металлический к а р к а с
(павильон) с внешними и внутренними вспомогательными устройствами; группу приборов автоматического контроля концентраций
з а г р я з н я ю щ и х веществ — газоанализаторов на оксид
углерода
т и п а ГМК-3 и диоксид серы типа ГКП-1; группу приборов д л я
автоматического и ручного отбора проб воздуха на газообразные
примеси, с а ж у и пыль — электроаспираторы типа
ЭА-1, ЭА-2,
ЭА-2С и автоматический воздухоотборник «Компонент»;
группу
приборов д л я автоматического и ручного контроля
метеовелич и н — анеморумбограф типа М63МР, датчики температуры и
влажности, блок согласования, с л у ж а щ и й д л я регистрации значений температуры и влажности автоматическим самопишущим
154:
прибором анеморумбографа, термометр типа ТП-6, психрометр
типа МБ-4М, барометр-анероид типа М-67.
Л а б о р а т о р и я может работать в непрерывном или
прерывистом режиме при получасовом обслуживании оператором
2—4
р а з а в сутки.
Л а б о р а т о р и я позволяет одновременно контролировать содерж а н и е 12 з а г р я з н я ю щ и х веществ, в том числе: при автоматическом измерении с регистрацией содержания двух веществ, при
автоматическом отборе проб — пять, при ручном отборе проб —
пять. З а одно обслуживание обеспечивается одновременный отбор 38 проб, в том числе при автоматическом отборе 33, при ручном 5.
Н а стационарной лаборатории «Пост-2» контролируется т а к ж е
семь метеопараметров, в том числе четыре — при автоматическом
измерении с регистрацией, семь — при визуальном измерении.
Производительность лаборатории при четырехразовом обслуживании в течение суток составляет 5 - Ю 4 проб/год, а средний
срок службы — 10 лет.
Головная автоматизированная система контроля загрязнения!
атмосферного воздуха АН КОС—АГ. Эта система
предназначена
д л я постоянного контроля за меняющимися во времени и пространстве характеристик загрязнения и метеорологическими п а р а метрами воздушного бассейна крупных городов и промышленных
центров, а т а к ж е д л я оперативного прогнозирования уровней з а грязнения.
Т а к а я система была введена в нескольких
городах С С С Р ,
в частности в Ленинграде на базе Ленинградского центра по изучению и контролю загрязнения природной среды.
Н а рис. 9.4 представлена
структурная
схема
системы
А Н К О С — А Г . К а к следует из схемы, система А Н К О С — А Г имеет
два уровня. Н а первом (нижнем) уровне системы осуществляется
измерение концентраций з а г р я з н я ю щ и х веществ и значений метеовеличин, преобразование измеренных значений в физические
величины, регистрация этих значений на машинных носителях,
формирование сообщений, хранение информации и передача информации на второй (верхний) уровень в Центр обработки информации ( Ц О И ) д л я дальнейшей обработки.
К первому уровню относятся автоматические станции
контроля загрязнений атмосферы ( А С К З А — Г ) .
Н а втором уровне осуществляется сбор исходной информации
от А С К З А — Г , а т а к ж е от передвижных рабочих групп и стационарной газоаналитической лаборатории, ее обработка, управление
работой составных частей системы, решение комплекса з а д а ч по
контролю и прогнозированию опасных уровней загрязнения, выдача результатов обработки информации на печать, индикацию
и машинные носители, а т а к ж е передача ее потребителям.
Второй уровень системы включает в себя
информационноуправляющий вычислительный комплекс, средства отображения
155:
информации, передачи данных, связи, регистрации, размножения
и подготовки информации, установленные в центре обработки
информации.
// уровень
Обслуживающий
диспетчерский
персонал
и
Программное
обеспечение
X
КТС ЦОИ.
Средства
подготовки
данных
Т
Средства
регистрации
данных
М*
Средства
отображения
информации
Средства
размножения
документов
ИУВК
Средства
передачи
данных.
-
Средства
связи
=
Х35
5Г
Й •
§•
Э§
S
tg
О)
Iо
с;
/уровень
Контролируемый
воздушный
бассейн
Рис. 9.4. Структурная схема системы АНКОС—АГ.
П Р Г — передвижная рабочая группа, СТАЛ — стационарная газоаналитическая лаборатория,
И У В К — информационно-управляющий вычислительный комплекс, КТС — комплекс технических средств.
156:
Основные функции системы:
— автоматический сбор и накопление информации о загрязнении атмосферы основными примесями и о метеорологических величинах;
— выявление высоких концентраций вредных веществ, превышающих установленные нормативы, и передача штормовых предупреждений;
— краткосрочный прогноз уровня загрязнения;
— анализ причин превышения П Д К и выдача
рекомендаций
промышленным предприятиям по сокращению
выбросов
вредных веществ в атмосферу в период неблагоприятных
метеорологических условий;
— контроль состояния комплекса
технических
средств системы.
.
.
..
На станции А С К З А — Г измеряется 13 параметров, в том числе
с о д е р ж а н и е девяти загрязняющих веществ и четыре метеовеличины.
Контролируемые загрязняющие вещества и диапазон измеряемых концентраций:
— оксид углерода, 0—160 мг/м 3 ;
— диоксид серы ( S 0 2 ) , 0 — 5 мг/м 3 ;
— оксид азота ( N 0 ) , диоксид азота (NO2),
азота (NO*), 0—7,5 мг/м 3 ;
— сумма углеводородов за вычетом метана
О—45 мг/м 3 ;
— озон ( 0 3 ) , 0—1,5 мг/м 3 .
сумма
оксидов
( £ СН—СН4),
Контролируемые метеорологические параметры, диапазоны их
измерения:
— скорость ветра, 1,5—40 м/с;
— температура воздуха, —40-f-40 °С;
— направление ветра, 0—360°.
Предельная приведенная погрешность измерения концентраций загрязняющих веществ составляет 20 %, а
метеопараметров—10%.
Максимальное
число
стационарных
станций
контроля
А С К З А — Г — 100. В Ленинграде установлено пять таких
станций, периодичность измерений на которых составляет 3 0 , м и н , 1,
2, 4 и 6 ч.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Антропогенные изменения климата/Иод,
ля.— JI.: Гидрометеоиздат, 1987.— 403 с.
ред М. И. Будыко и Ю. А. Израэ157:
Безуглая Э. Ю. Метеорологический потенциал и климатические особенности
загрязнения воздуха городов,—Л.: Гидрометеоиздат, 1980.— 184 с.
Берлянд М. Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы.— JI.: Гидрометеоиздат, 1985.— 272 с.
Берлянд М. Е. и др. Методические указания по прогнозу загрязнения воздуха в городах.— Л.: Гидрометеоиздат, 1979.— 79 с.
Борисенков
Е. П., Кондратьев
К. # . Круговорот углерода и климат.— Л.:
Гидрометеоиздат, 1988.— 319 с.
Борисенков Е. П., Пасецкий В. М. Тысячелетняя летопись необычайных явлений природы,—М.: Мысль, 1988.—523 с.
Будыко М. И. Эволюция биосферы,—Л.: Гидрометеоиздат, 1984.— 487 с.
Будыко М. И., Ронов А. Б., Яншин А. Л. История атмосферы.— Л - Гидрометеоиздат, 1985.— 207 с.
Будыко М. И., Голицын Г. С., Израэль Ю. А. Глобальные климатические катастрофы.— Л.: Гидрометеоиздат, 1986.— 158 с.
Бютнер Э. К. Планетарный газообмен 0 2 и С0 2 .— Л.: Гидрометеоиздат,
1986.--232 с.
Горшков В. Г. Энергетика биосферы и устойчивость состояния окружающей
среды.— Итоги науки и техники, т. 7. М., 1990.— 237 с.
Ежегодник состояния загрязнения воздуха и выбросов вредных веществ в атмосферу городов и промышленных центров Советского Союза. «Выбросы вредных
веществ».— Л., 1990,— 487 с.
Ивлев Л. С. Химический состав и структура атмосферных аэрозолей.— Л.,
1987,— 366 с.
Израэль Ю. А. Экология и контроль состояния природной среды. 2-е изд.—
М.: Гидрометеоиздат, 1984.— 560 с.
Кароль И. Л. Радиоактивные изотопы и глобальный перенос в атмосфере.—
Л.: Гидрометеоиздат, 1972.— 366 с.
Кароль И. Л., Розанов В. В., Тимофеев Ю. М. Газовые примеси в атмосфере.— Л.: Гидрометеоиздат, 1983.— 192 с.
Климат Ленинграда.— Л.: Гидрометеоиздат, 1982,— 252 с.
Климат Москвы.— Л.: Гидрометеоиздат, 1974.—320 с.
Климат Москвы за последние 30 лет.— М., 1989.— 92 с.
Климатические
и биологические последствия ядерной войны.— М.: Наука,
1987,—287 с.
Ландсберг
Г. Е. Климат города.— Л.: Гидрометеоиздат, 1983,—248 с.
Марчук Г. И.
Математическое моделирование в проблеме окружающей
среды,—М.: Наука, 1982,—310 с.
Матвеев Л. Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы.— Л.: Гидрометеоиздат, 1984.— 750 с.
Методические указания по прогнозированию загрязнения воздуха в городах
с учетом метеорологических условий: Р Д 52.04. 78—85. Введено впервые.— М.,
1986,—59 с.
Общесоюзный нормативный
документ. Методика расчета концентраций в
атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий.
ОНД-86,— Л.: Гидрометеоиздат, 1987,—93 с.
Пененко В. В., Алоян А. Е. Модели и методы в задачах охраны окружающей среды.— Новосибирск: Наука, 1985.— 256 с.
Семенченко Б. А., Белов П. Н. Метеорологические аспекты охраны природной
среды. — М„ 1984. — 95 с.
Смит К- Основы прикладной метеорологии.—Л.: Гидрометеоиздат, 1978.—
423 с.
'
Стыро Б. И., Луянас В. Ю., Шопаускас К К Радиоактивность атмосферы и.
метеорология,— Вильнюс: Минтис, 1975.— 268 с.
2. О Х Р А Н А В О Д СУШИ
ГЛАВА 1. РАЗВИТИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ
ПО ОХРАНЕ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ
1.1. Общие положения
Рациональное использование и охрана природных ресурсов —
в а ж н е й ш а я з а д а ч современности. Особую тревогу вызывают вопросы водопользования, особенно в странах
с ограниченными
водными ресурсами. Р е а л ь н а угроза не только количественного
.истощения природных вод, но и широкомасштабного ухудшения
их качества, не позволяющего использовать имеющиеся водные
ресурсы.
Поэтому вопросам рационального использования
природных
ресурсов и охраны о к р у ж а ю щ е й среды уделяется немалое вниман и е на государственном и правовом уровне. Так, у ж е в первые
годы существования Советского государства была введена госуд а р с т в е н н а я собственность на воду, о т к р ы в а в ш а я широкие возможности д л я планомерного и комплексного использования водн ы х ресурсов в целях развития народного хозяйства при одновременной охране вод от загрязнения и истощения.
В 1919 г. в стране был образован Центральный Комитет водоохранения, в з а д а ч у которого входило обследование водоемов,
принимавших сточные воды предприятий, изыскание
способов
борьбы с загрязнением всех водных источников, экспертиза и
консультация по всем вопросам, связанным с очисткой сточных
вод. В 1947 г. Совет Министров С С С Р принимает постановление
« О мерах по ликвидации загрязнения и санитарной охране водных
источников». В 1959 г. Советом Министров С С С Р принято постановление «Об усилении государственного контроля за использованием подземных вод и о мероприятиях по их охране»,
а в 1960 г. постановление «О мерах по упорядочению использования и усилению охраны водных ресурсов С С С Р » . В соответствии
с этим постановлением были созданы органы по охране водных
ресурсов и р а з р а б о т а н ы мероприятия по сохранению чистоты водоемов.
,,
В з а д а ч у созданных органов Государственного надзора вход и л о осуществление контроля за рациональным использованием
предприятиями водных ресурсов, за проведением мероприятий по
о х р а н е водоемов от загрязнения, засорения и истощения; учет поверхностных водных ресурсов и обеспечение их планового использ о в а н и я ; р а з р а б о т к а водохозяйственных балансов и перспективных схем использования и охраны водных ресурсов; подготовка
159:
сводных планов и правил комплексного использования
водных
ресурсов и др.
" Согласно указанному постановлению, строительство
промышленных предприятий и прием их в эксплуатацию
допускался
только при выполнении всего комплекса водоохранных мероприятий, обеспечивающих чистоту поверхностных вод.
Органам
Государственного
надзора за использованием и
охраной водных ресурсов было предоставлено право приостанавливать работу предприятий, загрязняющих сбросом сточных вод
реки и водоемы, привлекать виновных должностных лиц к административной ответственности.
С 1978 г. Главное управление гидрометслужбы С С С Р преобразовано в Государственный комитет С С С Р по гидрометеорологии
и контролю природной среды — Госкомгидромет СССР,— на который возложена обязанность изучения количественных и качественных показателей поверхностных вод и их изменения
под
влиянием хозяйственной деятельности человека.
С середины 70-х годов Госстандартом С С С Р р а з р а б а т ы в а е т с я
система стандартов в области охраны качества вод.
Санитарную охрану водоемов, используемых для
питьевого
водоснабжения, лечебно-оздоровительных и других целей, осуществляют органы санитарного надзора Министерства здравоохранения С С С Р и союзных республик
(санитарно-эпидемиологические станции).
Министерство рыбного хозяйства через органы
рыбоохраны
д о л ж н о осуществлять надзор за водоемами, имеющими рыбохозяйственное значение.
Н а Министерство геологии возложены функции контроля за
использованием подземных вод и охраной их от истощения и загрязнения.
Во всех союзных республиках страны имеются законы
об
охране природы, в которых значительное место отведено вопросам охраны вод. В уголовных кодексах республик за загрязнение
водоемов предусмотрена уголовная ответственность.
В 1970 г. приняты «Основы водного законодательства Союза
С С Р и союзных республик». Этим законодательным актом подтверждено, что природные воды являются общенародным достоянием, а их рациональное использование и охрана от
загрязнения — дело государственной важности. Предприятия и организации,
деятельность которых влияет на состояние вод, обязаны проводить технологические, лесомелиоративные, агротехнические, гидротехнические, санитарные и другие мероприятия, обеспечивающие охрану вод от загрязнения, засорения и истощения, а т а к ж е
улучшающие состояние и режим вод. Мероприятия по охране вод
предусматриваются в государственных планах развития
народного хозяйства.
Р а з р а б а т ы в а ю т с я и совершенствуются правила охраны
вод
при их использовании. Действующие « П р а в и л а охраны поверх160
ностных вод от загрязнения сточными водами» постоянно уточняются и совершенствуются.
При освоении водных ресурсов все большее число предприятий становятся связанными друг с другом при решении водохозяйственных вопросов. Поэтому при оценке фактического и перспективного использования поверхностных и подземных вод, при
выявлении районов с временным и постоянным дефицитом водных ресурсов большое значение имеет увязка водохозяйственных
балансов территорий.
Водохозяйственный баланс включается в генеральные, региональные и бассейновые схемы комплексного использования и
охраны водных ресурсов на различные периоды.
В 70-х годах принимается ряд постановлений по усилению
охраны природы и отдельных крупных водных объектов.
Во «Всемирной стратегии охраны природы», принятой 14-й
Генеральной ассамблеей Международного союза охраны природы
и природных ресурсов (МСОП) в 1979 г., сказано: «Каждая нация и каждый район мира должны публично на самом высоком
уровне заявить о принятии обязательств по охране природы. Обязательства должны включать в себя гарантии по развитию национальной или региональной стратегии по охране природы и
программы ее выполнения. В идеале, обязательства по охране
природы должны быть включены в национальную конституцию
страны». Это отражено в 18-й статье Конституции СССР, где говорится: «В интересах настоящего и будущих поколений в СССР
принимаются необходимые меры для охраны и научно обоснованного, рационального использования земли и ее недр, водных ресурсов, растительного и животного мира, для сохранения в чистоте воздуха и воды, обеспечения воспроизводства
природных
богатств и улучшения окружающей человека среды». В 67-й
статье Конституции СССР записано: «Граждане СССР обязаны
беречь природу, охранять ее богатства».
В Советском Союзе охрана природы является частью государственной политики, а мероприятия по охране природы входят
составной частью в государственные планы. Однако если на государственном законодательном уровне отношение к вопросам
охраны водных ресурсов находится на должной высоте, то исполнительные органы нередко не принимали необходимых мер по
защите вод от загрязнения, засорения и истощения, что обусловило появление таких острых проблем, как проблемы Аральского,
Азовского и Каспийского морей, озер Байкал и Ладога, бассейна
р. Волги и многих локальных водных объектов.
1,2. Водные ресурсы СССР
Понятие «водные ресурсы» включает все находящиеся в свободном состоянии (химически несвязанные) воды нашей планеты:
поверхностные и подземные воды, почвенную влагу, воды ледников, озер, искусственных водоемов, которые используются или мо11
Заказ № 33
гут быть использованы человечеством при данном уровне развития его производительных сил.
В настоящее время основными водными ресурсами в нашей
стране являются пресные поверхностные и подземные воды, доступные д л я эксплуатации.
По водным ресурсам н а ш а страна занимает первое место
в мире. В С С С Р суммарные з а п а с ы пресных вод (без учета подземных вод) оцениваются в 45 000 км 3 , причем на ежегодно воТаблица 1.1
В о д н ы е р е с у р с ы э к о н о м и ч е с к и х р а й о н о в С С С Р н а у р о в е н ь 1980 г.
Водные ресурсы, к м 3 / г о д
Экономический район
Северный
Северо-Западный
Центральный
Центрально-черноземный
Волго-Вятский
Приволжский
Северо-Кавказский
Уральский
Западно-Сибирский
Восточно-Сибирский
Дальневосточный
Прибалтийский
Белорусский
Юго-Западный
Южный
Донецко-Приднепровский
Закавказский
Казахстанский
Среднеазиатский
Молдавский
Площадь,
тыс. км2
1 466,3
196,5
485,1
167,7
263,3
536,4
355,1
824,0
2 427,2
4 122,8
6215,9
189,1
207,6
269,4
113,4
220,9
186,1
: 2 717,3
1 277,1
33,7
местного формирования
суммарные
494
47,7
88,6
16,1
47,8
31,5
44,0
122,7
513
1 097
1538
41,6
34,1
39,2
1,97
11,2
67,3
69,4
106,7
1,31
511,6
89,4
112,6
21,0
151,8
270
69,3
129
585
1 132
1812
70,9
55,8
77,0
193,8
65,9
77,7
125,4
131,0
12,7
зобновляемые воды (сток всех рек) приходится около 4720 км 3 ,
из них 333 км 3 поступает из соседних стран. Н а одного ж и т е л я
С С С Р приходится 17,5 тыс. м 3 в год, что почти вдвое больше
среднего мирового водопотребления. Распределение водных ресурсов по территории нашей страны (по экономическим районам)
приведено в табл. 1.1.
По объему речного стока Советский Союз значительно превосходит крупнейшие страны мира, однако показатель удельной
водообеспеченности (на единицу площади)
территории, нашей
страны в 1,5 р а з а ниже, чем в среднем по странам земного ш а р а .
Удельная водообеспеченность территории
СССР
оценивается
в 6 л / ( с - к м 2 ) , что в пересчете на одного жителя страны составляет в среднем 55 м 3 /сут. Распределение ресурсов поверхностных
вод по территории С С С Р очень неравномерно. Свыше 6 4 % при162:
надлежит бассейну Северного Ледовитого океана, 22 % — бассейну Тихого и немногим более 13 % — бассейнам Атлантического
океана, Каспийского и Аральского морей. На европейскую часть
СССР (ЕЧС), самую обжитую территорию страны, приходится
менее 1 / 4 объема водных ресурсов.
Таким образом* наиболее обеспечены водными ресурсами северо-западные, северные и восточные районы, на долю которых
приходится около половины территории Союза и до 80 % всех
водных ресурсов. В экономическом отношении эти районы менее
развиты и менее населены.
Таблица 1.2
Среднемноголетнее распределение стока по сезонам
Сезонный сток, % от^годового
Регион
л е т о — осень
Ю ж н а я часть З а в о л ж ь я , Ю ж н о е
Приуралье, Северный и Центральный К а з а х с т а н
Восточная Сибирь
Север европейской части С С С Р
(кроме озерных рек) и П р и б а л т и к а
З а п а д и Ю г о - З а п а д европейской
части С С С Р
З а п а д н а я Сибирь
Крайний Север и Северо-Восток
Сибири
Д а л ь н и й Восток, К а м ч а т к а , З а б а й калье, Яно-Индигирский район
90—95
4—8
1—2
70—80
55—65
15—25
25—35
5
10—20
30—50
30—35
20—35
45—55
40—50
35—45
45—55
10 '
5
30—40
55—65
Общий сток крупных рек или групп рек СССР на протяжении
ряда лет не претерпевает существенных изменений. Распределение стока по сезонам характеризуется более или менее постоянным отношением к годовому стоку (табл. 1.2).
С целью более полного удовлетворения потребностей в воде
различных отраслей народного хозяйства, особенно в бассейнах
рек, где наблюдается резко неравномерное распределение внутригодового стока, создаются водохранилища. Они служат для регулирования стока, используются для гидроэнергетики, орошения,
борьбы с наводнениями и других целей.
сосредоточена большая часть запасов пресных вод
страны. В СССР насчитывается около 3 млн. озер, из которых более 9 5 % пресные. Суммарная площадь водного зеркала озер составляет около 500 тыс. км2, или почти 2 % территории страны.
В основном это небольшие водоемы.
При использовании водных ресурсов озер необходимо учитывать особенности их режима: озерные воды относятся к очень
медленно возобновляемым ресурсам. В среднем для крупных озер
10*
163
на долю ежегодно возобновляемых вод приходится лишь 1,5 % от
их общего запаса, хотя этот показатель и варьирует в довольно
широких пределах. Так, д л я Б а й к а л а он составляет 0,3 % , а д л я
Чудского и Псковского озер к а к единого целого — 57 %. Кроме
того, следует учитывать еще одну особенность озер — их аккумулирующую способность. В результате смыва и сброса сточных вод
в озерах происходит отложение и накопление различных продуктов. В результате чего озера загрязняются, изменяется их режим.
С к а ж д ы м годом все больше водохозяйственное значение приобретают подземные воды. По данным Н. Н. Фаворина, ежегодно
возобновляемые запасы подземных вод в нашей стране относительно невелики — около 900 км 3 — и распределены по территории очень неравномерно. Общие эксплуатационные запасы подземных вод по С С С Р составляют около 7000 м 3 / с
(выражены
мощностью водозабора в единицу времени).
В настоящее время объем
используемых
подземных
вод
в С С С Р достигает 5—6 % прогнозных запасов. При использовании подземных вод необходимо следить за их правильной эксплуатацией, не допускать резкого уменьшения дебита скважин,
снижения уровня воды в них, изменения качественного состава,
образования воронок депрессий — явлений, отрицательно сказывающихся на водоснабжении всей прилегающей территории.
Поскольку подземные воды во многих районах с л у ж а т источником питания рек, то эксплуатация подземных вод, естественно,
влияет на режим поверхностных вод. Все это надо учитывать и
правильно эксплуатировать горизонты подземных вод.
Информацию о количественном и качественном состоянии природных вод, необходимую д л я специалиста-гидролога, можно получить в специальных изданиях Государственного водного
кадастра. В этих изданиях сконцентрированы все сведения о реж и м е поверхностных и подземных вод, а т а к ж е данные об их
использовании различными отраслями народного хозяйства.
Таким образом, издания Государственного водного к а д а с т р а
позволяют не только объединить накопленную информацию о гидрологическом режиме водных объектов, но и использовать ее
д л я планомерного рационального использования и охраны водных
ресурсов.
Сведения водного к а д а с т р а о режиме объектов позволяют:
|
/
/
/
I
'
164:
— принимать решения по улучшению использования и охраны
водных ресурсов на действующих производственных комплексах, в городах и сельской местности;
— составлять и у в я з ы в а т ь между собой
водохозяйственные
балансы к а к отдельных частей речного бассейна, т а к и
д л я всего бассейна в целом;
— оценивать влияние различных видов хозяйственной деятельности на гидрологический режим водных объектов;
— прогнозировать использование водных ресурсов с учетом
взаимодействия различных факторов.
1.3. Основные потребители воды
По мере своего развития человечество расходует все большее
количество воды для удовлетворения самых разнообразных нужд:
водоснабжения населения, промышленности, выработки электроэнергии, орошения и обводнения земель, транспорта, рыбного хозяйства и т. д. Нет ни одной отрасли народного хозяйства, развитие которой было бы возможно без использования воды.
Сопоставление роста численности населения, развитие некоторых отраслей промышленности и увеличение потребления воды
в народном хозяйстве СССР показывает, что с 1960 по 1980 г.
суммарное потребление воды возросло в два раза. В ближайшие
годы ежегодная полная потребность народного хозяйства СССР
в водных ресурсах будет составлять примерно 500 км3, а в отдаленной перспективе достигнет 700—800 км3.
В настоящее время для всего мира основным вопросом становится проблема обеспечения человечества чистой водой, так как
имеющиеся пресные водные ресурсы во многих регионах оказываются недостаточными для удовлетворения нужд быстро растущего населения, бурно развивающейся промышленности и сельского хозяйства.
Для рационального использования водных ресурсов необходимо прежде всего знать, какое количество воды требуется для
удовлетворения всех ее потребителей не только на сегодняшний
день, но и на перспективу.
Все отрасли хозяйства по их отношению к водным ресурсам
подразделяются на две категории: водопотребители и водопользователи.
Водопотребители забирают воду из источника, используют для
выработки промышленной и сельскохозяйственной продукции или
бытовых нужд населения, а затем возвращают в водный объект,
но уже в другом месте, в меньшем количестве и в другом качестве.
Водопользователи не забирают непосредственно воду из источника, а используют ее как среду (водный транспорт, рыбоводство,
спорт и т. д.) или как источник энергии (гидроэлектростанции).
Однако и они могут изменять качество воды (например, водный
транспорт).
Следует иметь в виду, что при современном комплексном использовании водных ресурсов грань между водопотребителями и
водопользователями стирается. Например, при создании крупных
водохранилищ для выработки электроэнергии коренным образом
меняется не только гидрологический режим и качество воды, но
и происходит увеличение потерь воды на испарение, т. е. само водохранилище выступает в качестве водопотребителя.
В связи с этим при рассмотрении влияния различных видов
хозяйственной деятельности на количественные и качественные
изменения водных ресурсов целесообразно применять термин «водопотребитель».
165:
Использование воды в зависимости от целей можно подразделить на хозяйственно-питьевое, коммунальное, сельскохозяйственное, промышленное, транспортное и т. д.
Д л я обеспечения потребителей водой необходим специальный
комплекс гидротехнических сооружений — система водоснабжения.
Характерной чертой второй половины XX в. является все увеличивающееся водопотребление во всех странах мира. В т а б л . 1 . 3
показана доля использования воды в основных отраслях водоТаблица 1.3
Использование воды в основных группах водопотребителей,
% к общему водопотреблению
[Группа в о д о п о т р е б и т е л я
Сельскохозяйственная
Промышленная
Коммунальная
СССР
США
Франция
Финляндия
52
39
9
49
41
10
51
37
12
10
80
10
потребления по отношению к общему водопотреблению в стране.
Рассмотрим подробнее виды водопотребления.
Водоснабжение населения связано с использованием
воды
д л я питья и коммунально-бытовых нужд. К последним относится
система централизованного водоснабжения д л я обеспечения нормальной работы предприятий бытового обслуживания,
поливки
улиц, зеленых насаждений, противопожарных целей и др. Суммарный объем воды, используемый на нужды населения, определяется удельным водопотреблением
и численностью
населения.
Удельное водопотребление рассчитывается к а к суточный объем
воды в литрах, приходящийся на одного ж и т е л я города или поселка. Значения удельного водопотребления изменяются в широких пределах: от 200—600 л / с у т на 1 чел. в городах до 100-—
200 л/сут на 1 чел. в сельской местности, а при отсутствии водопровода 30—50 л/сут на 1 чел. Удельное водопотребление в городах зависит от степени благоустройства (наличия водопровода,
канализации, централизованного горячего водоснабжения и т. д.)
в соответствии с действующими нормативами (табл. 1.4).
В крупных благоустроенных городах земного ш а р а в настоящее время удельное водопотребление
составляет: Москва и
Нью-Йорк — 600 л / с у т на 1 чел., П а р и ж и Л е н и н г р а д — 500, Лонд о н — 263 л / с у т на 1 чел. (Беличенко, Швецов, 1986).
Постоянный рост водопотребления связан к а к с ростом численности населения на земном шаре, т а к и с ростом благоустройства городов и поселков. Так, если с 1900 по 1950 г. водопотребление возросло в три р а з а , то с 1950 до 2000 г. оно увеличится более чем в семь раз [2]. Суммарное водопотребление в целом по
земному шару в 1970 г. составило 120 км 3 воды.
166:
Общий расход воды ( л / с ) д л я
обеспечения
хозяйственнопитьевых н у ж д населения может быть определен по формуле
п
МдяКчКсу?
86,4-Ю 3 •
/1 ,ч
где N — численность населения на перспективу; qH — среднесуточная норма водопотребления, л; Key? — коэффициент суточной неравномерности; Кч — коэффициент часовой неравномерности.
Таблица 1.4
Нормы хозяйственно-питьевого водопотребления
в населенных пунктах СССР
Н о р м а в о д о п о т р е б л е н и я на 1
жителя, л/сут
Степень
благоустройства
зданий
Водопровод, канализация, централизованное
горячее водоснабжение
Водопровод, канализация, наличие ванн с газовыми колонками
Водопровод, канализация (без ванн)
Без водопровода и канализации
Коэффициенты неравномерности
средняя
максимальная
^сут
275—400
' 300—420
1,09—1,05
1,25—1,20
180—230
200—250
1.11—1,09
1,30—1,25
125—150
140—170
1.12—1,13
1,50—1,40
30—50
40—60
1,33—1,20
2,00-1,80
Д л я количественной характеристики
использования
водных
ресурсов в а ж н о знать не только суммарный объем забора воды,
но и безвозвратное водопотребление. Безвозвратное водопотребление рассчитывается обычно в % от объема забранной воды и зависит от вида водопользования воды, объема водоподачи И местных физико-географических условий.
При использовании воды населением большая
часть
воды
после ее использования возвращается в гидрографическую сеть
в виде сточных вод, остальная часть расходуется на испарение
(безвозвратные потери).
В С Щ А и С С С Р доля безвозвратного водопотребления
составляет 10—20 % объема водозабора, в странах З а п а д н о й Евр о п ы 5 — 1 0 %. При обеспечении сельского населения доля безвозвратного водопотребления значительно выше (20—40 % от вод о з а б о р а ) и зависит к а к от его объема, т а к и от климатических
условий, наличия к а н а л и з а ц и и и т. д.
В целом д л я земного ш а р а объем безвозвратного водопотребления, например, в 1970 г. оценивался в 20 км 3 , что составляло
примерно 17 % полного забора воды д л я этих целей [I1].
167:
Водоснабжение промышленности.
Потребности
промышленности в воде колеблются в широких пределах и зависят не только
от отрасли, но и от применяемой технологии производственного
процесса, принятой системы водоснабжения (прямоточной
или
оборотной), климатических У С Л О В И Й и т. д.
водоснабжения
промышленного
предприятия вода из водного источника подается к отдельным
объектам производственного комплекса, используется в процессе
производства продукции, затем по канализационным линиям поступает на очистные сооружения, после чего сбрасывается в водоток или водоем на соответствующем расстоянии от водозабора.
При прямоточной системе водоснабжения расходуется большое
количество воды, однако безвозвратное водопотребление мало.
< Щ Г оборотной^ системе^ водоснабжения
отработанная
вода
после очистки не сбрасывается в водоем, а многократно используется в процессе производства, подвергаясь регенерации после
к а ж д о г о производственного цикла. Расходы воды при этой схеме
водоснабжения невелики и определяются расходом, необходимым
д л я восполнения безвозвратного водопотребления в процессе производства и регенерации, а т а к ж е периодической замены воды
в оборотных циклах. Например, если тепловая станция
мощностью 1 млн кВт при прямоточном водоснабжении ежегодно потребляет 1,5 км 3 воды, то при оборотной системе водоснабжен и я — только 0,12 км 3 , т. е. в 13 р а з меньше.
Зависимость объемов промышленного водопотребления от климатических условий следующая: к а к правило, предприятия одной
и той ж е отрасли, расположенные в северных районах, потребляют значительно меньше воды, чем предприятия, расположенные
в южных районах с высокой температурой воздуха.
Д л я оценки объемов промышленного водопотребления используется понятие «водоемкость производства». Водоемкость произв о д с т в а — это количество воды (м 3 ), необходимое д л я производства 1 т готовой продукции. Водоемкость различных видов производства колеблется в широких пределах ( м 3 / с ) :
Добыча и обогащение руды
Производство
проката
чугуна
целлюлозы
вискозного шелка
химического волокна
2—4
10—15
40—50
400—500
1000—1100
2000—3000
Однако главнейшим водопотребителем в промышленности выступает теплоэнергетика, которая требует огромного количества
воды д л я охлаждения агрегатов. Еще большее количество воды
требуется д л я выработки электроэнергии на атомных станциях
(в 1,5—2 р а з а больше, чем на тепловых).
XX век характеризуется все ускоряющимся ростом использования воды промышленностью. Так, если в 1900 г. во всем мире
168:
для нужд промышленности использовалось 30 км3 воды, то
в 1950 г. уже 190 км3, в 1970 г. — 510 км3, а в 2000 г. ожидается
потребление 1900 км3! Это объясняется как быстрыми темпами
роста промышленного производства во всех странах, так и появлением новых, чрезвычайно водоемких производств, таких, как
целлюлозно-бумажная и нефтехимическая промышленность, теплоэнергетика, на долю которых сегодня приходится 80—90 %
всего промышленного водозабора. Однако доля безвозвратного
водопотребления в промышленности невелика и составляет 5—
10% от объема водозабора, а в теплоэнергетике она еще
меньше — 0,5—2 % •
Водопотребление сельским хозяйством. Сельское хозяйство
в настоящее время является одним из основных потребителей
воды, что связано в первую очередь с увеличением
площадей
орошаемого земледелия. Его развитие диктуется необходимостью
обеспечения человечества продуктами питания. Несмотря на то
что в настоящее время орошается немногим более 15 % площади
всех сельскохозяйственных земель, доля
сельскохозяйственной
продукции с орошаемых земель составляет более 50 % всей продукции в стоимостном выражении. В условиях быстрых темпов
роста населения и острого недостатка продуктов питания, который испытывает сейчас 2 / 3 жителей Земли, орошению отводится
все большая роль в повышении эффективности земледелия.
Площадь орошаемых земель в мире постоянно
возрастает:
если в начале XX в. она составляла 40 млн. га, то к 1970 г. она
достигла 235 млн. га, т. е. увеличилась в шесть раз, а прогнозная
цифра на 2000 г. составляет 420 млн. га.
Суммарные затраты воды на орошение зависят от площади
орошаемых земель, удельного водопотребления, вида сельскохозяйственных культур и количества возвратных вод. Удельное водопотребление выражается в м 3 воды, расходуемой на орошение
1 га земли.
В нашей стране для основных культур приняты следующие
пределы оросительных норм:
Культура
Хлопчатник
Сахарная свекла
Зерновые
Многолетние травы
Рис
Оросительная система, м3/га
5 000—8 000
2500—6 000
1 500—3 500
2000—8 000
8 000—15 000
Удельное водопотребление и количество возвратных вод зависят от физико-географических условий района, состава выращиваемых сельскохозяйственных культур, технического
состояния
оросительных систем и применяемого способа полива.
Количество возвратных вод выражается в % от водозабора.
169:
Безвозвратные потери воды при орошении (за счет испарения)
достигают огромных значений. По данным различных ' авторов,
они колеблются от 20 до 60 % от водозабора.
Общий объем воды, расходуемой у нас в стране на орошение,
составляет 136 км 3 /год, что соответствует 57 % общего водопотребления или 7 5 % сельскохозяйственного водопотребления.
Суммарное водопотребление сельским хозяйством в мире постоянно растет: в начале века оно составляло 350 км 3 /год,
в 1970 г. 1900 км 3 /год, а к 2000 г. будет составлять 3400 км 3 /год.
Водохранилища. Создание водохранилищ приводит к коренному преобразованию распределения речного стока во времени,
к увеличению водных ресурсов р а й о н а в лимитирующие периоды
и в маловодные годы. Вместе с тем в результате затопления больших территорий водохранилища значительно увеличивают испарение с водной поверхности (особенно в районах недостаточного
у в л а ж н е н и я ) , что приводит к уменьшению суммарных
водных
ресурсов региона. В данном случае водохранилища выступают
в качестве одного из потребителей воды. Число
водохранилищ
в нашей стране, к а к и во всем мире, непрерывно растет. К настоящему времени в разных районах
С С С Р сооружено около
1000 водохранилищ объемом более 1 млн. м 3 каждое, в том числе
150 водохранилищ объемом свыше 100 млн. м 3 . С у м м а р н а я площ а д ь водного з е р к а л а водохранилищ в С С С Р
превышает
65 тыс. км 2 .
Дополнительные потери на испарение в результате создания
водохранилищ рассчитываются по разности значений испарения
с водного зеркала водохранилища и с той ж е территории до затопления. Так, д л я трех крупных водохранилищ в нашей стране
получены следующие значения дополнительных потерь воды на
испарение ежегодно:
Водохранилище
Куйбышевское
Волгоградское
Бухтарминское
П о т е р и 3в о д ы ,
км
1,2
1,1
1,5
Рост числа водохранилищ и соответствующее увеличение площ а д и их з е р к а л а приводит к постоянному увеличению
потерь
воды на испарение (водопотребление водохранилищами).
Динамика этих потерь в С С С Р и США показана в табл. 1.5.
Водопотребление водохранилищами д л я земного ш а р а в целом оценивалось на 1970 г. в 70 км 3 , а на 2000 г. — в 240 км 3 .
Суммарное водопотребление. Поскольку основным источником
д л я водообеспечения многочисленных нужд человечества являются поверхностные воды, главным образом возобновимые водные
170:
ресурсы, т. е. сток рек, интересно сопоставить современные и перспективные объемы водопотребления с суммарным стоком рек.
В нашей стране суммарный годовой сток рек
оценивается
в 4720 км 3 , суммарное водопотребление в середине 80-х годов
составляло 335 км 3 и к 2000 г. достигнет 800 км 3
(Беличенко,
Таблица 1.5
Потери воды ( к м 8 / г о д ) на испарение с поверхности
Страна
СССР
США
водохранилищ
1940 г.
1950 г.
1970 г.
2000 г.
0,5
1.0
2,0
2,0
14,0
13,0
22,0
25,0
Швецов, 1986). Сопоставление имеющихся ресурсов и объемов
водопотребления показывает, что сегодня мы расходуем
примерно 7 % ежегодного стока рек, а к 2000 г. будем расходовать
17 %• Примерно таков ж е порядок этих величин и д л я всей
З е м л и (табл. 1.6).
Таблица 1.6
Суммарный г о д о в о й сток рек и
водопотребление
Водопотребление, % от стока
Континент
Суммарный
годовой сток
рек, км 3
полное
безвозвратное
безвозвратное
2000 Г.
1970 г.
Евразия
Европа
Азия
Африка
Северная Америка
Ю ж н а я Америка
Австралия (включая
Океанию)
Вся Земля
полное
3 210
14 410
4 570
8 200
11760
2 390
10,0
10,4
2,8
6,6
0,6
1,0
3,1
7,6
2,2
2,0
0,4
0,5
23,0
22,7
3,3
15,8
2,6
2,5
7,5
13,9
5,5
3,4
1,1
1,2
44 540
5,8
3,4
13,0
6,7
1.4. Качественные и количественные изменения
водных ресурсов под влиянием хозяйственной деятельности
Качество вод обусловлено к а к ' природными, т а к и антропогенными факторами. В результате интенсивного использования
водных ресурсов не только изменяется количество воды, пригодной д л я той или иной области хозяйственной деятельности, но и
происходит изменение составляющих водного баланса, гидрологического р е ж и м а водных объектов и, самое главное, изменяется
ее качество. Объясняется это тем, что большинство рек и озер
171:
является одновременно источниками водоснабжения и приемниками хозяйственно-бытовых, промышленных и сельскохозяйственных стоков. Это привело к тому, что в наиболее обжитых районах
земного ш а р а в настоящее время не осталось крупных речных
систем с естественным гидрологическим режимом и химическим
составом, не нарушенным антропогенной деятельностью.
Основными видами хозяйственной деятельности,
оказывающими наибольшее влияние на качественные и количественные изменения водных ресурсов, являются: водопотребление на промышленные и коммунальные нужды, сбросы отработанных вод, переброска стока, урбанизация, создание водохранилищ, орошение и
обводнение засушливых земель, осушение, агролесомелиоративные мероприятия и т. д. При этом на к а ж д о м водосборе могут
одновременно действовать если не все, то многие из перечисленных факторов. В связи с этим при водохозяйственном планировании и регулировании качества воды оказывается необходимым
учитывать влияние к а ж д о г о из этих факторов в отдельности и
всех вместе. При рассмотрении к а ж д о г о фактора сталкиваются
. с двумя вопросами — изменение гидрологического режима и объема стока и качественные изменения водных ресурсов. В результате антропогенного воздействия происходит загрязнение природных вод, т. е. изменение их состава и свойств, приводящее к ухудшению качества воды д л я водопользования. Н а и б о л ь ш у ю опасность д л я природных вод и живых организмов
представляют
радиоактивные отходы. З а г р я з н е н н а я вода может Стать непригодной д л я определенных водопользователей. Вот почему при оценке
влияния хозяйственной деятельности на водные ресурсы необходимо учитывать не только их количественные, но и качественные
изменения.
Промышленность.
Особенностью использования воды в промышленности является то, что ее п о д а в л я ю щ а я часть после использования в процессе производства возвращается в реки и озера
в виде сточных вод. Безвозвратное водопотребление
составляет
незначительную часть от водозабора (5—10 %) и не может существенно сказаться на количественном изменении водных ресурсов
крупных районов. Качество ж е воды в водном источнике под
влиянием промышленных стоков меняется очень
существенно,
т. е. сброс отработанных сточных вод приводит к загрязнению водотоков и водоемов.
Количество и состав загрязняющих веществ в промышленных
сточных водах зависят от вида производства, исходного
сырья,
различных добавочных продуктов, участвующих в технологических процессах.
Кроме того, состав сточных вод конкретного производства зависит от принятой на данном производстве технологии, от вида
и совершенства производственной аппаратуры и т. д. Состав
сточных вод промышленности многообразен, и д а ж е д л я одного
и того ж е производства колеблется в весьма широких пределах.
172:
С появлением новых отраслей промышленности
(нефтехимической, органического синтеза и т. д.), с ростом
использования
новых химических соединений происходит дальнейшее
увеличение промышленных сточных вод и усложнение их состава.
Наиболее интенсивно загрязняют поверхностные воды такие
отрасли промышленности, к а к
металлургическая,
химическая,
целлюлозно-бумажная, нефтеперерабатывающая. Основными загрязняющими' веществами в сточных водах этих отраслей промышленности являются: нефть, фенолы, цветые металлы, сложные химические соединения. По результатам наблюдений, выполненных в последние годы, поверхностные воды страны оказались
загрязненными нефтепродуктами в 80 % всех случаев наблюдений, фенолами — в 60 %, т я ж е л ы м и металлами — в 40 % случаев.
Н е ф т ь и нефтепродукты не являются естественными компонентами состава воды рек и водоемов, поэтому их появление в водных объектах можно рассматривать к а к загрязнение.
Наличие
в воде нефтепродуктов о т р а ж а е т с я на развитии икры и мальков
рыб, на численности и составе кормовых ресурсов рек, на качестве и пригодности в пищу промысловой
рыбы.
Образование
пленки на поверхности воды снижает самоочищающие
способности водоемов. Биохимическое р а з л о ж е н и е нефтепродуктов в поверхностных водах протекает очень медленно. Скорость биохимического окисления зависит от многих
факторов:
температуры
воды, наличия в воде кислорода и биогенных веществ, от химического состава сбрасываемых нефтепродуктов, наличия в воде высшей растительности и т. д. Однако д а ж е при благоприятных условиях р а з л о ж е н и е взвешенной и растворенной в воде нефти (ее
р а с п а д и -Удаление из водоема) происходит не быстрее чем за
100—150 дней. •
З а г р я з н е н и е поверхностных вод
фенолами
(обычно имеют
в виду одноатомные летучие фенолы, являющиеся наиболее токсичными в этой группе соединений) приводит к нарушению биологических процессов, протекающих в водных объектах.
В результате работы химических предприятий в водоемы попадает большое количество разнообразных по составу и свойствам органических соединений, в том числе ранее не существовавших в природе. Ч а с т ь этих веществ исключительно активна
в биологическом отношении, они с трудом поддаются биологической очистке, действию физических реагентов, т. е. трудноудалимы из стоков. Среди этих веществ особое место занимают синтетические моющие средства — детергенты, производство которых
интенсивно развивается во всех странах. По исследованиям, выполненным в США, установлено, что применение детергентов привело к значительному увеличению содержания фосфатов в реках
США, а это вызвало интенсивное развитие в них водной растительности, к цветению рек и водоемов, к истощению кислорода
в водной массе. Д р у г о й отрицательной чертой детергентов является то, что они чрезвычайно затрудняют работу канализацион173:
ных сооружений, замедляя процессы коагуляции при
очистке
воды на водопроводных станциях.
Весьма неблагоприятное воздействие на реки и водоемы оказывают сточные воды, содержащие
значительное
количество
цинка и меди. Содержание меди и цинка в незагрязненных водоемах невелико и зависит от физико-географических
условий
формирования химического состава воды, сезонных
колебаний
температуры и гидрологического режима реки. Содержание меди
в природных водах составляет 1—10 мкг/л,
а
цинка — 1—
30 мкг/л. Увеличение концентрации этих веществ в водах реки
или водоема приводит к замедлению процессов
самоочищения
воды от органических соединений, к угнетению
биологической
жизни водоема. Положение усугубляется тем, что медь и цинк
не удаляются полностью из водоема, а меняются лишь формы и
скорость их миграции. Таким образом, при сбросе сточных вод,
содержащих эти тяжелые металлы, следует рассчитывать на снижение их концентрации только за счет разбавления.
Особым видом промышленного загрязнения водоемов является
тепловое загрязнение, обусловленное выпуском теплых
вод от
различных -энергетических установок. Огромное количество тепла,
поступающего с нагретыми сбросными водами в реки, озера и
искусственные водохранилища, оказывают существенное влияние
на термический и биологический режим водоемов. Наблюдения,
проводившиеся в зоне воздействия теплых вод, показали,
что
в этой зоне нарушаются условия нереста рыб, может гибнуть зоопланктон, повышается зараженность рыб паразитами и т. д.
Интенсивность влияния теплового загрязнения зависит от температуры нагревания воды. Д л я лета выявлена следующая характерная последовательность воздействия повышенных температур
воды на биоценоз озер и искусственных водремов:
— при температуре до 26 °С не наблюдается вредного воздействия;
— в пределах 26—30 °С наступает состояние угнетения жизнедеятельности рыб;
— свыше 30 °С наблюдается вредное воздействие на биоценоз;
— при 34—36 °С возникают летальные условия д л я рыб и некоторых видов других организмов.
Создание различных охладительных устройств для сброса вод
тепловых электростанций при огромном расходе этих вод приводит к значительному удорожанию строительства и эксплуатации
последних. В связи с этим изучению влияния теплового загрязнения уделяется в последнее время большое внимание.
Хозяйственно-бытовые (коммунальные) сточные воды составляют примерно 20 % всего объема стоков, поступающих в поверхностные водоемы (70—80 % приходится на долю промышленных сточных вод). Однако если объемы промышленных стоков и
174:
количество загрязняющих веществ в них могут быть уменьшены
(за счет внедрения оборотного водоснабжения, изменения технологии производства и т. д.), то д л я хозяйственно-бытовых стоков
х а р а к т е р н о постоянное нарастание их объема, обусловленное ростом численности населения, увеличением водопотребления, улучшением санитарно-гигиенических условий жизни в современных
городах и населенных пунктах.
Количество загрязняющих веществ в
хозяйственно-бытовых
стоках относительно стабильно (объем
загрязнений,
приходя-
Таблица 1.7
Допустимое загрязнение бытовых сточных вод на 1 жителя
Ингредиенты и показатели
Взвешенные вещества
Азот аммонийных солей (N)
Фосфаты (Р2О5)
в том числе от моющих веществ
Хлориды
БПК5 в осветленной жидкости
БПКполн в осветленной жидкости
Окисляемость (по Кубелю) (02)
Загрязненность, г / с у т
65
8
3,3
1,6
9
35
40
5—7
щихся на 1 ж и т е л я ) , что позволяет рассчитывать объемы сбрасываемых загрязнений в зависимости от числа жителей, объема
водопотребления, социально-экономического у к л а д а и т. д.
Средние нормы загрязнения в расчете на 1 ж и т е л я д л я С С С Р
приведены в т а б л . 1.7.
Стабильность состава коммунальных стоков позволяет прогнозировать качество воды в водоприемнике в зависимости от его
водности и гидрологического р е ж и м а , определяющих его способность к самоочищению, а т а к ж е от количества загрязнений, определяемых численностью населения.
В настоящее время д а ж е на очень крупных реках ниже больших городов наблюдается интенсивное загрязнение, что объясняется особыми свойствами
бытовых стоков — наличием в
них
большого количества различных бактерий (главным образом кишечных). Бытовые стоки привлекают к себе особое
внимание
в силу своих бактериальных свойств — они могут явиться причиной возникновения инфекционных заболеваний.
Урбанизация. П о д урбанизацией понимают процесс концентрации населения и производственных сил в городах. Процесс у р б а низации тесно связан с ростом численности населения и научнотехнической революцией. Интенсивность этого процесса резко усилилась во второй половине XX в. Н а ч и н а я с 1950 г. темпы роста
городского населения опережают темпы роста сельского населения. Так, если в 1960 г. при общей численности населения Земли
175:
около 3 млрд. чел. городские и сельские жители делились примерно в пропорции 1 : 2, то к 2000 г. большая часть населения
Земли будет проживать в городах ![2].
Концентрация населения, промышленности, строительства на
ограниченных площадях (в развитых странах площади, занятые
городами и поселками городского типа, составляют до 5 % площ а д и этих стран) приводит к изменению всех основных элементов
природной среды: воздушного бассейна, почвенного и растительного покрова, грунтовых и поверхностных вод. П р и рассмотрении изменений водных ресурсов на урбанизированной территории следует выделить два основных вопроса: под влиянием каких
факторов и к а к изменяется качество поверхностных вод и каким
образом изменяется водный баланс и водный режим рек (т. е.
рассмотреть качественные и количественные изменения водных
ресурсов под влиянием у р б а н и з а ц и и ) .
Г 4 Изменение качества природных вод на урбанизированной терр и т о р и и обусловлено тем, что в пределах города
формируется
огромное количество сточных вод промышленного и хозяйственно/бытового использования, которые поступают в водные объекты,
] а т а к ж е в подземные воды в черте города или вблизи него.
Кроме того, большое количество загрязнений поступает в водные
источники с поверхностным стоком с городской территории (так
называемые поливо-моечные воды) и с атмосферными осадками
(ливневой сток).
Влияние промышленных и хозяйственно-бытовых стоков на кач е с т в о вод было рассмотрено выше.
Влияние ливневого стока и поливо-моечных вод на качество
вод водоемов весьма существенно. Эти воды содержат большое
количество минеральных и органических веществ, а общее количество загрязненных веществ в этих водах оценивается в 8—
15 % от суммарного количества веществ, поступающих с хозяйственно-бытовыми стоками с той ж е территории
(Беличенко,
Швецов, 1976).
р
Совместное влияние
промышленных,
хозяйственно-бытовых,
ливневых и моечных вод приводит к следующим основным изменениям состава природных вод на урбанизированной территории:
увеличивается концентрация растворенных органических и биогенных веществ; резко снижается содержание растворенного кислорода; характерным з а г р я з н я ю щ и м веществом становятся синтетические поверхностно-активные вещества ( С П А В ) , интенсивно
используемые к а к в промышленности, т а к и в быту; усиливается
бактериальное загрязнение.
Количественные изменения водных ресурсов на урабанизировайной территории обусловлены п р е ж д е всего увеличением потребления воды населением и промышленностью.
Возросшие потребности в воде могут удовлетворяться к а к за
счет местных ресурсов, т а к и за счет привлечения ресурсов из-за
пределов 1<ге&жот„..в,а.щсйор^
изменение водных
ресурсов). Вторым в а ж н ы м ф а к т о р о м ш в л я е т с я наличие на урба176:
визированной территории больших участков
водонепроницаемых
или малопроницаемых площадей (здания, дорожные
покрытия,
промышленные и хозяйственные строения), которые
препятствуют инфильтрации и приводят к увеличению
коэффициентов
стока и, как следствие, к перераспределению подземных и поверхностных составляющих водных ресурсов.
Все это приводит к тому, что сток с урбанизированной территории резко отличается от стока с естественных водосборов. Р а з личия в той или иной мере касаются объема годового стока, максимальных и минимальных расходов воды, соотношений между
поверхностной и подземной составляющими стока.
Годовой сток с урбанизированной территории может на 10 %
и более превышать сток с не урбанизированной местности (без
привлечения дополнительных ресурсов со стороны).
Причиной
этого увеличения являются более высокие коэффициенты стока и
меньшие безвозвратные потери, связанные с
инфильтрацией,
а т а к ж е увеличение количества осадков в городах.
В тех ж е случаях, когда водоснабжение осуществляется из
водоносных горизонтов, не дренируемых рекой, или за счет переброски вод из других районов, а сбрасываемые воды поступают
в реку, то русловой сток может увеличиться в несколько раз.
Наиболее резко урбанизация сказывается на изменении объемов и продолжительности паводочных расходов, что т а к ж е обусловлено изменением коэффициентов стока в пределах городской
территории.
Наибольшая разница между расходами паводков на естественных и урбанизированных водосборах наблюдается при их малых
и средних значениях, когда расхождения в коэффициентах стока
являются максимальными. При ливневых расходах редкой повторяемости различия в паводочных расходах уменьшаются
(поскольку в этих условиях коэффициенты стока естественной поверхности и искусственных покрытий близки).
Характер влияния урбанизации на меженный сток зависит от
того, какие источники используются для водоснабжения. В тех
случаях когда водоснабжение ведется из местных
источников,
наиболее вероятным является уменьшение меженного
стока
ввиду снижения инфильтрации дождевых и талых вод. Повышение меженного стока может происходить в случае водообеспечения города из источников, расположенных за пределами данного
водосборного бассейна, тогда как сброс сточных вод осуществляе т с я .в его пределах^
Влияние мелиоративных мероприятий. Необходимость обеспечения человечества продуктами питания приводит к постоянному
расширению объема мелиоративных мероприятий, направленных
на вовлечение в сельскохозяйственное производство новых зем е л ь — как засушливых, т а к и сильно увлажненных. Как орошение, т а к и осушение оказывают существенное влияние на естественные ресурсы пресных вод мелиорируемых территорий, однако
12
Заказ Na 33
177
х а р а к т е р и интенсивность этого влияния различны в зависимости
от вида осуществления мероприятия. Целесообразно раздельно
рассмотреть влияние орошения и осушения на изменение водного
баланса, р е ж и м а водных объектов, изменение качества поверхностных вод на мелиорируемых—т-ер-рихораях.
—
р
о шение оказывает н а и б о лее^су щественносГвлияние на водный режим и водные ресурсы территории. П о д
влиянием орошения изменяются среднегодовой сток, его внутригодовое распределение, экстремальные значения стока (особенно
минимальное). Вынос солей с орошаемых массивов приводит к повышению минерализации воды в реках, к изменению их химического состава. Характер и интенсивность изменения
названных
характеристик зависит от многих условий: физико-географических,
гидрологических,
гидрохимических
и д а ж е технических (метода орошения, технического
состояния
оросительных
систем
и т. д.).
Влияние орошения на перечисленные характеристики речного
стока различно для малых рек, питающихся в основном поверхностным стоком, и д л я крупных речных систем, дренирующих все
категории подземных вод.
Н а малых водосборах в аридной зоне забор воды на орошение
практически полностью затрачивается на испарение, что приводит
к резкому снижению или полному прекращению стока малых рек.
Н а крупных реках после использования вод на орошение сток
может несколько уменьшиться или д а ж е остаться без изменений.
Последний вариант может иметь место на водосборах, где одновременно с орошением осуществляются другие хозяйственные мероприятия (уничтожение дикорастущей растительности, уменьшение разливов рек и сокращение продолжительности
затопления
поймы и др.), способствующие уменьшению испарения и компенсирующие увеличение испарения на орошаемых площадях. Однако такое незначительное изменение стока крупных рек орошаемых районов может иметь место лишь до известного
предела
(в зависимости от местных физико-географических условий, наличия компенсационных факторов, площади орошаемых земель
в бассейне реки и т. д.), после чего сток начинает резко сокращаться.
Снижение стока под влиянием орошения существенно различается в разные по водности годы. Во в л а ж н ы е годы это уменьшение незначительно, а в засушливые — сток рек снижается более интенсивно.
Влияние орошения на внутригодовое распределение стока и
его экспериментальные значения сказывается следующим образом — снижается сток в вегетационный период (за счет увеличения потерь воды на транспирацию) и увеличивается сток осенью
и зимой, когда происходит приток воды с орошаемых массивов
в гидрографическую сеть.
Изменение химического состава и качества воды_ рек в районах орошаемого земледелия обусловлено выносом солей с оро178:
шаемых массивов. Количество солей, поступающих
в реки, составляет десятки, а в условиях сильно засоленных почв и сотни
тонн с 1 га. Вынос такого количества солей в реки значительно
повышает минерализацию воды в них и изменяет ее химический
состав. Степень увеличения минерализации зависит от соотношения расходов воды рек и расходов возвратных вод, от соотношения их минерализации, доли орошаемых земель в общей площади
водосбора реки и т. д.
Поступление в реку дренажно-коллекторных
вод приводит
к увеличению минерализации воды в ней. При этом
влияние,
о к а з ы в а е м о е стоком с орошаемых массивов, прямо пропорционально их доле в площади водосбора. Яркими примером
роста
минерализации воды в реке с увеличением орошаемых площадей
в ее бассейне является р. Сырдарья. З а 25 лет площадь орошаемых земель в бассейне реки увеличилась на 800 тыс. га
(т. е.
в 1,5 р а з а ) , а минерализация воды возросла с 400 до 1000 м г / л ,
т. е. увеличилась в 2,5 р а з а ! Одновременно изменился и ионный
состав воды: ранее гидрокарбонатно-кальциевая вода стала сульфатно-натриевой, в воде увеличилось содержание хлора. Этот
пример иллюстрирует общую закономерность изменения минерализации и химического состава воды рек, в бассейнах_ которых
осуществляется орошение,
—
— С Д л и З ш т ^ о с у ш е н и я ^ В нашей стране в настоящее время осушено примерно Г0 млн. га болот и сильно увлажненных земель.
Влияние осушения сказывается главным образом на изменении
водного б а л а н с а мелиорируемой территории (меняются условия
стока с болот, снижаются уровни грунтовых вод, меняются влагозапасы в зоне аэрации и т. д.) и на изменении гидрологических
характеристик заболоченных рек (годового, максимального и минимального стока, его внутригодового распределения). При этом
осушительная мелиорация по-разному влияет на водный режим
рек в зависимости от климатических, почвенных, гидрографических условий водосбора, от степени его заболоченности, типа осушаемых болот, х а р а к т е р а мелиорации земель и т. д.; в одних случаях это влияние незначительно, в других проявляется
вполне
отчетливо. Несмотря на некоторую разноречивость результатов
исследований различных авторов, можно сделать следующие общие выводы в отношении тенденции изменения речного стока мелиорируемых водосборов в зонах избыточного и достаточного
увлажнения:
— в первые годы после осушения происходит, к а к правило,
увеличение годового и сезонного стока,
обусловленное
уменьшением суммарного испарения и сработкой
запасов
грунтовых вод;
— в дальнейшем при интенсивном освоении мелиорируемых
земель режим стока становится более выровненным, испарение (за счет транспирации) увеличивается, годовой сток
приближается к своей первоначальной величине;
12*
179
— модули максимального стока могут как увеличиваться, так
и уменьшаться.
Одним из главных факторов изменения максимальных расходов является характер изменения аккумулирующей емкости водосбора. В бассейнах рек, водосборы которых сложены хорошо водопроницаемыми породами, после осушения наблюдается снижение максимальных расходов, а в бассейнах рек, сложенных слабо
водопроницаемыми почво-грунтами, происходит некоторое их увеличение. Водно-физические свойства почво-грунтов
определяют
характер изменения объема стока весеннего половодья и внутригодовое распределение стока. Д л я бассейнов, сложенных хорошо
проницаемыми породами, снижение объема весеннего половодья
компенсируется повышением стока в межень, т. е. происходит
перераспределение стока в году.
Д л я определения снижения максимальных расходов под влиянием осушения рекомендуется следующая зависимость [3]:
6 = 1-0,016/м,
(1.2)
где б — коэффициент, учитывающий
снижение
максимального
расхода под влиянием осушительных мелиораций; f M — степень
мелиорированности бассейна, ,%.
Учет изменений максимальных расходов весеннего половодья
позволяет уменьшать размеры гидротехнических сооружений, что
приводит к уменьшению их стоимости.
В целом снижение максимальных расходов и увеличение
стока в меженные (лимитирующие) периоды
можно
оценить
как положительные изменения, вносимые осушительной мелиорацией.
Изменение качества воды в водохранилищах. Создание водохранилищ приводит к изменению гидрохимического режима и качества воды в них по сравнению с водой рек, на которых они сооружены.
Формирование гидрохимического режима водохранилищ и качество воды в них происходит под влиянием целого ряда факторов, среди которых основным является гидрохимия притока, изменение водного режима и биологические внутри водоемные процессы.
Основное влияние на изменение гидрохимического режима оказывает интенсивность водообмена воды в водохранилище (степень
проточности):
К = ^полн/^год,
где Wnoaa — объем водохранилища, WT0R — годовой сток. Чем
больше К, тем меньше изменения в режиме минерализации воды
в водохранилище по сравнению с водой, питающей его реки.
Между средней минерализацией воды в водохранилище X и в и
180:
средней минерализацией воды реки £ и р при
обмене { К > 1) имеется зависимость:
- 1 ^ = 0 , 9 9 - - ^ .
Д
L иР
различном
водо-
(1.8>
Зависимость позволяет при проектировании
водохранилища
рассчитать о ж и д а е м у ю минерализацию воды в нем (для конкретных значений j и р и К ) .
Изменение качества воды в водохранилищах обусловлено к а к
изменением водного р е ж и м а , т а к и биологическими внутриводоемными процессами. Уменьшение скоростей течения, увеличениепрозрачности, появление температурной и газовой стратификации
при увеличении в воде содержания органических и биогенных в е ществ (как за счет выщелачивания из затопленных почв, т а к и
в результате поступления с промышленными, коммунальными и
сельскохозяйственными стоками) приводит к резкому ускорении*
биопродукционных процессов в водохранилищах.
Обогащение воды биогенными веществами вызывает усиленноеразвитие / ^ т о п л а ш а щ щ приводящее к тому, что вода н а ч и н а е т
«цвести». Етати вода «цветет» сине-зелеными водорослями (характерными д л я умеренного и теплого к л и м а т а ) , то в ней образуются токсичные вещества, качество воды ухудшается, появляютсяпосторонние запахи, неприятных вкус. Вода становится непригодной д л я питья. В периоды отмирания большой массы микро- или
макрорастительности происходит еще более резкое
ухудшениекачества воды, снижается содержание растворенного кислорода,,
появляются неприятные запахи. Это явление (изменение качества
воды в результате нарушения естественного хода биологических:
процессов) получило название вторичного (биологического) загрязнения.
В настоящее время проблеме «цветения» воды уделяется большое внимание. Биологическими исследованиями доказано,
что»
сине-зеленые водоросли имеют в природе врагов и потребителей.
У ж е выделено свыше 20 вирусов, отрицательно действующих н а
развитие этих водорослей. Кроме того, ведутся
исследования'
в области изучения химических препаратов со
специфическим
токсическим действием на сине-зеленые водоросли.
Д л я сохранения качества воды в водохранилищах необходимо*
тщательно очищать его л о ж е от растительности и загрязнений п е ред затоплением, строго соблюдать сроки и нормы внесения у д о б рений на прилегающих территориях, всесторонне сокращать концентрации биогенных веществ в сточных водах, сбрасываемых
в водохранилища, располагать места сбросов в зонах с наибольшей проточностью и т. д.
181:
1.5. Мероприятия по защите поверхностных вод
от загрязнения
Под защитой вод от загрязнения понимают комплекс мероприятий, обеспечивающих нормальное состояние водных объектов
(в соответствии с существующим водным законодательством)
в условиях интенсификации водопользования. Осуществление этих
мероприятий требует решения целого ряда научных и технических
проблем, среди которых основными являются:
— нормирование качества воды, т. е. р а з р а б о т к а критериев их
пригодности д л я различных видов водопользования;
—• сокращение объемов сбросов загрязнений в водоемы, путем
совершенствования технологических процессов и улучшения
методов очистки сточных вод;
— изучение и учет процессов самоочищения сточных вод при
их выпуске в водоемы.
Совместное решение этих вопросов и их внедрение в практику
•водного хозяйства позволит осуществить з а д а ч у защиты водных
-ресурсов, их рационального использования, создаст условия д л я
экономического роста и повышения эффективности общественного
•производства.
Нормирование качества воды. В нашей стране нормирование
качества воды водоемов осуществляется в соответствии с «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами»
(1975 г.). Целью разработки и законодательного утверждения
-«Правил» является предупреждение и устранение существующего
загрязнения сточными водами рек, озер, водохранилищ," прудов,
искусственных каналов, используемых д л я хозяйственно-питьевого
водоснабжения и культурно-бытовых нужд населения, а т а к ж е д л я
рыбохозяйственных целей. В «Правилах» дифференцированы требования к составу и свойствам воды д л я к а ж д о г о вида водопольз о в а н и я и подчеркнуты принципы обязательности защиты всех водопользователей. В случаях одновременного использования водоемов
д л я различных н у ж д народного хозяйства следует исходить из бол е е жестких требований в ряду одноименных нормативов качества
воды. Особо отмечается, что запрещается сбрасывать в водоемы
сточные
воды, с о д е р ж а щ и е ценные отходы, производственное
сырье, реагенты и т. д., которые могут быть устранены путем рациональной технологии. Условия сброса сточных вод в водоемы
о п р е д е л я ю т с я с учетом степени возможного смешения, при этом
состав и свойства воды реки или водоема д о л ж н ы соответствовать нормативам в створе, расположенном на расстоянии 1 км от
'ближайшего пункта водопользования.
Общие требования к составу и свойствам воды д л я водотоков
литьевого или рекреационного назначения приведены в табл. 1.8,
•а д л я водоемов, используемых в рыбохозяйственных целях, —
а 82
Таблица 1.8
Общие требования к составу и свойствам воды водотоков
питьевого или рекреационного назначения
Показатели состава и свойств
воды водоема
Взвешенные вещества
Плавающие примеси
(вещества)
Запахи и привкусы
Окраска
Температура
рН
Минеральный состав
Растворенный кислород
Биохимическая потребность в кислороде
Возбудители заболева-
Ядовитые вещества
Д л я централизованного или
нецентрализованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, а т а к ж е д л я водоснабжения пищевых предприятий
Д л я купания, спорта и отдыха населения, а - т а к ж е в
черте населенных мест
Содержание взвешенных веществ не должно увеличиваться больше, чем на
0,25 мг/л.
|
0,75 мг/л
Д л я водоемов, содержащих в межень в 1 л воды
более 30 мг природных минеральных веществ, допускается увеличение содержания взвешенных веществ,
в воде в пределах 5 %
Взвеси со скоростью выпадения более 0,4 мм/с д л я
проточных водоемов и более 0,2 мм/с для водохранилищ к спуску запрещаются
На поверхности водоема не должны обнаруживаться плавающие пленки, пятна минеральных масел
и скопление других примесей
Вода не должна приобретать запахи и привкусы
интенсивностью более 2 баллов, обнаруживаемых
непосредственно или при
непосредственно
последующем хлорировании
Вода , не должна сообщать посторонних запахов и
привкусов мясу рыб
Не должна обнаруживаться в столбике высотой
20 см
|
10 см
Летом в результате спуска сточных вод не должна
повышаться более чем на 3°С по сравнению сосреднемесячной температурой воды в самый жаркий
за последние 10 лет месяц года
Не должна выходить за пределы р Н = 6 , 5 — 8 , 5
По плотному остатку
Нормируется по привене должен превышать
денному выше показа1000 мг/л, в том числе
телю «Привкусы»
хлоридов 350 мг/л и
сульфатов 500 мг/л
Содержание не должно быть менее 4 мг/л в любой
период года в пробе, отобранной до 12 ч
Полная потребность воды в кислороде при 20 °С
не должна превышать
3,0' мг/л
I
6,0 мг/л
Вода не должна содержать возбудителей заболеваний. Сточные воды, содержащие возбудителей заболеваний, должны подвергаться
обеззараживанию
после предварительной очистки. Возбудители заболеваний должны отсутствовать в воде после обеззараживания
биологически очищенных
бытовых:
сточных вод до коли-индекса
не менее 1000"
в 1 л при остаточной концентрации хлора не менее
1,5 мг/л
Не должны содержаться в концентрациях, могущих
оказать прямо или косвенно вредное действие на>
организм и здоровье населения
183:
в табл. 1.9. При питьевом или рекреационном использовании водных объектов нормируется 11 основных показателей состава и
•свойств воды, а д л я 420 ядовитых веществ установлены предельно
допустимые концентрации ( П Д К ) , которые могут иметь место
Таблица 1.9
Общие требования к составу и свойствам воды водоемов,
используемых в рыбохозяйственных целях
П о к а з а т е л и состава и
свойства водоема
Взвешенные вещества
Плавающие примеси
(вещества)
Окраска, запахи и .привкусы
Температура
Т>Н
Растворенный кислород
Биохимическая потребность в кислороде
Ядовитые вещества
Водоемы, используемые для
сохранения и воспроизводств а ц е н н ы х в и д о в рыб, о б л а дающих высокой чувствительностью к кислороду
Водоемы,- используемые
д л я всех д р у г и х рыбохозяйственных ц е л е й
Содержание взвешенных веществ по сравнению с их
количеством в природных водах не должно увеличиваться более чем на
0,25 мг/л
|
0,75 мг/л
Д л я водоемов, содержащих в межень в 1 л более
30 мг природных минеральных веществ, допускается
увеличение их содержания в воде в пределах 5 %.
Взвеси со скоростью выпадения более 0,4 мм/с для
проточных водоемов и более 0,2 мм/с для водохранилищ к сбросу запрещаются
На поверхности не должны обнаруживаться пленки
нефтепродуктов, масел, жиров и других примесей
Вода не должна приобретать посторонних запахов,
привкусов и окраски и сообщать их мясу рыб
Температура воды летом не должна повышаться
более чем на 3 °С, а зимой — на 5 °С
Не должна выходить за пределы рН=6,5—8,5
В зимний (подледный) период содержание не должно быть ниже
6,0 мг/л
|
4,0 мг/л
В летний (открытый) период во всех водоемах должно быть не ниже 6 мг/л в пробе, отобранной до
12 ч
Полная потребность воды в кислороде (при 20 °С)
не должна превышать 3,0 мг/л. Если зимой содержание растворенного кислорода в воде снижается
до 6,0 мг/л
|
до 4,0 мг/л
то можно допустить сброс в них только тех сточных вод, которые не изменяют БПК воды
Не должны содержаться в концентрациях, могущих
прямо или косвенно оказать вредное воздействие на
рыб и водные организмы, служащие кормовой базой для рыб
в водоеме в контрольном створе. Д л я водоемов, используемых
в рыбохозяйственных целях, нормируется 8 основных показателей
и приведены П Д К д л я 72 ядовитых веществ.
Предельно допустимые концентрации ядовитых веществ устан а в л и в а ю т с я санитарными врачами и биологами и у т в е р ж д а ю т с я
высшими инстанциями. Все ядовитые вещества по своему влиянию
н а организм человека и на ж и з н ь водоема делятся на три категории (лимитирующие показатели вредности — Л П В ) :
384:
— вещества, изменяющие органолептические свойства
воды
(цвет, запас, вкус);
— вещества, влияющие на общесанитарное состояние в о д о е м а
(в частности, на скорость протекания процессов самоочищения);
— вещества, о к а з ы в а ю щ и е влияние на организм человека и:
обитающих в водоеме животных (токсичные вещества).
В « П р а в и л а х охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами» указывается, что содержание к а ж д о г о ядовитоговещества в воде водоема не д о л ж н о превышать П Д К - Если ж е
в составе сточных вод содержится несколько ядовитых веществ, тод л я расчета их допустимой концентрации в воде водоема подходят
по-разному, в зависимости от того, относятся ли они к одной или
различным категориям по Л П В . Если ядовитые вещества относятся к различным Л П В , то к а ж д о е из них может иметь концентр а ц и ю равную предельно допустимой. Если ж е ядовитые веществаотносятся к одной категории по Л П В , то их концентрация д о л ж н а
быть уменьшена таким образом, чтобы сумма их отношений:
к своим П Д К не превышала единицы:
пдк, + пдк, + • • • + ПДК„ ^
L
П р и решении вопроса о возможности спуска сточных вод в водоем выполняется оценка его санитарного состояния по ф о р м у л е
(1.4). Если 2 ПЖГ
больше единицы, то сброс промышленных сто-
ков в водный объект в планируемой концентрации запрещается..
Расчет кпнттентрятшй з а г р я з н я ю щ и х веществ в контрольном:
створе осуществляется с учетом кратности разбавления п. которая:
рассчитывается по зависимости
П
~
Q p + QCT
QCT
'
(L5>
где Q p — среднемесячный расход 95 %-ной обеспеченности, м 3 /с;.
QCT — расход промышленных стоков, м 3 /с.
С учетом кратности разбавления концентрация в контрольном:
створе (Срасч) будет равна
Срасч ~
~—•
(1.6)»
Здесь С с т — концентрация рассматриваемого ингредиента в сточных водах.
Расчетная концентрация в контрольном створе сравнивается
с П Д К для оценки возможности или невозможности сброса промышленных стоков в данный водный объект. Несоответствие СраСч
нормативным требованиям приводит к необходимости увеличения:
степени очистки, уменьшения объема сточных вод, устройства на185:
.копателей и с б р о с а при благоприятных гидрологических у с л о в и я х
и т. д. Р е ш е н и е этих вопросов о с у щ е с т в л я е т с я
при
совместном
рассмотрении всех мер по о х р а н е природы — уменьшении количес т в а загрязнений, учете процессов самоочищения, контроле за соб л ю д е н и е м правил о х р а н ы и т. д.
Инженерные методы защиты вод. Техническая политика в вопросе о х р а н ы вод сочетает в себе рациональное использование
водных р е с у р с о в с максимальным снижением загрязнения водных
источников, обеспечивающее с н а б ж е н и е народного х о з я й с т в а водой
в н у ж н о м количестве и т р е б у е м о г о к а ч е с т в а . И н ж е н е р н ы е методы
охраны
вод в к л ю ч а ю т
в себя не только р а з р а б о т к у методов
•очистки сточных вод, но и совершенствование технологии производства, позволяющей сократить или полностью исключить поступление загрязнений в водные объекты. Т а к и е мероприятия, к а к
с о з д а н и е технологических схем, полностью и с к л ю ч а ю щ и х
сброс
сточных вод в реки и водоемы, внедрение з а м к н у т о г о или оборотного в о д о с н а б ж е н и я , утилизация о т х о д о в производства,
замена
в о д я н о г о о х л а ж д е н и я воздушным, передача о т р а б о т а н н ы х вод на
д р у г и е предприятия, п р е д ъ я в л я ю щ и е более «мягкие» т р е б о в а н и я
к к а ч е с т в у воды, д о л ж н ы играть с а м у ю с у щ е с т в е н н у ю роль в предо т в р а щ е н и и загрязнения рек и водоемов. .
Очистка сточных вод является вынужденным и д о р о г о с т о я щ и м
мероприятием, обусловленным тем, что в н а с т о я щ е е время технологические процессы на промышленных предприятиях е щ е недос т а т о ч н б совершенны в отношении использования воды. С е г о д н я
о ч и с т к а сточных вод р а с с м а т р и в а е т с я к а к основной способ о х р а н ы
вод от загрязнения.
П р о б л е м а очистки сточных вод предприятий и населенных пункт о в перед их спуском в водоем я в л я е т с я весьма сложной в связи
с большим разнообразием з а г р я з н я ю щ и х
веществ,
появлением
в их с о с т а в е новых соединений, постоянным у с л о ж н е н и е м их сос т а в а . Сточные воды можно разделить на д в е большие группы —
п р о м ы ш л е н н ы е и хозяйственно-бытовые, отличающиеся д р у г от
д р у г а по своим с в о й с т в а м и с о с т а в у .
М е т о д ы очистки сточных вод, применяемые в н а с т о я щ е е время
в нашей стране и за р у б е ж о м , можно р а з д е л и т ь на д в е группы:
методы очистки в искусственных у с л о в и я х (на специально создан^
ных . с о о р у ж е н и ях, у.сха.новках)| и методы очистки-в-^есд££1шаных-..
Условиях _?на_земледельческих полях ор.ош£ддя^-далях фильтрации, i
биологических п р у д а х и д д Д . В ы б о р метода очистки определяется
тпСТШГбГм Ti к М и с т г г р а ц и е и з а г р язняющих в е щ е с т в в сточных в о д а х .
Очистка сточных вод в искусственных условиях. Методы очистки сточных вод в искусственных у с л о в и я х многообразны, но они
могут быть п о д р а з д е л е н ы на четыре основных вида: механическую,
х и м и ч е с к у ю , физико-химическую и биохимическую очистку.
(Ме1Шшт£шяучисткаЛ
применяется д л я извлечения из сточных i
•вод грубодисперсной нерастворимой примеси органических и неор- 1
т а н и ч е с к и х в е щ е с т в путем их отстаивания, процеживания, фильтрай86
ции, центрифугирования. Д л я механической очистки и с п о л ь з у ю т с я
различные конструктивные модификации сит, решеток, песколовок»
отстойников, центрифуг и гидроциклонов. Р е ш е т к и и сита выполняют обычно роль з а щ и т н ы х сооружений, п р е п я т с т в у ю щ и х попаданию к р у п н ы х о т х о д о в производства в д а л ь н е й ш и е очистные сооружения. П е с к о л о в к и и отстойники пременяются д л я выделения и»
производственных сточных вод окалины, ш л а к а , песка и т. д. Н а р я д у с минеральными примесями в п е с к о л о в к а х и отстойниках зад е р ж и в а ю т с я в е щ е с т в а и органического происхождения, гидравлич е с к а я крупность которых близка к гидравлической крупности
песка. Эти с о о р у ж е н и я основаны на о с а ж д е н и и взвешенных частиц,,
с о д е р ж а щ и х с я в сточных в о д а х , при изменении кинематических
условий потока. П о конструктивным особенностям р а з л и ч а ю т горизонтальные, вертикальные и р а д и а л ь н ы е отстойники.
Д л я очистки сточных вод от механических примесей применяются т а к ж е гидроциклоны, в которых выделение взвеси из с т о к а
происходит под действием ц е н т р о б е ж н ы х сил, возникающих п р и
в р а щ а т е л ь н о м движении ж и д к о с т и . Т а к к а к ц е н т р о б е ж н ы е с и л ы
в сотни раз и более могут превосходить силу т я ж е с т и , т о пропорционально у в е л и ч и в а е т с я и скорость о с а ж д е н и я частиц. Э т о п р и в о д и т к т о м у , что о б ъ е м и п л о щ а д ь , з а н и м а е м а я
гидроциклоном,,
в д е с я т к и и сотни раз меньше отстойников той ж е производительности. П о д а н н ы м В с е с о ю з н о г о н а у ч н о - и с с л е д о в а т е л ь с к о г о инстит у т а в о д о с н а б ж е н и я , канализации,
гидротехнических
сооружений и инженерной гидрогеологии, применение гидроциклонов в о
много р а з у м е н ь ш а е т з а т р а т ы на строительство очистных с о о р у жений.
——"—:
"—-——
:
I Хймйцлслая
и физико-химическая
очистка /применяется для из-
влечения из сточных водтанкодаенертш0йли-"растворенной примеси
неорганических и т р у д н о о к и с л я е м ы х
биохимическими
методами
органических в е щ е с т в путем их выделения, о с а ж д е н и я и р а з р у ш е ния с п о м о щ ь ю химических соединений, пут_ем_.комбинации методов,
физического и химического воздействия^
Биохимическая
очистка применяется обычно после того, к а к иа
сточных в о д извлечены г р у б о д и с п е р с н ы е примеси. Б и о х и м и ч е с к и й
метод очистки основан на способности некоторых видов микроорганизмов использовать д л я питания н а х о д я щ и е с я в сточных в о д а х
органические в е щ е с т в а (органические кислоты, белки, углеводыи т. д . ) , которые я в л я ю т с я д л я них источником у г л е р о д а . Р а з л и ч а ю т д в е стадии процесса очистки, п р о т е к а ю щ и е с различной с к о ростью: а д с о р б ц и ю из сточных вод тонкодисперсной и растворенной примеси органических и неорганических в е щ е с т в п о в е р х н о с т ь ю
тела
микроорганизмов
и затем — разрушение адсорбированных
в е щ е с т в внутри клетки микроорганизмов при п р о т е к а ю щ и х в ней
химических п р о ц е с с а х .
П р о ц е с с биохимической очистки м о ж е т происходить к а к в иск у с с т в е н н ы х у с л о в и я х (в биологических ф и л ь т р а х и аэротенках),.
т а к и в естественных у с л о в и я х (на полях орошения, полях фильтрации, биологических п р у д а х и т. д.) .
187:
Биохимическая очистка в искусственных у с л о в и я х о с у щ е с т в л я е т с я в а э р о т е н к а х — смесителях, а э р о т е н к а х с рассредоточенным
.выпуском сточных вод, на биофильтрах с естественной и искусственной подачей в о з д у х а и т. д.
А э р о т е н к п р е д с т а в л я е т собой резервуар, наполненный активным
илом (активный ил — коллоидная м а с с а минерального и органического с о с т а в а , б о г а т а я м и к р о о р г а н и з м а м и ) . При прохождении
•сточной ж и д к о с т и через аэротенк микроорганизмы и з в л е к а ю т из ее
-состава необходимые для их питания органические и минеральные в е щ е с т в а — азот из а м м и а к а , нитратов, аминокислот; фосфор
и калий из минеральных солей этих веществ. Д л я нормальной раб о т ы аэротенка активный иЛ подвергается периодической регенерации.
Биофильтр п р е д с т а в л я е т собой сооружение, выложенное мелким
сыпучим материалом, на котором перед пуском сточных вод создае т с я активная биологическая пленка, с о с т о я щ а я не т о л ь к о из микроорганизмов, но и из водорослей, личинок н а с е к о м ы х и т. д., котор ы е о б р а з у ю т с л о ж н ы й биоценоз,
участвующий
в
процессе
очистки.
В естественных условиях
биохимическая очистка о с у щ е с т в л я ется на земледельческих полях орошения, полях фильтрации, на
у ч а с т к а х подпочвенного орошения, в биологических п р у д а х и окислительных к а н а л а х . В о всех с л у ч а я х процесс очистки, о б е з в р е ж и вания протекает в почве или воде с у ч а с т и е м естественных процессов. Основное значение имеет почвенная биологическая очистка,
к о т о р а я з а к л ю ч а е т с я в постепенном р а з л о ж е н и и органического
.вещества сточных вод д о простейших минеральных соединений под
действием почвенных микроорганизмов. М и к р о о р г а н и з м ы сточной
ж и д к о с т и а д с о р б и р у ю т с я верхним-слоем почвы и значительно увел и ч и в а ю т ее м и к р о б и а л ь н у ю насыщенность. При этом одни из них
п о г и б а ю т под действием антагонистов, а д р у г и е н а х о д я т в почве
^благоприятные условия, интенсивно р а з м н о ж а ю т с я и сами учас т в у ю т в самоочищении почвы от внесенных в нее со сточными
водами органических соединений. П о ч в а я в л я е т с я своего
рода
•естественной лабораторией, где активно п р о т е к а ю т с л о ж н ы е биохимические процессы, приводящие к минерализации органических
веществ, с о д е р ж а щ и х с я в сточных в о д а х , и к их о б е з з а р а ж и в а н и ю — к практически полному о с в о б о ж д е н и ю от патогенной микрофлоры. О с о б е н н о в а ж н ы м я в л я е т с я то, что почвенные
способы
ючистки полностью и с к л ю ч а ю т непосредственное поступление сточных вод в поверхностные водоёмы, т. е. наилучшим о б р а з о м защищ а ю т их от загрязнения.
Земледельческие поля орошения п р е д с т а в л я ю т собой специальные площадки, на которых происходит очистка сточных вод, сов м е щ е н н а я с возделыванием
различных
сельскохозяйственных
к у л ь т у р . При о т с у т с т в и и последних эти п л о щ а д к и н а з ы в а ю т с я
молями
фильтрации.
Почвенным м е т о д а м очистки сточных
вод
в последнее время у д е л я е т с я большое внимание, что о б ъ я с н я е т с я
в о з м о ж н о с т ь ю совместного решения задачи о х р а н ы вод от загряз388:
нения и интенсификации сельскохозяйственного
производства.
К р о м е того, г л у б и н а очистки к о м м у н а л ь н ы х сточных вод значит е л ь н о выше при применении почвенных методов.
П о с т о я н н о е расширение с т р о и т е л ь с т в а очистных с о о р у ж е н и й ,
с о в е р ш е н с т в о в а н и е технологии производства, многократное использование воды в промышленности, несомненно, приводят к сокраТаблйца 1.10
Показатели (%) очистки сточных вод населенных пунктов
на сооружениях искусственной очистки и почвенными методами
ФРГ
СССР
Показатель
БПК5
Число колоний бактерий
Искусственная очистка
Почвенные
методы
Искусственная очистка
Почвенные
методы
84
90
97
98
73
80
93
90
щ е н и ю о б ъ е м а загрязнений, п о с т у п а ю щ и х в природные водные
о б ъ е м ы . О д н а к о в н а с т о я щ е е время е щ е д а л е к о не все сточные
воды п о д в е р г а ю т с я очистке; .кроме того, при современном у р о в н е
технологии очистки определенная
часть
загрязнения
остается
в с б р а с ы в а е м ы х в о д а х (табл. 1.10, 1 . 1 1 ) , что приводит к необходимости у ч е т а процессов самоочищения сточных вод, п р о т е к а ю щ и х
при их в ы п у с к е в водоемы.
Таблица 1.11
Степень очистки (%) промышленных сточных вод
С т е п е н ь о ч и с т к и , %!
М е т о д очистки
Механический (отстаивание)
Механический (коагуляция, нейтрализация с последующим отстаиванием)
Физико-химический (электростатический, ионный обмен, сорбция)
Биологический
по н е р а с т в о римым веществам
по В П К 5
60—90
80—85
30—40
40—50
90
50—75
90
80—90
В к а ч е с т в е биологических
прг/дое/используются искусственные
в о д о е м ы глубиной 0 , 5 — 1 , 5 м, которые р а з б и в а ю т с я на несколько
( 2 — 5 ) секций. В о д а в них п о с т у п а е т последовательно по мере ее
очистки. Д л я равномерного распределения сточной воды по акватории п р у д о в в п у с к и в ы п у с к воды из них у с т р а и в а ю т рассредоточенными. П л о щ а д ь п р у д о в — 0 , 5 — 1 , 0 га. Н а и б о л е е
эффективна
т а к а я очистка в теплое время года. Н е о б х о д и м о заметить, что
189:
в этом с л у ч а е эффективность очистки сточных вод в искусственных
у с л о в и я х близка к эффективности очистки в естественных.
Мелиоративные работы, с п о с о б с т в у ю щ и е о х р а н е водных ресурсов от загрязнения, могут быть подразделены на лесные, агротехнические и гидротехнические.
Л е с н ы е мелиорации — в ы р а щ и в а н и е древесной и к у с т а р н и к о вой растительности в п р е д е л а х верхней и средней частей речных
бассейнов, у м е н ь ш а е т поверхностный сток и о с л а б л я е т процессы
водной эрозии.
К агротехническим мелиорациям относится правильное ведение
сельскохозяйственных работ.
Гидротехнические мелиорации — это в основном р е г у л и р о в а н и е
водно-воздушного р е ж и м а почво-грунтов д л я возделывания различных сельскохозяйственных к у л ь т у р , которое д о л ж н о п р е д о х р а нять почву от вымывания питательных веществ. С ю д а о т н о с я т с я
и р а б о т ы по п р е д о т в р а щ е н и ю образования оврагов, оползней и
о б р у ш е н и я берегов.
О р г а н и з о в а н н о е проведение комплексных мелиоративных мероприятий позволяет существенно у м е н ь ш и т ь загрязнение природных вод.
,
Н а качество воды с у щ е с т в е н н о е влияние о к а з ы в а е т загрязненность атмосферы. Э т а проблема р а с с м а т р и в а е т с я в первом р а з д е л е
учебника.
Р а з р а б о т к а природных р е с у р с о в о к а з ы в а е т заметное влияние
на загрязненность водной среды. Н е д о п у с т и м ы прорывы нефти из
с к в а ж и н , различные аварийные сбросы, прорывы д а м б х в о с т о х р а нилищ и т. д.
У к а з а н н ы е выше способы и методы п р е д у п р е ж д е н и я загрязнения водных р е с у р с о в этим не исчерпываются. С у щ е с т в у е т е щ е
много р а з н о о б р а з н ы х в о д о о х р а н н ы х мероприятий, которые позвол я ю т сократить о б ъ е м и снизить степень загрязненности сточных
вод. О д н а к о н у ж н о помнить, что все эти методы могут лишь несколько о т д а л и т ь загрязнение природных вод, но не приостановить
его. П о э т о м у проблему чистой воды можно б у д е т решить т о л ь к о
при условии перехода к з а м к н у т ы м с и с т е м а м в о д о с н а б ж е н и я .
Процессы самоочищения природных вод. Неочищенные или
частично очищенные сточные воды, п о п а д а я в водные о б ъ е к т ы ,
приводят к изменению физических свойств и химического с о с т а в а
их вод, изменяют качество воды, з а г р я з н я ю т ее.
В загрязненных водных о б ъ е к т а х происходят с л о ж н ы е процессы, в е д у щ и е к восстановлению естественного состояния реки,
озера или в о д о х р а н и л и щ а . С о в о к у п н о с т ь гидродинамических, биохимических, химических и физических процессов, приводящих к сниж е н и ю концентраций з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в в воде и н а з ы в а ю т
самоочищением
водных
масс. В зависимости от того, какие в е щ е ства (консервативные или неконсервативные) и в к а к о м ф а з о в о м
состоянии (во взвешенном или растворенном) п о п а д а ю т в в о д о е м
190:
со сточными водами, в процессе самоочищения б у д у т преобладать
л и б о г и д р о д и н а м и ч е с к и е , л и б о х и м и ч е с к и е или б и о л о г и ч е с к и е проц е с с ы . К о н с е р в а т и в н ы е р а с т в о р е н н ы е в е щ е с т в а не п о д д а ю т с я ник а к и м п р о ц е с с а м п р е в р а щ е н и я , их к о н ц е н т р а ц и я с н и ж а е т с я т о л ь к о
вследствие разбавления (гидродинамический процесс).
П р и наличии в с т о ч н ы х в о д а х в з в е ш е н н ы х в е щ е с т в с у щ е с т в е н н у ю р о л ь в п р о ц е с с е с а м о о ч и щ е н и я в о д н ы х м а с с б у д у т и г р а т ь проц е с с ы о с а ж д е н и я в з в е с и на д н о (физические и г и д р о д и н а м и ч е с к и е
п р о ц е с с ы ) . С а м о о ч и щ е н и е в о д н ы х м а с с от н е к о н с е р в а т и в н ы х р а с творенных веществ происходит в результате как разбавления, так
и взаимодействия с другими компонентами, содержащимися в воде
(гидродинамические, химические и биохимические процессы).
Д л я р а с ч е т а д о п у с т и м о й н а г р у з к и на в о д о е м ы и в о д о т о к и загрязненными стоками, для прогноза состава и свойств водных масс
с учетом самоочищения необходима
количественная
характерис т и к а роли к а ж д о г о п р о ц е с с а в п р е в р а щ е н и и р а с т в о р е н н ы х и взвешенных веществ органического и неорганического происхождения.
О д н а к о не в с е е щ е п р о ц е с с ы и з у ч е н ы в д о с т а т о ч н о й мере. В с в я з и
с э т и м при и з у ч е н и и п р о ц е с с о в з а г р я з н е н и я и с а м о о ч и щ е н и я в нас т о я щ е е в р е м я в ы д е л я ю т с л е д у ю щ и е о с н о в н ы е н а п р а в л е н и я исследований:
—
изучение процессов смешения и разбавления сточных вод
в в о д о е м а х и водотоках с учетом изменчивости гидрологических. и г и д р о д и н а м и ч е с к и х ф а к т о р о в ;
—• у с т а н о в л е н и е з а в и с и м о с т и и з м е н е н и я к а ч е с т в а в о д ы от гидрологического режима и расчетных характеристик стока;
— изучение химических и физико-химических превращений загрязняющих веществ в водных объектах;
— исследование биохимических процессов трансформации загрязняющих веществ.
Д в а первых направления совместно
с разработкой
методов
расчета разбавления сточных вод и методов расчета осаждения
взвешенных загрязняющих веществ можно назвать гидрологичес к и м и а с п е к т а м и п р о б л е м ы с а м о о ч и щ е н и я . Э т и п р о б л е м ы в настоящее время успешно р а з р а б а т ы в а ю т с я в ряде научно-исследовательских институтов * нашей страны, и у ж е предложен целый
ряд инженерных методов расчета качества воды.
Н а р я д у с гидрологическими факторами в а ж н а я роль в процессе
самоочищения принадлежит физико-химическим и биохимическим
процессам. Химические процессы в природных водах тесно связаны
с биологическими, и часто трудно сказать, где кончается
один
процесс и начинается другой. Р е ш а ю щ у ю роль в этом комплексе
* Например, в Государственном гидрологическом институте, Всесоюзном
научно-исследовательском институте водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии (ВОДГЕО), Ленинградском
инженерно-строительном институте.
191:
и г р а ю т биологические процессы, о д н а к о физико-химические процессы б у д у т доминирующими, когда в воде п р и с у т с т в у ю т высокотоксичные з а г р я з н я ю щ и е в е щ е с т в а или с о з д а н ы неблагоприятные
у с л о в и я д л я жизнедеятельности ж и в о т н ы х и растительных организмов, при которых биологические процессы сводятся до минимума".
Изучение физико-химических и биохимических процессов превращения з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в в водных о б ъ е к т а х ведется во
многих научно-исследовательских
организациях
нашей
страны
(Гидрохимическом н а у ч н о - и с с л е д о в а т е л ь с к о м институте, В О Д Г Е О ,
И н с т и т у т е химии природных соединений А Н С С С Р , И н с т и т у т е биологии внутренних морей А Н С С С Р и д р . ) .
Р е з у л ь т а т ы р а б о т д о л ж н ы п о с л у ж и т ь основой д л я р а з р а б о т к и ,
проверки и корректировки методов прогнозирования и р а с ч е т о в
степени загрязнения и самоочищения водотоков и водоемов.
ГЛАВА 2. СИСТЕМА НАБЛЮДЕНИЯ И КОНТРОЛЯ
(МОНИТОРИНГ) КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД
Сеть
наблюдений,
сбора, о б р а б о т к и и у п р а в л е н и я данными
о состоянии водных о б ъ е к т о в с о с т а в л я е т систему национального
мониторинга. П о д мониторингом понимается система последовательных наблюдений, п о з в о л я ю щ а я выделить изменение состояния
о к р у ж а ю щ е й среды под влиянием деятельности человека.
Контроль за качеством и распределением пресных вод м е ж д у
водопользователями и водопотребителями в о з л о ж е н на ряд соотв е т с т в у ю щ и х министерств и ведомств.
З а санитарно-гигиеническим состоянием водоемов в пределах
городов, населенных пунктов отвечает М и н и с т е р с т в о з д р а в о о х р а нения С С С Р . Санитарно-эпидемиологическая с л у ж б а этого министерства о с у щ е с т в л я е т систематический контроль санитарно-биологических х а р а к т е р и с т и к воды тех водных объектов, о т к у д а осуществляется водоснабжение.
В
н а с т о я щ е е время судить о качественных х а р а к т е р и с т и к а х
воды м о ж н о только путем сопоставления измеренных п о к а з а т е л е й
с нормативными, х а р а к т е р и з у ю щ и м и ; предельно д о п у с т и м у ю конц е н т р а ц и ю того или иного в е щ е с т в а в воде водного о б ъ е к т а . Т а к и е
количественные оценки степени загрязненности рек и водоемов,
оперативный контроль за у р о в н е м загрязнения т р е б у ю т правильно
организованных стационарных сетевых наблюдений.
Основными з а д а ч а м и мониторинга к а ч е с т в а (или загрязнения)
в о д с у ш и я в л я ю т с я наблюдение, оценка и прогноз их состояния.
Одновременно
устанавливаются
и оцениваются антропогенные
ф а к т о р ы и источники воздействия, что позволяет произвести определение степени антропогенного "влияния на водные объекты.
Применительно к мониторингу загрязнения вод суши м о ж н о
выделить с л е д у ю щ и е основные направления, б а з и р у ю щ и е с я
на
192:
общих направлениях мониторинга
( И з р а э л ь и др., 1 9 7 8 ) :
—
—
—
загрязнения
природной
среды
н а б л ю д е н и е за состоянием водных о б ъ е к т о в и воздействующими на них ф а к т о р а м и ;
оценка фактического состояния водных о б ъ е к т о в и ф а к т о р о в
воздействия на них;
прогноз состояния водных о б ъ е к т о в и оценка прогнозируе-'
мого состояния.
С и с т е м а мониторинга я в л я е т с я информационной и не в к л ю ч а е т
элементов управления. О н а входит составной ч а с т ь ю в систему
у п р а в л е н и я о к р у ж а ю щ е й средой (или водными о б ъ е к т а м и ) и регулирования ее качества.
Н а б л ю д е н и е за водными о б ъ е к т а м и тесно с в я з а н о с прогнозом
их состояния, поскольку последний м о ж е т быть" "составлен л и ш ь
с у ч е т о м фактического состояния водного о б ъ е к т а в н а с т о я щ е м и
прошлом, 11абл_юд ения _ дол ж н ы в к л ю ч а т ь д а н н ы е об источниках
загрязнения, о с о с т а в е , и .характере "загрязнений", о реакдШзеиЯЕобионтов и изменении состояния водных о б ъ е к т о в . Д а н н ы е этих
наблюдении " д о л ж н ы " с о п о с т а в л я т ь с я " с ' ж а з ш ш п г л г ^ с т е с т В е н н о . м
(природном) состоянии .видных объектр15 д о н а ч а л а заметного антропогенного воздействия, т. е. необходимо 'ймётГтсведениЯ^о^фб^новых» х а р а к т е р и с т и к а х к а ч е с т в а и количества водных р е с у р с о в .
Основной ц е л ь ю производства наблюдений и контроля за у р о в нем загрязнения водных о б ъ е к т о в
является
получение
данных
о к а ч е с т в е вод, необходимых д л я о с у щ е с т в л е н и я мероприятий по
о х р а н е вод и их рациональному использованию. П о э т о м у с л у ж б а
н а б л ю д е н и я и контроля р е ш а е т следу ю щ ^ е з а д а д ц : . .
—
н а б л ю д е н и е и контроль за у р о в н е м загрязнения вод по химическим, физическим и гидробиологическим п о к а з а т е л я м ;
— изучение
динамики
з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в и выявление '
условий, при которых происходят резкие колебания у р о в н я
загрязнения;
— изучение закономерностей процессов самоочищения и накопления з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в в донных о т л о ж е н и я х ;
— изучение закономерностей выноса в е щ е с т в через у с т ь е в ы е
створы рек д л я определения б а л а н с а этих в е щ е с т в в водоемах.
^Наблюдение и контроль за у р о в н е м загрязнения вод производится на постоянных и - в р е м е н н ы х п у н к т а х н а б л ю д е н и я , р а с п о л а г а ю щ и х с я в м е с т а х наличия' и о т с у т с т в и я влияния хозяйственной
деятельности. П о с л е д н е е необходимо д л я производства фоновых
наблюдений. П р и этом о р г а н и з у ю т с я :
— стационарная
сеть пунктов наблюдений за естественным
"^*"""""*?:оставом и загрязнением поверхностных вод по физическим,
химическим и гидробиологическим п о к а з а т е л я м ;
13
Заказ № 33
193:
: — специализированная сеть пунктов на загрязненных водных
-==объектах;
— временная экспедиционная сеть пунктов для наблюдений на
— — — " о б ъ е к т а х , не охваченных в ы ш е у к а з а н н ы м и пунктами н а б л ю дений.
О с н о в н ы е т р е б о в а н и я к сети:
—
приоритет изучения и контроля антропогенного воздействия
на поверхностные воды;
— систематичность и комплексность наблюдений за качеством
воды по физическим, химическим, биологическим показателям и проведение с о п у т с т в у ю щ и х
гидрологических
измерений;
— с о г л а с о в а н н о с т ь сроков наблюдений с х а р а к т е р н ы м и гидро-
логическими ситуациями?
'
— определение п о к а з а т е л е й к а ч е с т в а воды едиными методами;
— оперативность получения информации о качестве воды.
П у н к т ы наблюдений д о л ж н ы ^ д о в л е т в о р я т ь т р е б о в а н и я м репрезент ативностнГТГрасполагать данны м и о^ расхода'х рек и уровнях~водыГв Ё ю д о ё м а х ^ ^ л е д у е т ' " м а к с и м а л ь н о стремиться к совмещению п у н к т о в наблюдений с режимными гидрологическими постами. При отсутствии т а к о й возможности вопрос об обеспечении
пунктов наблюдений и контроля за загрязнением поверхностных
вод данными о р а с х о д а х воды д о л ж е н быть решен особо.
Пушш^наблюд^^
на р е к а х , озерах и водохранил и щ а х д о л ж н ы быть приурочены к зонам с б р о с а сточных
вод.
Основными_объектамй при выборе пунктов наблюдений и контроля
должны являться следующие:
— места с б р о с а сточных и ливневых вод городов,
крупных
( *
поселков и сельскохозяйственных комплексов;
1
— места с б р о с а сточных вод отдельными крупными промыш|
ленными предприятиями (заводы, рудники, ш а х т ы , нефте\
промыслы и д р . ) ;
' — места с б р о с а подогретых вод от Т Э С , Г Р Э С , А Э С ;
1
— места сброса к о л л е к т о р н о - д р е н а ж н ы х вод, отводимых с оро!
ш а е м ы х или о с у ш а е м ы х земель;
/ — приплотинные у ч а с т к и рек, я в л я ю щ и е с я в а ж н ы м и д л я рыбного х о з я й с т в а ;
1 — крупные нерестилища и зимовья ценных пород рыб;
— з а м ы к а ю щ и е створы больших и средних рек, в п а д а ю щ и х
в моря и внутренние водоемы, имеющие большое народнохозяйственное значение;
— границы крупных экономических районов, республик и
стран, п е р е с е к а е м ы е транзитными реками;
— з а м ы к а ю щ и е гидрологические створы речных бассейнов, по
которым с о с т а в л я ю т с я водохозяйственные б а л а н с ы ;
— у с т ь е в ы е зоны загрязненных притоков главной реки внутри
крупных речных систем и больших озер и в о д о х р а н и л и щ ,
имеющих в а ж н о е народнохозяйственное значение.
194:
Размещение створов на объекте , и расстояние между ними
определяются в соответствии с действующими правилами охраны
поверхностных вод от загрязнения. В к а ж д о м пункте д о л ж н о быть
намечено не менее двух-трех створов: один створ выше источника
загрязнения (для характеристики фонового состояния объекта
относительно данного пункта) и один-два створа ниже источника
загрязнения.
—Н а в о д о т о к а х ^ п е р в ы й (фоновый^ст^р)целесообразно
распола-
гать на расстоян¥и71'''таа;'таЙ^ист"очника 1 т г р ! з й ё н и я , что достаточно для исключения влияния сбрасываемых сточных вод. Н а
водоемах фоновый створ (вертикаль) размещается вне зоны влияния загрязнения от данного источника, определяемой по данным
рекогносцировочных наблюдений или расчетным путем.
Второй
створ предназначается^для контроля за изменением
качества воды"водотока или водоема вблизи в ы п у с к а сточных вод,
т. е. в зоне загрязнения. В соответствии с санитарными нормативами желательно размещать его на расстоянии 1 км выше ближ а й ш е г о места водопользования (водозабора). Н а реках, используемых в рыбохозяйственных целях, этот створ должен располагаться на расстоянии 0,5 км ниже по течению от м е т _ с б | о с а
сточных вод, а на водоемах"—0,5" км "в сторону наиболее выраженного теченияГ^В - городах" й поселках', где" имеются многочисленные
выпуски сточных вод, контрольный створ можно разместить на
расстоянии 0,5—1,0 км ниже главного или, при его
отсутствии,
последнего канализационного коллектора.
Третий створ целесообразно разместить таким образом, чтобы
данные на6людени&ТйГнем хар'актеризовали^качество воды в це-
лом по поперечному сечению" в
т. е. он должен находиться в месте достаточного
(не менее 80 % )
перемешивания
сточных вод с водами реки (при рассчитанном р а с х о д е воды в р е к е
95 %-ной обеспеченности). О д н а к о этот створ не должен находиться ниже того места, где при у к а з а н н о м расходе воды концентрация загрязняющих веществ оказывается меньше пределов чувствительности химико-аналитических методов. Последнее следует
рассматривать и как основной критерий при определении предельной нижней границы у ч а с т к а наблюдений. Н а больших реках, где
створ полного перемешивания находится слишком д а л е к о от источника загрязнения, его целесообразно у с т а н а в л и в а т ь исходя из интересов обслуживания потребителей.
Выбор местоположения наблюдательских
створов
целесообразно проводить на основании результатов ^рекогносцировочных
работ . К о л и ч е с т в о вертикалей и число точек отбора ~'пр"об'"на них
у с т а н а в л и в а ю т с я с учетом конкретных условии у ч а с т к а водотока
(водоема) с тем, чтобы наблюдения были репрезентативными д л я
режима загрязнения данного объекта.
В фоновом створе на водотоках и водоемах пробы воды д о с т а точно отбирать с поверхностного горизонта на одной вертикали,
на остальных створах — на нескольких вертикалях со следующих
горизонтов: при глубине до 5 м — с поверхностного горизонта; при
13*
195
глубине 5 — 1 0 м — с поверхностного и придонного горизонтов; при
глубине более 10 м — дополнительно с промежуточного (среднего)
горизонта. П р и наличии термической стратификации водоема горизонты взятия проб с л е д у е т р а с п о л а г а т ь т а к и м образом, чтобы
получить х а р а к т е р и с т и к и с о с т а в а воды выше слоя т е м п е р а т у р н о г о
с к а ч к а , в с а м о м слое и ниже его.
П р о г р а м м а наблюдений на к а ж д о м пункте д о л ж н а у ч и т ы в а т ь
местные особенности процесса загрязнения контролируемого водного о б ъ е к т а , в к л ю ч а я обязательное определение т а к и х элементов
качества воды, к а к т е м п е р а т у р а , с о д е р ж а н и е взвешенных веществ,
минерализация, рН, с о д е р ж а н и е растворенного кислорода, Б П К ,
п л а в а ю щ и е примеси, з а п а х и , патогенные микроорганизмы и дополнительные, специфические для данного о б ъ е к т а .
П р о г р а м м а наблюдений д о л ж н а быть дифференцирована д л я
к а ж д о г о н а б л ю д а т е л ь н о г о пункта с у ч е т о м значимости водного
объекта.
стационарной сети наблюдений п о д р а з д е л я ю т с я на
четыре к а т е т ш ш . .
ГТТПункты, р а с п о л о ж е н н ы е на в о д о т о к а х (или их у ч а с т к а х ) и
в о д о е м а х , имеющих Особо в а ж н о е народнохозяйственное значение,
при наличии мест с б р о с а загрязненных сточных вод, когда в о з м о ж н ы случаи превышения у с т а н о в л е н н о г о критического значения
концентрации по какому-либо ингредиенту или п о к а з а т е л ю качес т в а воды.
2. П у н к т ы , р а с п о л о ж е н н ы е на водных о б ъ е к т а х , н а х о д я щ и х с я
в районе промышленных городов и рабочих поселков с централиз о в а н н ы м в о д о с н а б ж е н и е м ; в м е с т а х массового о т д ы х а населения;
в местах сброса коллекторно-дренажных вод с сельскохозяйственных полей; на пограничных с т в о р а х рек, в т е к а ю щ и х на территор и ю С С С Р или в ы т е к а ю щ и х за пределы нашей страны; на
з а м ы к а ю щ и х с т в о р а х больших и средних рек, в п а д а ю щ и х в моря
и внутренние водоемы, имеющие большое народнохозяйственное
значение; на з а м ы к а ю щ и х с т в о р а х рек, по которым с о с т а в л я ю т с я
водохозяйственные б а л а н с ы с х а р а к т е р и с т и к о й к а ч е с т в а водных
ресурсов; в приустьевой зоне больших притоков крупных рек, озер
и водохранилищ.
3. Пункты, расположенные на водных о б ъ е к т а х , и с п ы т ы в а ю щ и х
у м е р е н н у ю или с л а б у ю антропогенную н а г р у з к у (в р а й о н а х неб о л ь ш и х населенных пунктов и промышленных предприятий, д о м о в
о т д ы х а , т у р б а з а х и т. п.).
4. П у н к т ы стационарной сети гидрохимических наблюдений на
незагрязненных водных о б ъ е к т а х (фоновых у ч а с т к а х ) .
П р о г р а м м а наблюдений на п у н к т а х разной категории отличае т с я по о б ъ е м у н а б л ю д а е м ы х п о к а з а т е л е й и по с р о к а м н а б л ю д е ний. Н а п у н к т а х 1-й категории наблюдения
производятся
ежед н е в н о по сокращенной программе и е ж е д е к а д н о по полной прог р а м м е ; на п у н к т а х 2-й категории е ж е д н е в н о производятся т о л ь к о
в и з у а л ь н ы е наблюдения и ежемесячно — по полной программе; на
п у н к т а х 3-й категории ежемесячные наблюдения производятся по
196:
сокращенной программе, а по полной программе — в основные
гидрологические фазы; на пунктах 4-й категории — п о полной программе в основные гидрологические фазы.
В настоящее время отбор проб воды для контроля за ее качеством, а также для определения показателей качества воды автоматизируется. Функционируют автоматические автономные системы контроля качества воды, которые могут быть как стационарными, так и мобильными. С помощью автоматизированных систем
можно без участия человека отбирать пробы воды, делать экспресс-анализы, выдавать информацию на ЭВМ. Использование
таких систем позволяет быстро получать большой объем информации о физических свойствах и химическом составе речных и озерных вод. Для осуществления контроля за изменяющимися во времени и по территории отдельными показателями качества воды
служит разработанная советскими специалистами автоматизированная система наблюдения и контроля за состоянием вод —
АНКОС-В (В—вода). Для контроля за состоянием атмосферы разработана система АНКОС-А (А — атмосфера). Эти системы могут,
быстро обнаружить загрязнение воды и воздуха и его источник,:
передать соответствующие данные в информационно-вычислительный комплекс, где ЭВМ. выявляют признаки опасных явлений, систематизируют, и обобщают данные. Это позволяет быстро принять
меры по защите вод особенно при залповых сбросах загрязняющих
веществ, и ликвидации аварийных ситуаций.
Данные в АНКОС-В поступают с автоматических станций контроля поверхностных вод (АС К П В ) , являющихся начальным звеном системы. Современная АС КПВ может измерять и контролировать до двух десятков показателей качества воды, например
таких, как уровень, температура, электропроводность и мутность
воды, содержание растворенного кислорода, взвешенных веществ,
ионов меди, степень кислотности или щелочности. Число контролируемых показателей может расширяться по мере разработки способов их автоматического измерения. Отбор проб может производится непрерывно периодически, например через 1 ч или по;
команде с диспетчерского пункта. АС КПВ устанавливаются в местах городских водозаборов и в пунктах наибольшего антропогенного воздействия на качество вод.
Автоматизированные системы включают лаборатории и передвижные группы (автомобильные гидрохимические лаборатории):
для неавтоматического сбора информации, которую нельзя получить с помощью АС.
Автоматизированные системы позволяют прогнозировать уровень загрязнения водных объектов и управлять качеством воды.
Автоматизированные системы наблюдения и оценки качества
воды созданы и создаются на водных объектах в районе ряда крупных городов Советского Союза таких, как Москва, Харьков, Ростов-на-Дону, Тбилиси, Кемерово, Нижний Новгород, Вильнюс. На
примере бассейна р. Москвы можно рассмотреть организацию и
порядок наблюдений; с помощью автоматизированных систем.
Система наблюдений охватывает весь бассейн р. Москвы (от
Можайского водохранилища до устья). В 1978 г. на р. Москве имелось 8 АС КПВ. Их число должно быть доведено до 30 и дополнено 40 пунктами неавтоматического сбора информации. АС К П В
измеряют уровни, температуру, мутность и электропроводность
воды, рН, содержание растворенного кислорода, ионов хлора,
фтора, меди. Эти станции являются информационной частью автоматизированной системы управления водоохранных комплексов
(АСУ В К ) . Помимо станций в систему входят подвижные рабочие
группы, гидрохимическая лаборатория, центральный диспетчера
ский пункт и вычислительный комплекс. Основной задачей подвижных рабочих групп является выявление источников повышенного
загрязнения реки, обнаруженных автоматическими станциями,
а также сбор дополнительной информации о загрязнении рек. Так,
они один раз в пять — десять дней определяют содержание нефтепродуктов, синтетических поверхностно-активных веществ, фенолов, фосфатов, пестицидов и других веществ в водах реки. Данные
передаются в центральный диспетчерский пункт и в вычислительный комплекс.
На р. Северский Донец (100-километровый участок от Славянска до Лисичанска) АСУ ВК состоит из восьми станций контроля
речной воды, шести станций контроля сточных вод, пяти местных
и одного центрального диспетчерского пунктов. Станции контроля
речной воды автоматически отбирают пробы, хранят их в течение
суток, а также производят текущие измерения показателей качества воды. Аналогично работают станции контроля сточных вод.
Автоматизированные системы позволяют определять пока
весьма ограниченное число загрязняющих веществ, особенно токсичных. Но их преимущество заключается в непрерывности измерений. Поэтому они все шире внедряются в практику как в СССР,
так и за рубежом — в США, Англии, ФРГ, Японии, Венгрии, Чехословакии и других странах, где автоматические станции обычно
называются мониторами. Они автоматически производят отбор
проб воды, измерения (блок датчиков), обработку (преобразователь) и передачу информации.
Ускоренное и практически непрерывное получение информации
о качестве воды с помощью автоматизированных систем контроля
обусловливает необходимость их широкого внедрения в практику
мониторинга качества вод суши. Прежде всего их целесообразно
применять в бассейнах рек, где имеется напряженный водный баланс. В этом случае системы становятся частью более общей системы управления качеством воды, способствующей оптимизации
водоохранных мероприятий.
Расширение сети пунктов и зон контроля может быть значительно ускорено путем комплексного использования наземных,
авиационных и космических методов исследований и наблюдений.
Авиационно-космическая съемка этими методами может быть,
проведена с высоты от нескольких сот метров до 2000 км, в зависимости от применяемой аппаратуры. Изменение качества воды
198:
в водоемах хорошо фиксируется с космических летательных аппаратов и искусственных спутников Земли.
С помощью АСУ ВК можно разрабатывать планы рационального комплексного использования водных ресурсов речных бассей-
Рис. 2.1. Схема общей системы автоматизированного управления водными ресурсами речного бассейна.
нов и мероприятия по их осуществлению. При решении этих задач
целесообразно использовать системный анализ, позволяющий выявить основные элементы системы и их взаимосвязь. На рис. 2.1
показана общая система автоматизированного управления водными ресурсами речного бассейна.
ГЛАВА 3. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
ФОРМИРОВАНИЯ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА
ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД
3.1. Общие положения
Качество вод в водоемах и водотоках формируется под влиянием многих процессов: поступления и выноса химических ве199:
I дцеств со сточными водами; перемещения и разбавления внесенных
\ загрязнений; химических процессов трансформации и взаимодей\ ствия загрязняющих веществ с естественными компонентами воды;
.биохимических, биологических, физико-химических и физических
процессов, протекающих в водных объектах. Все эти процессы
/ в большей или меньшей степени связаны с гидрологическим режи[ мом водного объекта, его гидродинамическими и морфологиче^ скими характеристиками.
Количественная оценка влияния гидрологических характеристик на интенсивность процессов формирования качества воды водоемов может быть дана еще далеко не для всех названных процессов. Наиболее разработанной является .жетодика расчета_разбавления сточных вдлл реках, озерах и водохранилищах, методика
ра^ётао_саждения взвешенных веществ, содержащихся в "сточных
водах, мщ^дика оценки качества вод п^хш_интегральных показателей, увязанных с вероятностными характеристиками гидрологического режима водного^объекта. _
г
£точнымППГ6Ш^Яи~., называются воды, отводимые после использования в процессе бытовой и производственной деятельности человека. Водные массы рек и водоемов, служащие приемниками:
сточных вод, загрязняются, т. е. происходит процесс изменения их
состава и свойств, приводящий к ухудшению качества воды для
водопользования (Методические основы оценки . . . , 1987).
В зависимости от интенсивности воздействия сточных вод на
водные массы реки или водоема в последних выделяют зоны загрязнения и зоны влияния загрязняющих сбросов.
/> Зоной загрязнения
называют ту часть потока или водоема, в которой при поступлении загрязняющих веществ нарушаются естественные биологические и биохимические процессы, а концентрация загрязняющих веществ превышает установленные нормы по
''санитарным, рыбохозяйственным или другим показателям. Грунты
' этой зоне также оказываются загрязненными:
Зоной влияния называют ту часть потока или водоема, в которую попадают сточные воды из зоны загрязнения или же непосредственно из сброса, но вследствие невысокой концентрации
загрязняющих веществ или ж е кратковременности загрязнения
в ней сохраняется естественный характер биологических и биохимических процессов. Концентрация загрязняющих веществ в сред,
нем не превышает нормы, но могут наблюдаться отдельные объемь
сравнительно сильно загрязненной воды.
n.
Формирование зоны загрязнения происходит постепенно, начи
ная с момента ввода в действие сбросных сооружений. В завися
мости от режима потока (или водоема), режима сброса стоков и о'
других факторов сформированная зона загрязнения будет устой
чивой во времени и пространстве или же будет менять свои раз
меры и формы. В районе сброса сточных вод за счет осаждени;
содержащихся в них взвешенных веществ образуется зона загряз
| нения донных отложении. Загрязненные грунты в этой зоне могу
служить источником вторичного загрязнения водных масс в случа|
~
200
изменения гидрологического режима, гидравлических характеристик или ветро-волнового режима на водоемах.
В результате процессов разбавления, аэрации, биохимических,
химических и физических процессов, протекающих в водном объекте, происходит восстановление первоначальных свойств и состава
воды (самоочищение). Среди этих процессов гидродинамический
процесс разбавления является важнейшей, а иногда и решающей,
частью самоочищения воды от растворенных загрязняющих ингредиентов.
Под разбавлением понимают процесс снижения концентрации
загрязняющих веществ, входящих в состав сточных вод, за счет
смешения с водой реки или водоема. Установление характера распространения и степени разбавления устойчивых химических примесей в водотоке или водоеме является гидравлической задачей*
для решения которой разработан целый ряд методов расчета. Расчет разбавления сточных вод в реке или водоеме может быть
использован для оценки всего комплекса явлений, определяющих
самоочищение, при введении численных характеристик г 'физико-химических и биохимических процессов.
Снижение концентрации взвешенных веществ, содержащихся
в сточных водах, может происходить за счет их осаждения под
I действием силы тяжести. Интенсивность этого процесса будет
1 зависеть как от размеров и массы частиц, так и от гидрологических характеристик рек и водоемов (структуры и режима течений,
ветро-волнового режима). Формирующаяся в районе сброса сточных вод зона загрязнения донных отложений при изменении гидродинамических условий может явиться источником вторичного
загрязнения водных масс. Задачами расчетов в данном случае являются: определение концентраций взвешенных загрязняющих
веществ на различных расстояниях от места выпуска, определение
размеров зоны загрязнения дна и толщины слоя отложений в этой
зоне в зависимости от меняющихся гидродинамических характеристик водного объекта.
3.2. Классификация водотоков и водоемов
применительно к их охране
Основной целью классификации является установление категорий и классов водотоков и водоемов, отражающих их природные
особенности, для обеспечения наиболее эффективной разработки
природоохранных мер в интересах охраны и рационального использования водных ресурсов.
Классификация водотоков и водоемов является составной
частью общей классификации объектов единого государственного
Водного фонда, разработанной в Государственном гидрологическом
институте при участии ряда научно-исследовательских институтов.
Принципы и схема классификации разработаны А. М. Владимировым. Работы по классификации завершены созданием ГОСТа
«Охрана природы. Гидросфера. Классификация водных объектов».
201:
В основу деления в о д о т о к о в (река, канал, ручей, родник) и
водоемов (озеро, в о д о х р а н и л и щ е , п р у д ) на к л а с с ы и к а т е г о р и и
п о л о ж е н ы режимные и морфометрические особенности рассматрив а е м ы х объектов- Критериями классификации с л у ж а т типичные
признаки, о т р а ж а ю щ и е эти особенности и в ы р а ж а е м ы е набором
Характеристик, непосредственно о п р е д е л я ю щ и х у с л о в и я формиров а н и я количества и качества воды.
К а ж д а я ' х а р а к т е р и с т и к а подразделяется на категории, пока«
з ы в а ю щ и е различия в р а з м е р а х о б ъ е к т а и у с л о в и я х его р е ж и м а ,
водообмена и д р . Сочетание категорий д а н н о г о признака показ ы в а е т частные у с л о в и я р е ж и м а водного о б ъ е к т а и о т р а ж а е т с я
р а з р я д о м . Н а первое место в ы д в и г а ю т с я категории и
разряды,
о т р а ж а ю щ и е наиболее неблагоприятные у с л о в и я
формирования
стока и к а ч е с т в а воды.
Н а б о р признаков, вес к а ж д о г о из которых о т р а ж а е т с я р а з рядом, позволяет, определить п о д к л а с с и к л а с с водотока, т. е.
с у м м а с о о т в е т с т в у ю щ и х весовых индексов данной категории дает;
р а з р я д , а с у м м а р а з р я д о в — к л а с с с подклассом.
При классификации водотоков используются с л е д у ю щ и е х а р а к т е р и с т и к и : географическая зона, сезон года, период действия вод о т о к а , х а р а к т е р - меженного периода (его продолжительность*
у с т о й ч и в о с т ь ) , наличие пересыхания, перемерзания или л е д о с т а в а ,
п л о щ а д ь в о д о с б о р а , р а с х о д воды, скорость течения, колебания
у р о в н я воды, т е м п е р а т у р а воды. Эти х а р а к т е р и с т и к и в основном
у ч и т ы в а ю т в количественной форме. Т а к , р а с х о д воды, скорость
течения, т е м п е р а т у р а воды и а м п л и т у д а колебания у р о в н я вычисл я ю т с я к а к средние многолетние х а р а к т е р и с т и к и за
меженный
п е р и о д (или период низкого с т о к а ) .
Д л я водотоков в ы д е л я е т с я три к л а с с а и д в а п о д к л а с с а в к а ж д о м классе. К к л а с с у I относятся большие и очень большие реки
с большой водностью. К л а с с II в к л ю ч а е т п р е и м у щ е с т в е н н о средние реки со средней водностью.
Класс
I I I — м а л ы е реки. Р е к а
с большой п л о щ а д ь ю в о д о с б о р а , но малой в о д н о с т ь ю п о п а д а е т
в к л а с с II, а средняя река, но с большой водностью в к л а с с I.
Водотоки,
находящиеся
в зоне недостаточного у в л а ж н е н и я ,
имеющие продолжительный и устойчивый меженный период, неб о л ь ш у ю скорость течения и значительное снижение у р о в н я в меженный период, а т а к ж е в ы с о к у ю т е м п е р а т у р у воды, в ы д е л я ю т с я
в подкласс А.
В о д о т о к и , которые н а х о д я т с я в зоне избыточного или перемен-,
ного у в л а ж н е н и я и в летне-осенний сезон имеют больший минимальный сток, чем в зимний, не п е р е с ы х а ю т и не п е р е м е р з а ю т ,
имеют к о р о т к у ю или п р е р ы в и с т у ю межень, б о л ь ш у ю скорость течения и незначительное
снижение у р о в н я в меженный период*
а т а к ж е н е в ы с о к у ю т е м п е р а т у р у воды в этот период, в ы д е л я ю т с я
в подкласс Б.
:
Р а з л и ч и е м е ж д у п о д к л а с с а м и у ч и т ы в а е т с я весовыми индексами
и весовыми категориями. Чем меньше номер р а з р я д а , тем х у ж е
у с л о в и я формирования
количества
и к а ч е с т в а воды. П о э т о м у
202:
в подкласс А
п о п а д а ю т водные о б ъ е к т ы преимущественно 1-го
р а з р я д а , а в п о д к л а с с Б — преимуществен,но 2-го или 3-го р а з р я д а .
При к л а с с и ф и к а ц и и водоемов и с п о л ь з у ю т с я с л е д у ю щ и е х а р а к т е р и с т и к и : п л о щ а д ь з е р к а л а , о б ъ е м , м а к с и м а л ь н а я г л у б и н а , колеб а н и я уровня, т е м п е р а т у р а воды, п р о д о л ж и т е л ь н о с т ь л е д о с т а в а ,
с т р а т и ф и к а ц и я , в е р т и к а л ь н а я циркуляция, водообмен. Эти х а р а к теристики р а з б и в а ю т с я на категории (например, б о л ь ш а я , средняя,
м а л а я ) с с о о т в е т с т в у ю щ и м количественным критерием. Величина
гидрологических х а р а к т е р и с т и к у с т а н а в л и в а е т с я по многолетнем
д а н н ы м , а д л я в о д о х р а н и л и щ — в зависимости от степени регулир о в а н и я по многолетним или годовым х а р а к т е р и с т и к а м .
Д л я водоемов в ы д е л я ю т с я четыре к л а с с а и д в а п о д к л а с с а
в к а ж д о м к л а с с е . П р и этом используются те ж е принципы выделения, что и д л я водотоков.
Применение в ы ш е и з л о ж е н н ы х принципов экспертно-балльной
оценки, у ч и т ы в а ю щ е й вес данной х а р а к т е р и с т и к и водного о б ъ е к т а
с р а с с м а т р и в а е м ы х позиций его о х р а н ы от загрязнения} засорения
и истощения, позволяет д о с т а т о ч н о о б ъ е к т и в н о и быстро определ и т ь к л а с с водного о б ъ е к т а , а при выполнении м а с с о в ы х операций
по классификации водных о б ъ е к т о в и с п о л ь з о в а т ь Э В М .
Т а к о й п о д х о д позволил к л а с с и ф и ц и р о в а т ь в е с ь м а разнородные
о б ъ е к т ы водного фонда С С С Р (водотоки, водоемы, у с т ь е в ы е обл а с т и рек, ледники, подземные воды и моря) по единому принципу
с использованием одинаковой с х е м ы классификации.
И з л о ж е н н у ю с х е м у классификации ц е л е с о о б р а з н о р а с с м о т р е т ь
подробнее на примере классификации водотоков. Н а и б о л е е неблагоприятные у с л о в и я д л я формирования х о р о ш е г о к а ч е с т в а воды,
а с л е д о в а т е л ь н о , и д л я с б р о с а сточных вод в водотоки с у щ е с т в у ю т
в м а л о в о д н у ю фазу стока, т. е. в меженный период, когда в р е к а х
резко у м е н ь ш а е т с я р а с х о д воды и скорость течения. П о э т о м у способности потока р а з б а в л я т ь сточные воды резко с н и ж а ю т с я .
М е ж е н н ы й период на р е к а х С С С Р н а б л ю д а е т с я в зимний и летне-осенний сезоны. Б о л ь ш а я ч а с т ь рек имеет н а и м е н ь ш у ю водность
в зимний меженный период, п р о д о л ж и т е л ь н о с т ь которого м о ж е т
с о с т а в л я т ь д о 6 — 7 месяцев. П о э т о м у наличие м а л ы х
расходов
воды в течение длительного времени в реке, покрытой льдом, очень
сильно ограничивает ее с а м о о ч и щ а ю щ у ю способность.
К л а с с и ф и к а ц и я водотоков начинается с у ч е т о м климатических
у с л о в и й , в которых ф о р м и р у е т с я меженный сток, и х а р а к т е р а меж е н н о г о периода (табл. 3.1 и 3.2). П р и этом период меженного
с т о к а я в л я е т с я устойчивым, если он не п р е р ы в а е т с я п а в о д к о м .
В с л у ч а е о т с у т с т в и я какого-либо явления (ледостав, пересыхание
и т. п.) весовой индекс п р и р а в н и в а е т с я к н у л ю .
Основные гидрологические х а р а к т е р и с т и к и , в л и я ю щ и е на процессы самоочищения водотоков, приведены в т а б л . 3.3 и 3.4. К л а с с
в о д о т о к а , п о к а з ы в а ю щ и й его водность и размеры, и п о д к л а с с , отр а ж а ю щ и й у с л о в и я формирования с т о к а воды и с а м о о ч и щ а ю щ и е
способности потока, у с т а н а в л и в а ю т с я по т а б л . 3.5. Н а п р и м е р , классифицируя р. Н е в у у Л е н и н г р а д а д л я летнего сезона, получаем
203:
. (М
со
гийевй
Я-
<м
<м
о,
CQ
й
S
о
с
=я
к
«
о
я
со
ч
га
>.
s
о
ио
я
во
а,
<и
с
О
U №
К
О я
я я
н
га & <и
ь
cj g 5
О
г=С Ю ч
а> СО CQ
К К >-
2сэису
о
ЯS
3
и
се
4
V
<N
.
(N
Д\
1
V
Прерывистый
я
*
=f
се
м
s
•&
CN
X
эмэ^гни
(joaooag
Короткая
US
'I'
<м
Устойчивый
к
я
яJ
Q
ч
ю
.
Длительная
и
и
се
О
a
Категория
и
се
X
A
о
X
та
S
я
S
Я
СО
Значение,
месяц
О
Категория
н
о
Характер межени
t£
О
Продолжительность межени
а
о
Ю
Длительный
Продолжительность ледостава
ж
1. V /
Значение,
месяц
=я
Я
я
Л
Категория
ч
.
Короткое
о
•!•
СО
j Короткий
OS
в£
О
S
о.
V/
Средний
ю
Значение,
месяц
V/
Категория
-Ф г--
Продолжительность
отсутствия стока
S <и
>.
иX
aoDHsir
-ни в и и ^ э
Длительное
cd
Н
гао
204:
—
Ef
я
я
ч .
*о'
—
<м со
.
VBd eed
=r
я
>>5
•V/
i
i
-I- •!•
ю
""
о
A
t
V
Разряд
я %
4
ю
ГО
S-
Т-Н
.тг С О
н
о
о
к
к
о
Ю
о.
О
к
го
ч
«
о
яU
—'
•I(N
О
•в-
Ои
оо 2*
!С
0C
JJ я=
C
Q
к
,
1
ю
—
(М
ГО
-*t*
л
о
Весовой
индекс
U
V
о
Категория
РЖ
сч
о
V
к
а
П1
а:
я
S
Ю
<2000
о
с
a
о
Л
Малая
rt
a.
о
2
Малая
V
2
2000 4-50 000
<N
A
о
. 1 .
i . -1со
Средняя
o.
ю
>50 ООО
и
со
V/
Большая
X
<D
CL
Площадь водосбора, км 2
s
H
CJ
о
£
=C
О
Расход воды, м 3 /с
Сумма индексов
О S
205:
с л е д у ю щ и е д а н н ы е : по т а б л . 3.1 с у м м а в е с о в ы х и н д е к с о в (2 + 2 +
+ 1) р а в н а 5, что с о о т в е т с т в у е т р а з р я д у 2; по т а б л . 3.2 с у м м а инд е к с о в (1 + 1 + 0 + 0) р а в н а 2, р а з р я д 1; по т а б л . 3.3 с у м м а инд е к с о в (2 + 3 + 2) р а в н а 7, р а з р я д 2; по т а б л . 3.4 с у м м а и н д е к с о в
(1 + 1) р а в н а 2, р а з р я д 1. С у м м и р у я р а з р я д ы
( 2 + 1 + 2 + 1 ) ,
п о л у ч е н н ы е по т а б л . 3 . 1 — 3 . 4 , из т а б л . 3.5 у с т а н а в л и в а е т с я к л а с с I
и п о д к л а с с Б. С л е д о в а т е л ь н о , р. Н е в а и м е е т в ы с о к у ю с п о с о б н о с т ь
Таблица 3.5
Классы водотоков
Сумма
разрядов
5
б-т-7
8
9-МО
11
12-7-13
Класс
Подкласс
I
I
II
II
III
III
А
Б
А
Б
А
Б
к самоочищению и может выдерживать значительную нагрузку
сточными водами. Однако количественно допустимую нагрузку
необходимо устанавливать расчетными методами с учетом П Д К Классификация водных объектов отражает основные условия,
о п р е д е л я ю щ и е их с о с т о я н и е в н а и б о л е е н а п р я ж е н н ы е по в о д н о с т и
п е р и о д ы , и не у ч и т ы в а е т ч а с т н ы х о с о б е н н о с т е й . Т а к , при о п р е д е л е нии р а з б а в л я ю щ е й с п о с о б н о с т и р е к и или о з е р а и м е ю т з н а ч е н и я
условия
перемешивания
вод, с у щ е с т в у ю щ и е
в данном водном
о б ъ е к т е , т. е. его г и д р о д и н а м и ч е с к и й р е ж и м .
Имеющееся в реках турбулентное перемешивание определяется
с к о р о с т ь ю течения в о д ы , у к л о н о м р у с л а , его и з в и л и с т о с т ь ю , шероховатостью. Д л я водоемов имеет значение внешний и внутренний в о д о о б м е н , к о т о р ы й м о ж е т х а р а к т е р и з о в а т ь с я с т е п е н ь ю прот о ч н о с т и в о д о е м а , его г л у б и н о й , п л о щ а д ь ю , и з р е з а н н о с т ь ю б е р е г о вой линии.
П о э т о м у при о ц е н к е в о д о т о к о в и в о д о е м о в по у с л о в и я м перем е ш и в а н и я в них с т о ч н ы х в о д м о ж е т б ы т ь и с п о л ь з о в а н а к л а с с и ф и к а ц и я (типизация в о д о т о к о в и в о д о е м о в ) , р а з р а б о т а н н а я в Государственном гидрологическом институте и дополняющая вышеприведенную классификацию водных объектов в отношении учета
их г и д р о д и н а м и ч е с к о г о р е ж и м а . С э т о й ц е л ь ю в ы д е л я е т с я т р и т и п а
р е к : р а в н и н н ы е , г о р н ы е и реки п р е д г о р и й ( п о л у г о р н ы е ) . В з а в и с и м о с т и от п р о д о л ь н о г о у к л о н а в о д н о й п о в е р х н о с т и п о т о к а , шероховатости русла (характеризуемой
типом
грунта,
слагающего
русло, и коэффициентом шероховатости), расхода воды (отражаю щ е й в о д н о с т ь п о т о к а ) и р а з м е р о в в о д о т о к а у с т а н а в л и в а е т с я интенсивность процесса перемешивания загрязняющих веществ. Чем
л у ч ш е п е р е м е ш и в а н и е вод, т е м интенсивнее п р о и с х о д и т р а з б а в л е ние с т о ч н ы х в о д и с а м о о ч и щ е н и е в о д о т о к а .
Наиболее
хорошее
206:
перемешивание вод н а б л ю д а е т с я на горных р е к а х , а с а м о е с л а б о е
перемешивание — на м а л ы х равнинных реках. При этом в реке
т у р б у л е н т н о е перемешивание тем интенсивнее, чем меньше коэффициент Ш е з и С. В т а б л . 3.6 показан пример классификации вод о т о к о в с у ч е т о м гидродинамического р е ж и м а .
Учет особенностей гидродинамического р е ж и м а водоемов производится отдельно для к а ж д о г о из четырех выделенных
типов:
г л у б о к о з о д н ы е сильнопроточные и слабопроточные, мелководные
сильнопроточные и слабопроточные (или бессточные). П о с к о л ь к у
зимой в период л е д о с т а в а о т с у т с т в у е т ветровое и волновое перемешивание водных масс, а т а к ж е з а т р у д н я е т с я их аэрация (что
с о з д а е т у с л о в и я д л я накопления з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в в м е с т а х
их с б р о с а ) , то при типизации водоемов у ч и т ы в а е т с я п р о д о л ж и т е л ь ность л е д о с т а в а .
Внутренний водообмен о б у с л о в л и в а е т с я т у р б у л е н т н о с т ь ю и конвективными процессами, которые связаны с глубиной и п л о щ а д ь ю
водоема. Чем больше и г л у б ж е озеро, тем л у ч ш е перемешивание
вод. Н а и б о л е е интенсивно оно происходит в г л у б о к о в о д н ы х и сильнопроточных в о д о е м а х , а с а м о е с л а б о е в мелководных б е с с т о ч н ы х ,
имеющих к т о м у ж е небольшие размеры.
В г л у б о к о в о д н ы х и больших в о д о е м а х со сточными
водами
в з а и м о д е й с т в у ю т большие м а с с ы воды, у в е л и ч и в а е т с я т у р б у л е н т ное перемешивание и в о з р а с т а е т приток чистых вод в зону загрязнения. В с е это у с к о р я е т процессы перемешивания и самоочищения.
О д н а к о необходимо у ч и т ы в а т ь различия динамических процессов
в прибрежной, мелководной и г л у б о к о в о д н о й частях в о д о е м а , особенно при значительных к о л е б а н и я х глубин и большой изрезанн о е ™ береговой линии, наличии островов.
П р и в е д ё н н а я типизация в о д о т о к о в и в о д о е м о в позволяет качественно оценить в о з м о ж н о с т ь их использования как приемников
сточных вод. Количественная оценка изменений качества воды
в водном о б ъ е к т е при с б р о с е в него сточных вод, выбор места
с б р о с а , определение т р е б у е м о й степени очистки сточных вод и д р .
производится методами, б а з и р у ю щ и м и с я на уравнении т у р б у л е н т ной диффузии и у ч и т ы в а ю щ и м и п о к а з а т е л и качества воды.
К л а с с и ф и к а ц и я водных о б ъ е к т о в по качеству вод, о т р а ж а ю щ а я
у р о в е н ь их загрязненности, позволяет оценить в о з м о ж н о с т и использования речных и озерных вод. Например, снижение категории
водного о б ъ е к т а по качеству воды б у д е т с в и д е т е л ь с т в о в а т ь , с одной стороны, о необходимости с о к р а щ е н и я видов водопользования,
а с другой — об усилении природоохранных мер в отношении этого
о б ъ е к т а . В основу классификации могут быть положены комплексные или комбинированные показатели качества воды, например
гидробиологические или гидрохимические. П р и м е р о м классификации речных вод с учетом П Д К с ц е л ь ю определения в о з м о ж н о с т и
их использования в зависимости от к а ч е с т в а
может
служить
т а б л . 3.7 ( З а р у б а е в , 1976).
А н а л и з распределения по территории вод различного к а ч е с т в а
позволяет получить представление о степени загрязнения водных
207:
208:
Таблица 3.7
Возможности использования речной воды в зависимости от ее качества
Виды водопользования
Качество
воды
Очень чистая
Чистая
Умеренно
чистая
Загрязненная
Грязная
хозяйственнопитьевое
промышленность
Пригодна
Пригодна
Пригодна
»»
с хлорированием
Пригодна
II
со стандартной очисткой
Пригодна
только со
специальной
очисткой
Непригодна Пригодна
для специальных целей после
очистки
„
рыбное
хозяйство
купание,
спорт
Вполне при- Вполне пригодна
годна
Пригодна
То ж е
ч
Пригодна
Пригодна
(кроме ценных видов
р,ы(5ы)
Непригодна
Использование сомнительно
Непригодна
транспорт
Вполне пригодна
Пригодна
»»
Использование нежелательно
Таблица 3.8
Классификация оценки качества воды рек С Ш А
Категория вод
Сильно загрязненные
Существенно- загрязненные
Локально загрязненные
Слабозагрязненные
Отношение длины загрязненных участков к общей
длине реки, %
Доля от всех водных
бассейнов США, %
>50
20 -г-50
Ют-20
24
48
18
<10
10
Таблица 3.9
Классификация оценки качества воды рек Англии
Категория вод
Сильно загрязненные
Плохого качества
Сомнительного качества
Незагрязненные
14
З а к а з № 33
Показатель качества
ВПК мг/л
воды,
>12
3-М 2, 0 2 —• менее 5 0 % насыщения
Зч-12, 0 2 — низкое содержание
< 3 , 0 2 — высокое содержание
Отношение длины за грязненных участков к
общей длине реки, %
5
6
15
74
209
о б ъ е к т о в по их длине, которое м о ж е т быть представлено в т а б л и ч ной форме. Т а к , в конце 60-х годов в С Ш А было обследованосвыше 200 водных о б ъ е к т о в по степени загрязнения [6]. Р е з у л ь т а т ы представлены в т а б л . 3.8. П о д о б н ы е ж е исследования в начале 70-х годов были о с у щ е с т в л е н ы в Англии, причем одним изосновных показателей с л у ж и л а Б П К (табл. 3.9).
Т а б л и ц ы типа 3.8 и 3:9 позволяют иметь общее . п р е д с т а в л е н и е
о состоянии загрязнения водных о б ъ е к т о в и п р е ж д е всего рек„
п р о т е к а ю щ и х в промышленных у р б а н и з и р о в а н н ы х районах.
3.3. Формирование качества вод
в маловодный период года
Многолетние и сезонные колебания речного стока и з а п а с о в
пресных вод в в о д о е м а х о б у с л о в л и в а ю т б о л ь ш у ю н е р а в н о м е р н о с т ь
распределения во времени величины и количества водных р е с у р сов. Н а и б о л ь ш и е затруднения с водообеспечением с о з д а ю т с я в м а ловодные периоды, когда на р е к а х н а б л ю д а е т с я резкое у м е н ь ш е ние р а с х о д о в воды (меженный период, или период низкого с т о к а ) ,
а в о з е р а х — падение уровня. М е ж е н н ы й период на р е к а х С С С Р
м о ж е т д л и т ь с я в течение летне-осенне-зимнего сезонов,
составл я я по продолжительности 6 — 8 месяцев и более. М е ж е н н ы й , а т е м
более минимальный сток в этот период в десятки и д а ж е сотни
раз меньше стока половодий и паводков. Очень неравномерно распределен минимальный сток по территории, у м е н ь ш а я с ь с с е в е р а
на юг в д е с я т ь раз.
Н е р а в н о м е р н о с т ь распределения з а п а с о в пресных вод во времени и по территории при длительном периоде низкого стока, лим и т и р у ю щ е г о водопотребление, н а р я д у с увеличением о б ъ е м а сточных вод о б у с л о в л и в а е т необходимость
комплексной
разработки
проблемы водообеспечения с у ч е т о м количества и к а ч е с т в а воды
при одновременном соблюдении интересов о х р а н ы водных о б ъ е к тов. При этом необходимо иметь достаточно ясное п р е д с т а в л е н и е
о формировании качества воды в период низкого стока.
К а ч е с т в о воды
явление многофакторное и д о л ж н о и з у ч а т ь с я
с различных позиций. Одним из в а ж н е й ш и х ф а к т о р о в я в л я е т с я
водный р е ж и м рек, его изменение во времени и по территории и
связанные с этим изменения химического с о с т а в а поверхностных
вод, что в с в о ю очередь влияет на биологический р е ж и м водотоков.
Водно_сть.,рек в маловодный период ли митируеТ—не, только., количество йоды, в о з м о ж н о е . для использования н е х о з я й с т в е н н ы х
целях, но и ограничивает сброс в реки сточных вод, д а ж е у с л о в н о
чистых, поскольку способности водотоков в отношении р а з б а в л е ния этих вод и самоочищения я в л я ю т с я наименьшими в маловодный период. П о э т о м у при оценке раз'бавляЪщей способности реки
за расчетный обычно .принимается
минимальный
р а с х о д воды
95 %-ной обеспеченности, к а к с о о т в е т с т в у ю щ и й н а и х у д ш и м у с л о виям для формирования к а ч е с т в а воды.™
210:
Пригодность воды д л я удовлетворения н у ж д народного хозяйства устанавливается путем оценки ее химических, физических и
биологических показателей. И з гидрохимических характеристик
наиболее яркими являются такие, к а к минерализация,
ионный
состав и количество органических
веществ.
Естественно,
что
эти показатели не всегда являются
достаточными,
поскольку
требования к качеству воды определяются видом
водопользования.
Наиболее строгие нормы качества воды предусмотрены при
использовании рек д л я питьевого водоснабжения, исключая отдельные виды промышленного водопотребления (химическая, целл ю л о з н о - б у м а ж н а я ) . Д л я технологических н у ж д используется
вода, к которой предъявляются обычно значительно меньшие требования в отношении качества. При этом основное внимание уделяется оценке жесткости и агрессивности, к а к наиболее вредным
ее свойствам, особенно при употреблении воды в паросиловых
установках или при охлаждении агрегатов. Требования к качеству
воды, используемой в сельском хозяйстве и животноводстве, несколько снижены по сравнению с питьевой водой по таким показ а т е л я м , к а к цветность, прозрачность, запах.
О б щ и е требования к составу и свойствам воды в местах водопотребления и водопользования нормируют ее минерализацию,
концентрацию посторонних примесей (взвешенные вещества), сод е р ж а н и е растворенного кислорода и биохимическую потребность
в нем ( В П К ) , водородный показатель ( р Н ) , цвет, запах, температуру, отсутствие возбудителей заболеваний и безвредность в отношении содержания ядовитых и радиоактивных веществ.
С гидрохимических позиций качество воды ч а щ е всего оценивается по таким основным показателям, к а к ее минерализация,
жесткость, агрессивность, наличие органических веществ, биогенных соединений и вредных примесей. О качестве воды можно
судить и по гидробиологическим признакам: на основании данных
о видовом составе гидробионтов с учетом количества присутствующих в воде органических и токсичных веществ.
J T p j M m ^ ^ H e H M ^ B природные воды попадают минеральные и
органические
1геще8тва7тя—та^
МИЩЮорга-
ни 3ivra (Тш о л о г ич ее к ое и б а к т е р и а л м ю е загрязнение). Ст§день_за- т р я з н ё н и я природных д о д ^ а ^ е т ^ щ ^
ця1Шщх
щест,-лге_лостаяш
-по -т-ер р итор и и. Она_.
'уменьшается с увеличенЦэд/количества чистой воды,..кО-ТО_Р..ое м.ожет
происходить'^
атщк^е^ы:^
с выше расположенной части водосбора и л и и з незагрязненных
акваторий в о д о е м а / а т а к ж ё в^процессе самоочищения воды. По_следяее~й'р~би'сходйт лишь до тис пор, пока концентрация загрязняющих веществ не превысит ф и ж ч е с к о й возможности реки к самоочищению, которое наступает при неспособности реки осуществить разбавление сточных вод в недбходимой мере. Это ж е относится и к водоемам.
\
13*
211
Н а и меньши й л ф иток- ев ежих- вод" в- - в од о?ш*й-"И--ввдоемьгтга15л ю д а е т с я в м а л о в о д н у ю _ ф а з у стока,
щесишгется
Поэтому наибольшая
ко н Ц1нх1хад-ия-.з а^р-яа-н-я ющ№х- - вещвС1в„ .в. ни х п р о и сШдТТГ~в~~жежен ный пер
и_д_.эхот--.: же~ .период ..они имеюх..^ха и ж ш ь щ у ю р а з б а в ~
ляСТГ^По
бен но зимой. С л е д о в а т е л ь н о , наиболее интенсивно ^ у х у д ш е н и е
качгеЯъаГводы можйт^дроизойт-в^е№вдд..дизкого ст6ка"на^'1рёкауг
Одним из основных показателей к а ч е с т в а в о д ы , " важн'ым~Хля~"
многих водопотребителей (коммунально-бытовое, промышленное,
сельскохозяйственное и д р . ) , является естественная
минерализация воды. О н а непосредственно связана с р а с х о д о м воды в реке
и зависит от водного р е ж и м а водотока. С уменьшением
расхода
воды н а б л ю д а е т с я интенсивное увеличение ее минерализации, дос т и г а ю щ е е м а к с и м а л ь н ы х значений при наибольшем истощении
речного стока, т. е. при его минимальном значении, особенно в случае питания рек из глубоких водоносных горизонтов, з а к л ю ч е н н ы х
в легко р а с т в о р и м ы х г и д р о к а р б о н а т н ы х породах. П о э т о м у
чем
б о л ь ш у ю д о л ю в речном стоке с о с т а в л я ю т воды глубоких водоносных горизонтов, тем выше его минерализация. В районах, имеющ и х однородное геологическое и гидрогеологическое строение и
одинаковый водный режим, н а б л ю д а е т с я достаточно т е с н а я зависимость по территории м е ж д у минерализацией рек и их р а с х о д а м и
воды. Т а к и е связи п р е д с т а в л я ю т большой интерес при оценке естественной минерализации неизученных рек с использованием данных о стоке.
Изменение минерализации вод на обширных
территориях
происходит в больших пределах. Т а к , на р е к а х европейской части
С С С Р минерализация вод изменяется в 1 5 — 2 0 раз с севера на
юг. Е е наименьшее значение н а б л ю д а е т с я в зоне избыточного
у в л а ж н е н и я , а наибольшее — в зоне недостаточного у в л а ж н е н и я .
В этом ж е направлении у в е л и ч и в а е т с я глубина залегания водоносных горизонтов, д р е н и р у е м ы х реками, и величина эрозионного
вреза их русел, п о в ы ш а е т с я минерализация подземных вод.
В отношении химического с о с т а в а вод н а б л ю д а е т с я подобная
ж е картина. В зоне минерализации д о 600 мг/л ( м а л а я минерализация) отмечается п р е о б л а д а н и е анионов Н С О з и катионов С а 2 + ,
а в зоне повышенной минерализации происходит смена анионов
Н С О з " на S 0 4 ~ и С1~, а катионов Са 2 + на N a + и Mg 2 +. Последние,
п р а в д а , п р и с у т с т в у ю т и в маломинерализованных в о д а х водных
о б ъ е к т о в северных территорий.
М и н е р а л и з а ц и я вoды-B-JИfiжe^шыiLд£pтод^aм^
л о м г к о т о р о г о могут
н ы Е .для-форм-ирования™^^^
о химическом,
тем преде-
период позвол^ууу пдо-.
изводить п р е д в а р и т е л ь н у ю оценку качества воды в_другие сезоны,
котда ^рёкрГ питаются не 'то
но и п о в е р х н о с т н ы м и
водами, с учет©'М-сняжеш(я~лш-нерализЩии'^ды "с увеличением
поступления поверхностных вод.
212:
2893:
, Сведения о минерализации воды имеют б о л ь ш о е значение п р и
оценке пригодности речных вод д л я орошения сельскохозяйственных к у л ь т у р . О б ы ч н о и о д а считается пригодной д л я орошения, если:
количество растворенных в ней солей не п р е в ы ш а е т 1000 мг/л. Однако в р а й о н а х южной части зоны недостаточного у в л а ж н е н и я этозначение часто больше, и поэтому возникают т р у д н о с т и с использованием вод для. орошения в меженный период, х о т я именно т о г д &
она особенно необходима. В ы с о к а я минерализация вод н а р я д у
с их недостаточным количеством о б у с л о в л и в а е т
необходимостьпереброски с т о к а из д р у г и х районов с меньшей минерализацией вод.
О б р а з у ю щ и е с я при орошении в о з в р а т н ы е воды имеют повышенное с о д е р ж а н и е солей, в ы м ы в а е м ы х из почво-грунтов при о р о ш е нии, а т а к ж е я д о х и м и к а т ы . С о г л а с н о д а н н ы м исследований, п р о веденных в Г о с у д а р с т в е н н о м гидрологическом институте, для?
некоторых оросительных систем минерализация к о л л е к т о р н о - д р е н а ж н ы х вод, с б р а с ы в а е м ы х с орошаемой территории в водотоки,.
п р е в ы ш а е т их е с т е с т в е н н у ю м и н е р а л и з а ц и ю в 5—-10 раз. П о э т о м у
в р а й о н а х интенсивного орошения минерализация воды в реках,
постоянно п о в ы ш а е т с я .
П р и использовании воды в питьевых, промышленных и хозяйственно-бытовых целях большое значение имеет значение ее жесткости,
измеряемое
количеством
Са 2 + и M g 2 + ,
выраженных
в мг-экв/л. О б щ а я ж е с т к о с т ь с л а г а е т с я из у с т р а н и м о й (удаляемой-кипячением) и постоянной. П о с л е д н я я в с в о ю очередь делится на
о с т а т о ч н у ю и н е у с т р а н и м у ю . У с л о в н о вода считается мягкой, еслш
о б щ а я ж е с т к о с т ь с о с т а в л я е т менее 3 мг-экв/л, ж е с т к о й — до»
9 мг-экв/л и очень жесткой, мало, пригодной д л я практическогоиспользования, если о б щ а я ж е с т к о с т ь п р е в ы ш а е т 9 мг-экв/л. Помимо общей ж е с т к о с т и определенное значение имеют устранимая^
и постоянная ж е с т к о с т и и их соотношение. О б щ а я ж е с т к о с т ь , как:
правило, п о в ы ш а е т с я с ростом минерализации воды. П о э т о м у х а р а к т е р ее распределения по территории С С С Р в целом совпадаетС распределением минерализации вод. О б щ а я ж е с т к о с т ь воды значительно у м е н ь ш а е т с я , когда питание рек о с у щ е с т в л я е т с я п о в е р х ностными водами. П о э т о м у в меженный период ж е с т к о с т ь водьв
в р е к а х я в л я е т с я предельной. В о с т а л ь н ы е сезоны года, т. е. в мног о в о д н у ю фазу стока, она значительно меньше. В период половодья»
жесткость
воды
может
быть в три-четыре р а з а меньше, ч е м
в межень.
Б о л ь ш о е практическое значение имеет агрессивность
воды, т. е..
ее способность р а с т в о р я т ь химические в е щ е с т в а , в х о д я щ и е в составм а т е р и а л о в , из которых строятся гидротехнические сооружения.А г р е с с и в н о с т ь воды зависит от большого числа ф а к т о р о в и связанас химическим с о с т а в о м и р е ж и м о м стока. И м е е т с я несколько видов,
агрессивности воды [5]:
—
—
в ы щ е л а ч и в а ю щ а я , свойственная мягким водам;
о б щ е к и с л о т н а я , з а в и с я щ а я от кислотности воды;
—
—
у г л е к и с л а я , я в л я ю щ а я с я частным с л у ч а е м
агрессивности;
с у л ь ф а т н а я и магнезиальная агрессивность.
общекислотной
Интенсивность в ы щ е л а ч и в а ю щ е й агрессивности определяется
с к о р о с т ь ю омывания бетона водой и наличием напорных явлений.
'Чем больше о б щ е к и с л о т н а я агрессивность, тем сильнее происходит
•растворение защитной к а р б о н а т н о й пленки бетона и его р а з р у ш е шие. Н а и б о л е е широко в природных в о д а х р а с п р о с т р а н е н а углекисл а я агрессивость, р а с т в о р я ю щ а я к а р б о н а т н ы е соединения.
Степень агрессивности воды определяется д л я конкретных во„дотоков и водоемов по ее химическому с о с т а в у и у с л о в и я м воздейс т в и я на с о о р у ж е н и е — скорости течения, напору, п л о щ а д и соприк о с н о в е н и я воды с с о о р у ж е н и е м и длительности этого соприкосновения и др. В целом агрессивность воды в значительно меньшей
мере проявляется в меженный период. О д н а к о в зоне мягких вод
«она весьма значительна и д о л ж н а у ч и т ы в а т ь с я при строительстве
гидротехнических сооружений, т е м более, что сброс некоторой кат е г о р и и загрязненных вод м о ж е т с у щ е с т в е н н о усилить агрессивн о с т ь природной воды.
При использовании вод д л я питьевого в о д о с н а б ж е н и я большое
.значение имеет их цветность. Она зависит от количества вымываемых из почвы органических в е щ е с т в г у м у с о в о г о происхождения и
••продуктов р а с п а д а растительности (дубильные в е щ е с т в а ) . П р и
инфильтрации поверхностных вод в почвенно-грунтовую т о л щ у
^происходит уменьшение количества растворенных в них органичес к и х веществ, изменение цвета воды и ее окисляемости. Н а и б о л ь ш у ю цветность речные воды имеют в половодье и паводки, а наим е н ь ш у ю в меженный период. Очень в ы с о к у ю цветность имеют
«болотные воды, насыщенные г у м у с о в ы м и о с т а т к а м и , а очень мал у ю — воды горных рек, особенно в период межени.
Ц в е т н о с т ь воды в значительной мере определяет ее
окисляе-мость, т. е. способность растворенных в воде органических в е щ е с т в
к окислению различными по силе окислителями — б и х р о м а т о м и
-перманганатом. О к и с л я е м о с т ь воды в о з р а с т а е т с увеличением ее
«цветности и меняется во времени в д е с я т к и и д а ж е сотни раз.
П е р м а н г а н а т н а я окисляемость д а е т представление о количестве
"кислорода, необходимого для окисления л е г к о о к и с л я ю щ е й части
«органического в е щ е с т в а . Б и х р о м а т н а я
окисляемость
позволяет
с у д и т ь о полном с о д е р ж а н и и в воде органических веществ. И х соо т н о ш е н и е п о к а з ы в а е т степень т р а н с ф о р м а ц и и г у м у с о в ы х органич е с к и х веществ.
Н а и м е н ь ш у ю цветность речные воды имеют в зимний меженный период (обычно меньше 25°), поскольку количество легко
' о к и с л я ю щ е г о с я органического в е щ е с т в а в этот сезон резко уменьшается. О д н а к о в районах с развитыми болотными в о д а м и (северные и северо-западные районы европейской части С С С Р , П о л е с ь е ,
З а п а д н а я Сибирь и др.) различие в цветности и окисляемости по
сезонам года невелики. В меженный период отмечается большее,
S214
чем в период половодья, количество локальных районов, о т л и ч а ю щихся по составу растворенных органических веществ.
Таким образом, при оценке минерализации и химического с о става воды, а т а к ж е ее жесткости в первую очередь необходимо»
анализировать данные за меженный период, в который н а б л ю д а ются наиболее высокие показатели этих компонентов. Оценку жеагрессивности воды и количества органических веществ в ней ц е л е сообразно производить за многоводную фазу, поскольку в м е ж е н ный период их значение обычно меньше.
—.
При промышленно-бытовом водоснабжении большое значениеиШТОт биогенные соединения,
находящиесяТ~1одёГ~йх~кодцчествО"
свя"з^О~с^кйЖёХеятелБн^)ет-ью^олных организмов. Основное з н а - ,
чение имеют нитриты, нитраты, общее железо, фосфаты и кремний^
Наличие нитритов у к а з ы в а е т на свежее загрязнение водного объ-|
ектаг—стстчв'Бши'~воД"а'шгг~тто'ск'оя-ьк-у--они являются промежуточно®
формой окисления азота при минерализации органического в е щ е р
ства и _очень неустойчивы во времени, быстро окисляются и nepetх о д я т ' в нитраты. Поэтому"юГсодержание в воде обычно колеблете®
от 0 до 0,1 мг/л. Н а и б о л ь ш е е количество нитритов наблюдаетсят
зимой, особенно перед началом половодья. Самые низкие конценн
трации этих соединений отмечаются летом, когда особенно интен-\
сивна деятельность фитопланктона, питающегося ими.
Н и т р а т ы содержатся в воде в большем количестве (в среднеш/
до 5 мг/л), поскольку они являются конечным продуктом процесса/
минерализации ; органического вещества. Н и т р а т ы т а к ж е потреб^
ляются фитопланктоном, поэтому в теплый период года их очень]
мало в воде, зато зимой это количество возрастает в десятки раз. 1
Наиболее устойчивыми из биогенных элементов являются фос- \
фаты и их соединения. Содержание растворенного минерального»
фосфора в различных водах обычно незначительно — до 0,2 мг Р / л ,
достигая максимума зимой. Содержание ж е л е з а меняется во времени в большей степени. В летний меженный период его количество в воде наименьшее вследствие интенсивного фотосинтеза ш
хорошей аэрации воды, В зимнюю межень потребление ж е л е з а р а с тительностью прекращается, образование окисного ж е л е з а из.
закисного в результате прекращения аэрации практически отсутствует и поэтому содержание ж е л е з а возрастает значительно. О д нако наибольшее количество ж е л е з а воды с о д е р ж а т в период п о ловодья, когда наиболее интенсивно растворяются железистыесоединения, находящиеся в почвенном слое.
Содержание кремния в воде достигает максимального значения-;
зимой, когда водные объекты питаются грунтовыми водами, в н о сящими этот элемент, а его потребление диатомовыми водорослями»
отсутствует. Р а з н и ц а между содержанием кремния в зимнюю w
летнюю межень составляет сотни процентов.
Исследование связи естественного качества вод с водным режимом водотоков и водоемов необходимо к а к д л я оценки возможности использования вод д л я народного хозяйства, т а к и д л я
изучения изменения качества вод под влиянием загрязнения сточ215:
н ы м и водами. Оно в определенной мере позволяет о с у щ е с т в л я т ь
р а с ч е т предельно допустимой концентрации в е щ е с т в в д а н н о м водн о м о б ъ е к т е при загрязнении его сточными водами, а т а к ж е прои з в о д и т ь прогноз возможной степени загрязнения.
—-.Важным
п о к а з а т е л е м загрязнения природных вод является
^наличие в них растворенного кислорода, который влияет на биохимические процессы, п р о т е к а ю щ и е в водной среде. Степень загрязнения воды в каком-либо пункте может х а р а к т е р и з о в а т ь с я биолог и ч е с к и м п о к а з а т е л е м загрязнения ( Б П З ) , п р е д с т а в л я ю щ и м с о б о ю
«отношение количества биологического потребления кислорода за
щентаду ( Б П К Б ) К перманганатной окисляемости, к о т о р а я в меженн ы й период имеет наименьшее значение при в о з р а с т а ю щ е м Б П К С о д е р ж а н и е кислорода в воде зависит от площади открытой
г о д н о й поверхности, скорости течения воды и т у р б у л е н т н о г о перев е ш и в а н и я водных масс, от т е м п е р а т у р ы воды, а т а к ж е от биохим и ч е с к и х и д р у г и х факторов. Именно в меженный период больш и н с т в о эти х а р а к т е р и с т и к имеет наименьшие значения и, следов а т е л ь н о , не с п о с о б с т в у е т повышению с о д е р ж а н и я
кислорода
в воде, особенно зимой. П о э т о м у в период зимней межени колич е с т в о кислорода м а к с и м а л ь н о с о к р а щ а е т с я . Чем длительнее меж е н н ы й период, тем острее ч у в с т в у е т с я кислородная недостаточшость в воде, тем с т р о ж е с л е д у е т следить за качественным состоявшем водотоков и водоемов, используемых в народном хозяйстве.
С н и ж е н и е с о д е р ж а н и я кислорода в воде увеличивает восприимчив о с т ь водных организмов к воздействию токсичных веществ, поп а д а ю щ и х в водные о б ъ е к т ы , и резко у м е н ь ш а е т способность воды
ж самоочищению.
При недостаточном количестве кислорода в воде в несколько
;раз с н и ж а е т с я скорость биохимического р а з л о ж е н и я нефтепродукт о в , п о п а д а ю щ и х с берегов или от водного т р а н с п о р т а . Д о п у с т и м о е
содержание
нефтепродуктов
в воде
не д о л ж н о
превышать
'0,05 мг/л. С л е д о в а т е л ь н о , оно в значительной мере зависит от кол и ч е с т в а воды, интенсивности перемешивания и р а з б а в л е н и я , кот о р ы е наименьшими б ы в а ю т в период минимального стока. Д л я
«большей части водных о б ъ е к т о в С С С Р это происходит
зимой,
когда т е м п е р а т у р а воды очень низкая, что т о ж е резко з а м е д л я е т
«скорость р а з л о ж е н и я нефтепродуктов. П о э т о м у в зимний меженн ы й период влияние нефтепродуктов, к а к з а г р я з н я ю щ е г о компон е н т а , на качество воды б у д е т наибольшим.
Сточные воды предприятий химической промышленности, т а к и х ,
:как коксохимические, сланцевые, лесохимические, анилинокрасочн ы е , нередко с о д е р ж а т фенолы, которые значительно н а р у ш а ю т
•биологические процессы в воде и у х у д ш а ю т ее качество. Н а и б о л е е
•токсичными я в л я ю т с я одноатомные фенолы. И х предельно допустимая концентрация в воде не д о л ж н а п р е в ы ш а т ь 1 мкг/л. Н а и б о л е е
.-интенсивный р а с п а д фенолов происходит при высокой т е м п е р а т у р е
воды и резко с н и ж а е т с я при т е м п е р а т у р е воды меньше 7 ° С . Поэ т о м у в летний меженный период, когда глубина на реках (и озер а х ) небольшая, происходит хорошее прогревание речных вод,
S216
способствующее уменьшению содержания фенолов. Однако снижение с о д е р ж а н и я кислорода в воде з а д е р ж и в а е т этот процесс. Скор о с т ь р а с п а д а ф е н о л о в з а в и с и т т а к ж е от ц е л о г о р я д а п р и ч и н ,
включающих
качественный
и количественный состав фенолов,
наличие в воде органических веществ, сероводорода, кислых смол
и других химических веществ. Следовательно, летом содержаниефенолов в воде рек и озер может значительно колебаться. Зимой,
когда т е м п е р а т у р а воды и с о д е р ж а н и е в ней кислорода с т а н о в я т с я
весьма низкими, концентрация фенолов может быть высокой и
сохраняться длительное время. В этом отношении зимняя межень
является наиболее неблагоприятным периодом.
При с б р о с е в реки ш а х т н ы х и рудничных вод, а т а к ж е с т о ч н ы х
вод р у д о о б о г а т и т е л ь н ы х ф а б р и к и предприятий э л е к т р о х и м и ч е с к о й
и химической промышленности происходит загрязнение воды цинком и медью. При их значительной концентрации з а д е р ж и в а е т с я
процесс самоочищения воды от органических веществ. Ионы меди
и цинка могут у д а л я т ь с я из воды лишь в р е з у л ь т а т е х и м и ч е с к и х
реакций, процессов сорбирования и потребления их водной растительностью. О д н а к о полностью они, к а к правило, не у д а л я ю т с я и а
воды, поэтому основное значение д л я снижения их концентрации
имеет процесс р а з б а в л е н и я сточных вод. О н происходит тем интенсивнее, чем б о л ь ш е р а с х о д речных вод п р е в ы ш а е т р а с х о д сточных. Понятно, что в меженный период это соотношение я в л я е т с я
наименьшим, если сброс сточных вод о с т а е т с я постоянным. След о в а т е л ь н о , в этот период происходит н а и б о л ь ш е е загрязнение вод,
что необходимо у ч и т ы в а т ь и с о к р а щ а т ь или в о о б щ е п р е к р а щ а т ь
сброс сточных в о д в водные о б ъ е к т ы .
П р и попадании в воду моющих синтетических в е щ е с т в (синте-Я
тические поверхностно-активные в е щ е с т в а — С П А В ) она приобре- I
т а е т неприятный привкус и з а п а х , у х у д ш а е т с я ее биохимическая \
очистительная способность, у г н е т а е т с я или совсем п р е к р а щ а е т с я \
развитие водной растительности, а при большой концентрации 1
С П А В д а ж е о б р а з у ю т с я стойкие скопления пены на поверхности /
воды. С к о р о с т ь р а з л о ж е н и я этих в е щ е с т в зависит, помимо их х и - [
мического строения и концентрации в воде, от т е м п е р а т у р ы водьв
и дефицита растворенного в ней кислорода, т. е. в основном от тех\
ж е факторов, что и скорость р а с п а д а фенолов. П о э т о м у у с л о в и я х
и время их наибольшей возможной концентрации в воде совпаду
дают.
^
Немаловажное значение_для_фо.рш1ртадия_^£ачестд.а
воды
„имеет т е м п е р а т у р н ы й ^ е ж и м
Н а р у ш е н и е теплового р е ж и м г Г р ё к и озер происходит при сбросе промышленных в о д
с повышенной температурой. Основными п о с т а в щ и к а м и т а к и х в о д
я в л я ю т с я т е п л о в ы е электростанции. Р е ч н а я вода, и с п о л ь з у е м а я д л я
о х л а ж д е н и я а г р е г а т о в станций, н а г р е в а е т с я по сравнению с первоначальной т е м п е р а т у р о й в среднем на 7 — 8 °С летом и на 12-^
14 °С зимой. Т е м п е р а т у р а с б р а с ы в а е м ы х вод не д о л ж н а п р е в ы ш а т ь
т е м п е р а т у р у источника в о д о с н а б ж е н и я
более чем на 3 — 5 ° С .
И н а ч е в водном о б ъ е к т е начинается интенсивное развитие биоло217:
этических организмов и растительности, особенно сине-зеленых вод о р о с л е й , увеличивается
потребление кислорода,
замедляются
п р о ц е с с ы самоочищения и т.. п. В с е это ведет к у х у д ш е н и ю качес т в а воды. Понятно, что в маловодный период влияние с б р а с ы в а е м ы х теплых вод на качество воды реки или озера, принимающих
'•их, м о ж е т быть наибольшим, особенно летом, когда д о с т а т о ч н о
в ы с о к а естественная т е м п е р а т у р а воды.
В районе городов загрязнение рек и озер может, происходить не
т о л ь к о за счет с б р о с а к о м м у н а л ь н о - б ы т о в ы х и промышленных вод,
н о и в р е з у л ь т а т е стока д о ж д е в ы х и моечных вод с городской территории. Эти воды обычно с о д е р ж а т большое количество минеральн ы х и органических веществ. Загрязненность вод
взвешенными
в е щ е с т в а м и м о ж е т к о л е б а т ь с я в больших п р е д е л а х (например,
500—5000 мг/л), а значение Б П К 5 изменяться в д е с я т ь раз. Пос т у п л е н и е т а к и х вод у х у д ш а е т органолептические свойства воды,
«ее кислородный р е ж и м и с п о с о б с т в у е т заилению в о д о т о к о в и водоемов вследствие большого количества взвесей и к р у п н ы х частиц, сод е р ж а щ и х с я в них. При этом чем л у ч ш е производится очистка
п р о м ы ш л е н н о - б ы т о в ы х сточных вод, с б р а с ы в а е м ы х в реки и озера,
т е м значительнее влияние, о к а з ы в а е м о е водами, с т е к а ю щ и м и с гор о д с к о й территории и не п о д в е р г а в ш и х с я т а к о й очистке. И х значение в о з р а с т а е т летом в периоды длительного о т с у т с т в и я о с а д к о в ,
к о г д а меженный сток с н и ж а е т с я д о минимума, а интенсивность
поливо-моечных р а б о т на городской территории р е з к о увеличивается.
Загрязнение водных о б ъ е к т о в сточными в о д а м и м о ж е т происход и т ь постоянно и эпизодически. П о с л е д н е е о с у щ е с т в л я е т с я
при
р а з о в ы х в ы п у с к а х промышленных стоков в водотоки или водоемы.
О н о м о ж е т р е г у л и р о в а т ь с я во времени и приурочиваться к многов о д н ы м периодам. О д н а к о в отдельных с л у ч а я х ' при аварийных
с б р о с а х загрязненных вод природным в о д а м м о ж е т быть причинен
в е с ь м а большой у щ е р б , особенно в меженный период.
П о с т о я н н о е загрязнение водных о б ъ е к т о в м о ж е т происходить
•при сбросе не только неочищенных, но и не п о л н о с т ь ю очищенных
ъ о д в р е з у л ь т а т е накопления различных з а г р я з н я ю щ и х компонентов. Э т о накопление происходит тем быстрее, чем б л и ж е их конн е н т р а ц и я к предельно допустимой. Б о л ь ш о е значение при этом
и м е е т длительность м а л о в о д н о г о
периода,
вернее
соотношен и е меженного стока и количества сточных в о д (при их постоя н н о м химическом с о с т а в е ) с учетом
устойчивости
меженного
периода.
При прерывистой межени, т. е. когда меженный период прер ы в а е т с я п а в о д к а м и различной величины и продолжительности,
п р о и с х о д и т промывка р у с л а реки, в р е з у л ь т а т е чего обычно сниж а е т с я загрязнение вод. Э т о т фактор я в л я е т с я весьма в а ж н ы м
п р и у ч е т е динамики химического с о с т а в а и загрязнения природных
вод. Основное значение д л я рек С С С Р он имеет в летне-осенний
период, когда на р е к а х ф о р м и р у ю т с я д о ж д е в ы е паводки. Зимой
п о д о б н о е м о ж е т происходить лишь в з а п а д н ы х и ю ж н ы х р а й о н а х
218:
европейской части СССР, где оттепели создают паводки в результате снеготаяния и выпадения дождей.
Осуществляя контроль за качеством вод, необходимо учитыватьне только естественное гидрохимическое состояние водных объектов и химический состав сточных вод, попадающих в них, а также
соотношение объемов сточных и естественных вод, но и гидроди-1
намические условия, существующие в этих объектах в период сброса,
сточных вод. Гидродинамические условия, существующие в реках
и озерах, определяют процессы разбавления и перемешивания
сточных вод и способствуют повышению (или снижению) самоочищающей способности реки (озера), влияя на скорость протекания
физико-химических и биологических процессов, снижающих концентрацию загрязняющих веществ в водных объектах. Гидродинамический процесс разбавления сточных вод в значительной мере
определяется расходом воды в реке (или объемом воды в озере),,
скоростью течения, шириной и глубиной потока, а также некото^рыми другими характеристиками.
Пространственные размеры зоны разбавления сточных вод
в реке в значительной мере определяются естественным расходом:
воды в районе сброса. Расход воды зависит от водного режима
реки, т. е. от характера питания и его изменчивости по сезонам к
годам, а также по территории. Изучение зависимости размеров зон
разбавления от расходов воды различной обеспеченности для водотоков с разными условиями формирования стока и разными гидравлическими условиями протекания воды при постоянном расходе сточных вод (установившийся режим загрязнения) представляет большой практический интерес. В этом случае одновременноучитывается изменчивость речного стока во времени и по территории. При исследованиях целесообразно использовать гидрологические и гидрохимические характеристики равной обеспеченности.
Учет разбавляющей способности реки, основанный на гидрологических данных, ее самоочищающей способности позволяет
установить режим сброса загрязненных вод в реки и оценить допустимое количество сбрасываемых вод (критическая нагрузка)_
Естественно, что при этом в полной мере учитывается природный;
сток в реке и химический состав речных и сбрасываемых вод.
Использование малых и частично средних рек как приемников
сточных вод может довольно быстро привести к их загрязнению на
больших пространствах, поскольку способности таких рек к разбавлению и самоочищению своих вод весьма невелики, особенно
в меженный период. Это же относится к малым и средним озерам.
Поэтому таким водным объектам должно уделяться первоочередное внимание при разработке природоохранных мероприятий. При
этом необходимо иметь достаточно надежные сведения о природном качестве вод рек и озер (как и других водных объектов) .которые могут испытывать нагрузку сточными водами или быть их
приемниками.
219:
3.4. Оценка естественного качества вод
в маловодную фазу стока
Природное качество воды рек и озер я в л я е т с я т е м фоном и
о с н о в о й , на которых происходят качественные изменения состояния
водного о б ъ е к т а , вызванные в м е ш а т е л ь с т в о м человека. Количес т в е н н а я оценка химических ингредиентов о с у щ е с т в л я е т с я по рез у л ь т а т а м единичных проб воды в п у н к т а х гидрометрических измерений. М е т о д и к а отбора проб, их о б р а б о т к а и анализ р а с с м а т р и в а ю т с я в к у р с а х гидрометрии и гидрохимии.
Д а иные гшт рпх и мичег.кпгп анализа позволяют получить сведеия о качестве воды лишь в п у н к т а х о т б о р а проб воды. Д л я неизученных в гидрохимическом отношении рек представление о при-'
р о д н о м качестве вод м о ж н о получить по д а н н ы м о гидрохимических х а р а к т е р и с т и к а х «местного стока» (по определению П. П. Вор о н к о в а [ 5 ] ) , под которым понимаются химические ингредиенты,
о б р а з у к ш ш е с я - в . р е з у л ь т а т е растворения неорганических__и органи. ческих_ соединений .толши лочво-1рунто!з7~~СТ"атШощих
водосборы
MajrgJL-PfiicJtia, больших и средних р е к а х химический состав воды
формируется в р е з у л ь т а т е смешения различных по с о с т а в у вод,формирующим^
.реках. О б о б щ е н и е
гидрохимических:
х а р а к т е р и с т и к местного стока в форме карт районов или к а р т
изолиний химических ингредиентов, ф о р м и р у ю щ и х основные показатели к а ч е с т в а воды, позволяет получить необходимые сведения
д л я неизученных в гидрохимическом отношении рек. При оценке
е с т е с т в е н н о г о к а ч е с т в а воды в о з м о ж н о т а к ж е использование связи
химических ингредиентов с гидрологическими х а р а к т е р и с т и к а м и ,
например с р а с х о д о м воды, или с основными п о к а з а т е л я м и к а ч е с т в а
в о д ы (так, о б щ у ю минерализацию воды можно у с т а н о в и т ь по
связи с с о д е р ж а н и е м основных ионов в речной вОде) .
О п р е д е л я я природное качество воды, необходимо учитывать ее ;
тенезис. В период половодья или с у щ е с т в е н н ы х п а в о д к о в в руслов о й сети п р е о б л а д а ю т воды, ф о р м и р у ю щ и е с я на поверхности водос б о р а и в почвенной толще. Н а спаде половодья или больших по
о б ъ е м у паводков речная сеть заполняется водами почвенно-грунтового происхождения. В остальное время, особенно в период меж е н и , в русловой сети п р е о б л а д а ю т грунтовые воды. В зависимости от происхождения воды б у д у т существенно р а з л и ч а т ь с я по
•содержанию неорганических соединений и по количеству растворенных органических веществ. К а р т и р о в а н и е химических х а р а к т е р и с т и к вод различного происхождения позволяет получить данные
о количестве химических ингредиентов местного стока неизученных
р е к в разные фазы водности, а т а к ж е об их
гидрохимическом
режиме.
•^_JVLajitte~^peKH наиболее легко п о д в е р г а ю т с я загрязнению, по. э ш м з ы ц ш - н е е т р т е н н й - к а р т районов или изолиний химических х а р а к т е р и с т и к для оценки фонового состояния к а ч е с т в а вод данной
т е р р и т о р и и необходимо т щ а т е л ь н о анализировать исходные данные
и исключать створы с существенно нарушенным гидрохимическим
220:
р е ж и м о м . И с п о л ь з у е м ы е д л я обобщений в о д о с б о р ы
малых
рек
—• поверхность в о д о с б о р а д о л ж н а быть однообразной по рель-
ефу с малым перепадом высот;
—
бассейн в о д о т о к а д о л ж е н быть с л о ж е н породами в основном
одного литологического с о с т а в а и не иметь с у щ е с т в е н н о г о
притока
подземных
вод, сформированных за пределами
данного водосбора;
—• почвенный покров в о д о с б о р а д о л ж е н быть однообразным по
степени его засолоненности
легкорастворимыми
солями
(хлориды, с у л ь ф а т ы ) ;
— п р е о б л а д а ю щ а я на в о д о с б о р е растительность д о л ж н а занимать 7 0 — 7 5 % его п л о щ а д и ;
— формирование фаз водности д о л ж н о происходить одновременно на всем водосборе.
Соблюдение
перечисленных
условий
позволяет
установить
г л а в н ы е особенности химического с о с т а в а вод местного стока.
М е т о д и к а построения к а р т гидрохимических х а р а к т е р и с т и к
р а з р а б о т а н а П. П. В о р о н к о в ы м [5]. Н а одном б л а н к е
карты
м о г у т быть нанесены изолинии и границы районов распространения определенных химических ингредиентов. К а р т ы с т р о я т с я по
: д а н н ы м о среднемноголетних значениях химических ингредиентов,
х а р а к т е р н ы х д л я данной фазы с т о к а , - к о т о р ы е относятся к центру
' в о д о с б о р а реки, если н а в о д я т с я изолинии, или к с т в о р у измерений, если о с у щ е с т в л я е т с я районирование.
При а н а л и з е минерализации и химического с о с т а в а вод данн ы е о минерализаци п о к а з ы в а ю т с я на к а р т е изолиниями округлен; я ы х значений в мг/л. Ш а г изолинИй зависит от д и а п а з о н а колебаний минерализации и м а с ш т а б а карты. О б ы ч н о он принимается
к р а т н ы м 10 или 100 мг/л. П р и очень большой минерализации вод
и мелком м а с ш т а б е он м о ж е т быть к р а т н ы м 1000 мг/л.
Д а н н ы е о химическом с о с т а в е вод наносятся на к а р т у в виде
значений с о д е р ж а н и я анионов и катионов, в ы р а ж е н н ы х в % - э к в .
Г р а н и ц ы районов о п р е д е л я ю т с я по п р е д е л а м колебаний значений
в % - э к в . Обычно в один район о б ъ е д и н я ю т с я значения, отличающ и е с я от среднего по району на 1 0 — - 1 5 % Н а и б о л ь ш а я минерализация на р е к а х С С С Р н а б л ю д а е т с я в сам ы е маловодные периоды, которые д л я большей части рек приход я т с я на зиму и Л и ш ь для з а п а д н ы х и ю ж н ы х районов европейской
ч а с т и С С С Р — на лето. П о э т о м у к а р т у минерализации целесообр а з н о строить д л я л и м и т и р у ю щ е г о сезона, в к л ю ч а ю щ е г о зиму и
л е т о в зависимости от территории. П р е д с т а в л е н и е о минерализации в лимитирующий сезон и е е распределении по территории
С С С Р д л я среднего по водности года д а е т к а р т а , с о с т а в л е н н а я
А . М . В л а д и м и р о в ы м с использованием к а р т ы минерализации речн ы х вод европейской части С С С Р , составленной П . П . В о р о н к о в ы м
ж В. И. З у б а р е в о й (рис. 3 . 1 ) .
221:
СО
Ч
и
О
X
fо
о
в
ЕС
о
ш
о
с
о
иа>
aч
<и
а.
о «
к :
ч
ч (
T
м
О) <
,а.
, jч
<
и j
S к<
К i
'к «
яРЗ
СО
j
я
ч с
га
а.
а>
я
Я
^
сб
о
X
Н а территории Восточной Сибири и Северо-Востока
СССР
в зоне многолетней мерзлоты практически все малые реки перемерз а ю т на длительный срок, поэтому оценку минерализации вод
можно д е л а т ь лишь по данным наблюдений на средних и больших
реках.
Согласно условной оценке питьевого качества воды, при котор о й ее минерализация является одним из основных показателей
(помимо общей жесткости, перманганатной окисляемости, наличия
вредных примесей), и в случае минерализаци до 600 мг/л вода
считается «хорошей» (с учетом и других показателей), вода больш е й части рек Советского Союза в маловодный период по значен и ю минерализации может быть отнесена к категории «хорошей».
И з о л и н и я в 600 мг/л проходит по южным районам Е Ч С и З а п а д н о й
Сибири. Однако южнее этой изолинии происходит резкое увеличен и е минерализации воды, и на весьма небольшом пространстве она
•быстро достигает 1000 мг/л и больше, п р е в р а щ а я с ь в воду, у ж е
мало пригодную д л я питья.
Наличие достаточно тесной связи между минерализацией и
с о д е р ж а н и е м основных ионов д л я рек, имеющих одинаковый химический состав воды, например преобладание гидрокарбонатных
я л и сульфатных ионов, позволяет производить расчеты общей мин е р а л и з а ц и и воды по известному содержанию одного из ионов и
(наоборот.
Н а рис. 3.2 и 3.3 показан
пример
зависимости
между
минерализацией и содержанием основных ионов речных вод сульф а т н о г о х а р а к т е р а д л я рек бассейна Верхней Волги.
Д л я пунктов, в которых проводятся гидрохимические наблюден и я , можно построить графики связи минерализации и расходов
воды д л я меженного периода, учитывающие амплитуду колебаний
э т и х характеристик за весь период наблюдений. При сходстве
условий формирования стока и химического состава воды соседних рек т а к и е графики могут быть осреднены и приняты за районн ы е графики связи. Наличие районных графиков связи минерализ а ц и и с расходами воды позволяет по известному значению расх о д а воды (устанавливаемому
по д а н н ы м
наблюдений
или
расчетным путем) определить общую минерализацию воды д л я неизученных рек.
С минерализацией воды непосредственно связана о б щ а я жесткость воды, которая возрастает пропорционально ее увеличению.
С в я з ь обычно весьма тесная и может быть использована д л я расчета (рис. 3.4). Остаточная и неустранимая жесткость, к а к прав и л о , не велики, постоянны во времени и не меняются с изменением
минерализации. Распределение общей жесткости воды по территории С С С Р в целом совпадает с распределением минерализации
речных вод. Н а рис 3.5 п о к а з а н а карта распределения общей
жесткости воды в маловодный (лимитирующий) сезон д л я среднего по водности года. К а р т а составлена А. М. Владимировым
я а основе карты П. П. Воронкова д л я Е Ч С . Д л я Восточной Сибири
я Северо-Востока С С С Р изолинии не наведены по тем ж е причи223:
со
СО
к
ew
Заказ № 33
нам, что и при обобщении д а н н ы х о минерализации воды, поскольку техника построения карт аналогична.
Е с л и по естественной минерализации вода рек на основной
части территории С С С Р относится к категории «хорошей», то по
общей ж е с т к о с т и этой категории (предельно д о п у с т и м а я о б щ а я
ж е с т к о с т ь д о 3 мг-экв/л) у д о в л е т в о р я ю т лишь реки северной части
н мг-зкв/м
28 г-
2k
20
-
16 -
%•
!•••
.IS'**
X
12
8 r
500
1000
1S00
Ей
мг{л
Рис. 3.4. Связь минерализации с общей (•/) и постоянной (2) жесткостью речной воды Я.
с т р а н ы (исключая к а р с т о в ы е р а й о н ы ) . Н а большей части Е Ч С
и в обширных р а й о н а х З а п а д н о й и Восточной Сибири речные воды
имеют у м е р е н н у ю ж е с т к о с т ь .
Б о л ь ш о й практический
интерес
представляет
комплексная
оценка природного качества воды рек С С С Р в меженный (или
в маловодный, лимитирующий) сезон по т а к и м основным показат е л я м , к а к минерализация воды, е е о б щ а я ж е с т к о с т ь и перманган а т н а я окисляемость. Эти показатели я в л я ю т с я тем естественным
фоном, на котором формируется качество воды данного водотока
в с л у ч а е природных аномалий или в м е ш а т е л ь с т в а человека, его
хозяйственно-бытовой деятельности. Увеличение числа показателей к а ч е с т в а воды при производстве
широких
территориальных
обобщений
значительно
осложняет
их о с у щ е с т в л е н и е и д а ж е j
м о ж е т неверно ориентировать потребителей, поскольку качество
226:
воды в значительной мере о п р е д е л я е т с я целями ее использования
и з а д а ч а м и о х р а н ы водных о б ъ е к т о в .
С о в м е с т н ы й анализ карт минерализации общей ж е с т к о с т и и
перманганатной
окисляемости
(последняя построена П . П. В о ронковым д л я Е Ч С и А . М. В л а д и м и р о в ы м для А Ч С ) воды рек
С С С Р с у ч е т о м критериев условной оценки
качества
питьевой
воды позволяет выделить районы с различным природным качеством воды (рис. 3.6). При комплексной оценке к а ч е с т в а
воды
необходимо у ч и т ы в а т ь различие в х а р а к т е р е изменения выбранных п о к а з а т е л е й в зависимости от фазы стока. Т а к , если минерализация воды и ее ж е с т к о с т ь в з а и м о с в я з а н ы и прямо пропорциональны д р у г д р у г у , то окисляемость вод о б р а т н о пропорциональна
им, особенно в меженный период в ряде районов С С С Р . Н а п р и м е р ,
на р е к а х нижней части бассейна Припяти минерализация и жесткость речных вод в меженный период невысокие и с о о т в е т с т в у ю т
хорошей оценке к а ч е с т в а , но п е р м а н г а н а т н а я окисляемость этих
вод в связи с большой з а б о л о ч е н н о с т ь ю территории и наличием
мощных г у м у с о в ы х отложений очень высокая. П о э т о м у последний
п о к а з а т е л ь не позволяет отнести речные воды данной территории
д а ж е к категории «удовлетворительных» по качеству, поскольку
предельно д о п у с т и м о е значение перманганатной окисляемости сос т а в л я е т 10 мг О / л
при
«хорошей
оценке к а ч е с т в а
воды и
20 мг О/л — при «удовлетворительной».
При оценке к а ч е с т в а воды в п е р в у ю очередь у ч и т ы в а е т с я показатель, наименее у д о в л е т в о р я ю щ и й п р е д ъ я в л я е м ы м критериям качества. При т а к о м подходе основное число рек на территории
С С С Р , особенно в Е Ч С , по к а ч е с т в у воды в лимитирующий сезон
(т. е. в наиболее маловодный сезон) относится к категории у д о в л е творительных (район 2 на рис. 3.6). Выделение на территории
района 2 л о к а л ь н ы х районов с неудовлетворительным качеством
воды (район 3) с в я з а н о главным о б р а з о м с наличием высокой перманганатной окисляемости (в основном Е Ч С ) или общей жесткости (главным о б р а з о м в А Ч С ) . В о д ы наиболее высокого качества о т м е ч а ю т с я в р е к а х северных
и горных
районов
СССР,
а т а к ж е в р е к а х Д а л ь н е г о В о с т о к а и К а м ч а т к и , где количественный с о с т а в у к а з а н н ы х т р е х показателей является наименьшим.
М а л о пригодны или совсем непригодны для хозяйственно-питьевого использования воды рек юга Е Ч С и ю ж н ы х районов З а п а д н о й
Сибири. Э т о с в я з а н о в основном с их весьма высокой минерализацией и ж е с т к о с т ь ю . Естественно, что д л я отдельных рек и д а ж е
районов у к а з а н н о е качество воды м о ж е т значительно отличаться
в х у д ш у ю сторону в р е з у л ь т а т е более с л о ж н о г о химического сос т а в а природных вод или наличия в них з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в
в р е з у л ь т а т е сброса о т р а б о т а н н ы х вод.
О ц е н и в а я качество воды по числу химических ингредиентов
в маловодный период года, необходимо у ч и т ы в а т ь колебания их
числа от года к году, которое м о ж е т быть весьма значительным.
П о с к о л ь к у при расчете количественных х а р а к т е р и с т и к низкого
стока ч а щ е всего о п р е д е л я ю т с я не средние многолетние значения,
228:
ч
(ч
U
t=C о
О
«
с™
оЯ
а
§ аа
S
C
S
ЕQ
- Ям
2и
о.
3* ь.
СО .
* 1
Я §
я к
< а
О ч
йн
Я
О. Яо.
с S
ш
н
g
3ш
«
КГ а
S (U
>»
~
•S
4
етддз
се I
О
<ь
я §
§ i
'3
73 и
к
СО Е"
СО Ч
а
й 5
а, ,
в
о
а.
а сток расчетной обеспеченности, необходимо и при оценке качества воды за тот или иной отрезок маловодного периода (лимитирующий сезон, меженный период, 30-суточный период минимального стока и др.) использовать значения химических ингредиентов,
отвечающие стоку данной обеспеченности.
Химические ингредиенты, н а х о д я щ и е с я в речных в о д а х , являются столь ж е случайными и независимыми величинами в многолетнем разрезе, как и сток рек, поскольку их изменение во времени зависит от большого числа факторов случайного х а р а к т е р а .
П о э т о м у для анализа распределения во времени этих х а р а к т е р и стик с не меньшим основанием, чем для стока воды, могут быть
использованы вероятностно-статистические методы.
При построении эмпирических кривых обеспеченности целесообразно у ч и т ы в а т ь соотношение р а с х о д о в воды и числа ингредиентов в р а с с м а т р и в а е м у ю фазу стока. Т а к , обычно наименьшему
р а с х о д у воды в реке с о о т в е т с т в у е т ее н а и б о л ь ш а я минерализация.
П о э т о м у при построении эмпирических
кривых
обеспеченности
л у ч ш е использовать значение минерализации (число анионов, катионов), обратное естественному. Например, 1/Mg 2 +, или 10/Са 2 +,
или Ю0/2]и — чем больше значение ингредиента или их с у м м ы ,
тем больше числитель, что у д о б н о при построении кривых обеспеченности. Э т о с о х р а н я е т естественное соотношение х а р а к т е р и с т и к
количества и качества в о д ы при их равной обеспеченности.
Обеспеченность эмпирических точек р а с с ч и т ы в а е т с я по формуле
где т — порядковый номер членов р а н ж и р о в а н н о г о р я д а рассчитываемой гидрохимической х а р а к т е р и с т и к и , р а с п о л о ж е н н о г о в у б ы в а ю щ е м порядке; п — о б щ е е число членов ряда. При определении
обеспеченных значений минерализации или ж е с т к о с т и (и д р у г и х
характеристик, возрастающих
с уменьшением р а с х о д а воды)
члены ряда р а н ж и р у ю т с я по величине, обратной естественной.
Н а рис. 3.7 и 3.8 показаны примеры с г л а ж е н н ы х эмпирических
кривых обеспеченности общей минерализации воды рек С у р ы и
Березины зимой и л е т о м — о с е н ь ю , а т а к ж е с о д е р ж а н и я анионов
Н С О ~ и S O 2 " и катионов Са 2 + и M g 2 + , н а х о д я щ и х с я в в о д а х
р. С у р ы зимой (лимитирующий сезон). При их построении использовались средние для данного сезона значения ингредиентов. О б ратные значения ингредиентов, снятые с кривых д л я расчетной
обеспеченности, переводятся в н а т у р а л ь н ы е значения.
При расчете общей минерализации воды и отдельно числа анионов и катионов кривые обеспеченности
необходимо
строить за
единый период времени, иначе могут не с о в п а с т ь значение общей
минерализации и число с о с т а в л я ю щ и х ее ингредиентов.
При построении кривых обеспеченности химических ингредиентов, с о д е р ж а щ и х с я в воде в м а л о в о д н у ю ф а з у стока, необходимо
230:
о б р а щ а т ь в н и м а н и е на с о о т в е т с т в и е э м п и р и ч е с к и х
осреднения в нижней части кривой обеспеченности,
щ е й их н а и б о л ь ш и м з н а ч е н и я м .
точек
линии
соответствую-
100/ 2 И
100/ 2 и
1,0
Л
0,7
1
0,5
В
1
0,5
0.5
Ofi
О
"Ч
0,3
0,2
0,7
0,6
0,5
ОЛ
7
0,3
0,5
Ofi
ал
(ГО*?
5
10
20
30
40 50 60
70
80
^ О
30
4
95
98
Р%
Рис. 3.7. Обеспеченность общей минерализации воды рек Суры (1, 2) и Березины (3, 4).
1,3 — зима; 2, 4 — лето—осень.
Наличие вышеуказанных кривых обеспеченности
позволяет
определить значения химических ингредиентов, соответствующие
р а с х о д у воды расчетной обеспеченности (вероятности превышения), а обобщение химических характеристик данной обеспеченн о с т и по т е р р и т о р и и в в и д е к а р т изолиний или р а й о н н ы х з а в и с и мостей и использование переходных коэффициентов к другим обес231:
печенностям позволит установить необходимые
х а р а к т е р и с т и к и д л я н е и з у ч е н н ы х рек.
гидрохимические
2,0
1,5
1,0
0,8
0,6
Ofi
0,2
0,7
0,6
V
OA
0,3
0,2
"''2
5
10
20
30
40
50 60
70
80
90
95
38
Р%
Рис. 3.8. Обеспеченность содержания катионов в воде р. Суры зимой.
3.5. Оценка качества воды в реках и водоемах
в условиях антропогенного воздействия
В е с т е с т в е н н ы х у с л о в и я х х и м и ч е с к и й с о с т а в , физические свойства воды водных объектов чрезвычайно разнообразны. Условия и
особенности формирования химического состава
поверхностных
вод рассматриваются в курсе «Гидрохимия».
При использовании водного объекта для
конкретной
цели
(питьевое
снабжение,
рыбохозяйственное использование и др.)
н е о б х о д и м о о ц е н и т ь с в о й с т в а и с о с т а в в о д ы с т о ч к и з р е н и я и х приг о д н о с т и д л я д а н н о г о в о д о п о л ь з о в а н и я , т. е. о ц е н и т ь с у щ е с т в у ю 232:
щ е е в д а н н о е время количество воды. О ц е н к а к а ч е с т в а воды выполняется п у т е м сопоставления с о д е р ж а н и я с о о т в е т с т в у ю щ и х пок а з а т е л е й (например, с о д е р ж а н и е растворенного кислорода, Б П К 5
и т. д.) с показателями, у с т а н о в л е н н ы м и « П р а в и л а м и охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами».
Е с л и в конкретных физико-географических у с л о в и я х естественное качество воды в о д н ы х о б ъ е к т о в отличается достаточной устойчивостью, т о в у с л о в и я х антропогенного воздействия происходит
интенсивное изменение к а ч е с т в а воды. С р е д и факторов, вызывающих изменение естественного с о с т а в а и свойств воды водных объектов, основное место з а н и м а ю т с б р о с ы промышленных, коммунально-бытовых и д р у г и х сточных вод, приводящие к их загрязнению.
В загрязненных водных о б ъ е к т а х происходит ряд физико-химических и д р у г и х процессов, в е д у щ и х к в о с с т а н о в л е н и ю естественного состояния его вод, т. е. происходит самоочищение водных
масс. С р е д и процессов самоочищения о с н о в н у ю роль играют процессы р а з б а в л е н и я и т р а н с ф о р м а ц и и з а г р я з н я ю щ и х веществ.
Разбавление сточных вод. У с т а н о в л е н и е х а р а к т е р а р а с п р о с т р а нения и степени р а з б а в л е н и я у с т о й ч и в ы х химических
примесей
в в о д о т о к е или водоеме я в л я е т с я гидравлической задачей, д л я решения которой р а з р а б о т а н р я д методов. £ а с ч е т ! 4 т б а в л е » и я - е т с т ч ' ных вод в реке или водоеме м о ж е т быть использован д л я оценки
всего комплекса явд£ний.^определяющих с амоочищён ие, п р и введении численных х а р а к т е р и с т и к физико-химических и биохимических процессов.
Ч а щ е применяются методы расчета р а з б а в л е н и я , основанные
Hfljrпг>льзпая пи»- пиолаямдж.. решений _ уравнений
турбулентной
д и ф ф у з и и . м В р е з у л ь т а т е расчета по нижеизложенным м е т о д а м
оказывается" 1 в о з м о ж н ы м получить значение- максимальной., концентрации з а г р я з н я ю щ е г о в е щ е с т в а (SMaKc) на любом, расстоянии от.
м.еста в ы п у с к а сточных вод.
О ц е н к а качества воды в определенной точке (створе водного
о б ъ е к т а ) выполняется путем сопоставления м а к с и м а л ь н о й концен-
'трапии-загряааяюшего ,р^шества .с предельно ДОПУСТИМОЙ конпентрацией
охраны
этого ж е в е щ е с т в а ( П Д К ) , нормируемой « П р а в и л а м и
поверхностных вод от загрязнения сточными водами»
(1975).
М а к с и м а л ь н а я концентрация лимитируемого
загрязняющего
в е щ е с т в а в реке н и ж е в ы п у с к а сточных вод изменяется в п р е д е л а х
|S 0T ^s SM3kc
Sn,
где
Sn — средняя
концентрация
того
же
в е щ е с т в а в потоке, о п р е д е л я е м а я из у р а в н е н и я б а л а н с а в е щ е с т в а :
с _
Q P S P + QCAT
QP +
QCT
'
(
<
U
)
I
г д е Q p — р а с х о д воды в реке, м 3 /с; Q c т — р а с х о д сточных вод, м 3 /с;
S p — концентрация р а с с м а т р и в а е м о г о в е щ е с т в а в воде реки, мг/л
233
или г / м 3 ; S C T — к о н ц е н т р а ц и я э т о г о ж е в е щ е с т в а в с т о ч н ы х в о д а х ,
мг/л или г/м 3 .
При выполнении расчетов разбавления пользуются т а к называемыми приведенными значениями концентрации загрязняющих
в е щ е с т в ( 5 п р И в ) , в ы р а ж а я э т у величину в п р е в ы ш е н и я х н а д естес т в е н н ы м фоном, т. е. н а д с о д е р ж а н и е м р а с с м а т р и в а е м о г о в е щ е с т в а в в о д е реки или в о д о е м а (Sp). Е с л и S — д е й с т в и т е л ь н а я конц е н т р а ц и я з а г р я з н я ю щ е г о в е щ е с т в а в зоне з а г р я з н е н и я , т о
5 П рив = = 5
Приведенная
водах будет
концентрация
Sp.
загрязняющих
п р и в = = »5 C T
Sp.
(3.2)
веществ в
сточных
(3.3)
Д л я у д о б с т в а р а с ч е т а в ы ч и с л е н и я в е д у т с я в о т н о с и т е л ь н ы х велич и н а х к о н ц е н т р а ц и и , н а п р и м е р в п р о ц е н т а х от S C T . прив, п о л а г а я
S c т . прив = ЮО % • И с т и н н ы е з н а ч е н и я
концентрации
загрязняющего вещества в любой точке расчетного поля получаются путем
п е р е х о д а от о т н о с и т е л ь н ы х величин к а б с о л ю т н ы м и п о с л е д у ю щ е г о
суммирования расчетной и фоновой концентраций.
Ч а с т о в п р а к т и к е р а с ч е т о в р а з б а в л е н и я и с п о л ь з у е т с я понятие
к р а т н о с т и р а з б а в л е н и я п и к о э ф ф и ц и е н т а с м е ш е н и я у.
Кратность разбавления п является универсальной характеристикой
разбавления,
п о к а з ы в а ю щ е й , во с к о л ь к о р а з с н и з и л а с ь
к о н ц е н т р а ц и я з а г р я з н я ю щ е г о в е щ е с т в а в с т о ч н ы х в о д а х на расс м а т р и в а е м о м у ч а с т к е реки. В е л и ч и н а п о п р е д е л я е т с я по з а в и с и мостям
П =
при Sp =
•Sp
.
(3.4)
0
Я=
(3.5)
К о э ф ф и ц и е н т с м е ш е н и я у, в п е р в ы е в в е д е н н ы й И . Д . Р о д з и л л е р о м (1954 г . ) , п о к а з ы в а е т , к а к а я ч а с т ь р а с х о д а реки с м е ш и в а е т с я
со с т о ч н ы м и в о д а м и . К р а т н о с т ь р а з б а в л е н и я и к о э ф ф и ц и е н т смешения с в я з а н ы с л е д у ю щ е й з а в и с и м о с т ь ю :
п =
QcT + v Q p
,
(3.6)
Y==(« — 1 ) - ^ - .
(3.7;
чет
К о э ф ф и ц и е н т с м е ш е н и я в ы ч и с л я е т с я т о л ь к о в т о м с л у ч а е , если
с т о ч н ы е в о д ы р а с п р о с т р а н я ю т с я в р а с ч е т н о м с т в о р е не по всей
ширине потока.
234:
Трансформация
загрязняющих
веществ. Наряду с разбавле-
нием с т о ч н ы х в о д в в о д о т о к а х и в о д о е м а х к с н и ж е н и ю к о н ц е н т р а ции з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в п р и в о д я т б и о х и м и ч е с к и е и физико-химические п р о ц е с с ы , п р о т е к а ю щ и е в в о д н ы х о б ъ е к т а х . О д н и м из
с п о с о б о в к о л и ч е с т в е н н о й оценки с н и ж е н и я к о н ц е н т р а ц и и за счет
н а з в а н н ы х п р о ц е с с о в я в л я е т с я и с п о л ь з о в а н и е т а к н а з ы в а е м ы х коэффициентов неконсервативности (k„), суммарно
учитывающих
с к о р о с т и п р е в р а щ е н и я в е щ е с т в . З н а ч е н и я к о э ф ф и ц и е н т а неконсерТаблица 3.10
Значения коэффициентов неконсервативности при 0 °С в Невской губе
(по данным ВНИИВО)
Загрязняющие вещества
—2-Ю"7
Нефтепродукты
Фенолы
—1,5-10~ в
спав
Фосфор
бпк 5
Значения £ н , с - 1
—2,1 -КГ7
0
—4-Ю"7
минеральный
в а т и в н о с т и о п р е д е л я ю т с я по д а н н ы м л а б о р а т о р н ы х и н а т у р н ы х
исследований. Например, для условий Невской губы Всесоюзным
научно-исследовательским
институтом
охраны вод ( В Н И И В О )
п о л у ч е н ы численные значения к о э ф ф и ц и е н т о в с к о р о с т и п р е в р а щ е ния д л я н е к о т о р ы х в е щ е с т в , н о р м и р у е м ы х « П р а в и л а м и о х р а н ы
п о в е р х н о с т н ы х в о д от з а г р я з н е н и я сточными в о д а м и » и у ч и т ы в а е мых через kH ( т а б л . 3 . 1 0 ) . К о э ф ф и ц и е н т ы н е к о н с е р в а т и в н о с т и при
распаде загрязняющих веществ являются отрицательными, размерн о с т ь kH — с у т - 1 ; с - 1 .
В о б щ е м виде к и н е т и к а п р о ц е с с а б и о х и м и ч е с к о г о п р е в р а щ е н и я
может быть описана уравнением первого порядка
St = So exp ( - (fe„,, + йн,, + . . . + ftH. в) *)>
(3-8)
где So и St — к о н ц е н т р а ц и и в е щ е с т в а с о о т в е т с т в е н н о в н а ч а л ь н ы й
момент и в м о м е н т t, к о э ф ф и ц и е н т ы kK, п — о т н о с я т с я к единичному
, из у ч и т ы в а е м ы х п р о ц е с с о в п р е в р а щ е н и я в е щ е с т в в в о д н о м о б ъ е к т е .
В п р а к т и к е д о п у с т и м о вести р а с ч е т по о с н о в н о м у п р о ц е с с у
трансформации вещества, пренебрегая процессами,
имеющими
в т о р о с т е п е н н о е значение. В э т о м с л у ч а е р а с ч е т н о е у р а в н е н и е при; мет вид
St = So exp (—kj).
(3.9)
П р и в о д и м ы е н и ж е р а с ч е т н ы е м е т о д ы д а ю т в о з м о ж н о с т ь опред е л и т ь к о н ц е н т р а ц и и к о н с е р в а т и в н ы х з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в , одн а к о эти ж е м е т о д ы п о з в о л я ю т у ч и т ы в а т ь и с н и ж е н и е к о н ц е н т р а ции за счет р а с п а д а з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в , если и м е ю т с я численные значения к о н с т а н т н е к о н с е р в а т и в н о с т и (k H ). М е т о д и к а у ч е т а
р а с п а д а в е щ е с т в при р а с ч е т е р а з б а в л е н и я р а з р а б о т а н а в Г о с у д а р 235:
ственном
гидрологическом
оценки. . . , 1987).
институте
(Методические
основы
Теоретические основы расчетных методов. Основным уравнением, наиболее широко применяемым для р а з р а б о т к и практических методов расчета р а з б а в л е н и я сточных в о д в речных потоках,
озерах и в о д о х р а н и л и щ а х , я в л я е т с я
общее
дифференциальное
уравнение т у р б у л е н т н о с т и диффузии, выведенное В. И. М а к к а в е е вым в 1931 г.:
dS
. n / d3S . d2S
dS
dt
dS
dt
, d2S \
dS
. m
dS
dz
,..
где
,
г
dS
* Ш
.
1
y
дS
dy
r
,
z
З д е с ь S — концентрация растворенных или взвешенных в е щ е с т в
в воде, мг/м 3 или г/м 3 ; и — скорость равномерного падения взвешенных частиц в воде, м/с (для р а с т в о р о в и = 0); t — время, с;
vx, vy, vz — компоненты скорости течения относительно координат х, у, z, м/с. О с ь х н а п р а в л е н а по течению потока, ось у — от
поверхности ко д н у , ось 2 — по ширине потока. Через D обозначен
коэффициент т у р б у л е н т н о й диффузии, м 2 /с:
•. Д =
(3-12)
где А — коэффициент т у р б у л е н т н о г о обмена, кг/ (м • с ) ; р — плотность воды, кг/м 3 .
Д л я условий у с т а н о в и в ш е г о с я процесса диффузии растворенных в е щ е с т в при отсутствии поперечной с о с т а в л я ю щ е й скорости
течения, уравнение (3.10) примет вид
dS
п
I (PS
. d*S \
,о\
Если ж е р а с с м а т р и в а т ь
распространение
загрязненных
вод
в одной какой-либо плоскости, например в горизонтальной, то
у р а в н е н и е диффузии запишется т а к (плоская з а д а ч а ) :
-
*
дх
= D 4 § 2- .
dz
(3.14)
Р а с с м о т р е н и е распределения з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в в горизонтальной плоскости м о ж е т быть о п р а в д а н о в случае, если по вертикали перемешивание осуществляет'ся очень быстро и представляется интересным проследить за распространением з а г р я з н я ю щ е г о
в е щ е с т в а по ширине потока.
При расчете т у р б у л е н т н о й диффузии в в о д о е м а х , х а р а к т е р и з у ю щ и х с я весьма слабыми и неустойчивыми по н а п р а в л е н и ю тече236:
ниями, применяется метод, основанный на выведенном А . В . К а р а ушевым
уравнении
турбулентной
диффузии в цилиндрических
координатах [13]:
(3.15)
где г — к о о р д и н а т а ( р а д и у с ) , в ы р а ж а ю щ а я р а с с т о я н и е от источника загрязнения, м; i — время, с; ф — у г о л сектора, в который
п о с т у п а ю т загрязненные воды с р а с х о д о м Q C T ; Я — глубина водоема на у ч а с т к е поступления, сточных вод, м. У р а в н е н и е (3.15) соо т в е т с т в у е т у с л о в и ю н а х о ж д е н и я источника загрязнения с расходом QCT в центре координат.
В с л у ч а е если сброс сточных вод о с у щ е с т в л я е т с я через гидротехнические с о о р у ж е н и я о б е с п е ч и в а ю щ и е кинематические различия з а г р я з н я ю щ е й струи и о к р у ж а ю щ и х водных масс, необходимо
у ч и т ы в а т ь процесс начального р а з б а в л е н и я обусловленный у к а з а н ной кинематической неоднородностью, имеющей место на небольшом расстоянии от места выпуска. И с п о л ь з у е м а я з а в и с и м о с т ь д л я
определения кратности начального р а з б а в л е н и я (п н ) имеет вид:
< г 2 ( д / т 2 + 8,1
1
d2
m
— m),
(3.16)
где d = d/do, do — д и а м е т р сечения оголовка в ы п у с к а , d — диаметр загрязненной струи в расчетном сечении; т — УСРЛ>СТ — отношение средней скорости течения в потоке к скорости истечения
сточных вод.
3.6. Интегральные показатели оценки качества воды
и загрязненности рек и водоемов
В н а с т о я щ е е время при оценке к а ч е с т в а в о д ы в р е к а х и водоем а х обычно и с п о л ь з у ю т с я д а н н ы е химического анализа проб воды,
о т о б р а н н ы х в т о ч к а х водного о б ъ е к т а в отдельные моменты времени, что не позволяет х а р а к т е р и з о в а т ь качество воды на отдельных у ч а с т к а х или по в с е м у о б ъ е м у , проследить за изменением
загрязненности воды во времени.
В связи с этим в Г о с у д а р с т в е н н о м гидрологическом институте
( Г Г И ) р а з р а б о т а н ы интегральные показатели оценки
качества
воды и загрязненности водных о б ъ е к т о в , позволяющие у ч и т ы в а т ь
изменчивость загрязненности водных м а с с во времени и пространi с т в е , о б у с л о в л е н н у ю изменчивостью гидрологических х а р а к т е р и стик водных о б ъ е к т о в [3, 2 1 ] .
Р а з р а б о т а н н а я в Г Г И система интегральных
показателей
состоит из т р е х групп: пока за те ди. ...на гру з к и, о ц е н и в а ю щ и е нагрузки потока по средней концентрации з а г р я з н я ю щ е г о в е щ е с т в а
в его поперечном сечении; показатели п р о с т р а н с т в е н н о г о р а с п р е деления загрязнения в р е к а х и в о д о е м а х ; показатели, учитывающие внешний водообмен водоемов..
237:
П е р в ы е две группы п о к а з а т е л е й могут быть у в я з а н ы с вероятностными х а р а к т е р и с т и к а м и р е ж и м а водного о б ъ е к т а , т а к и м обр а з о м м о ж е т быть оценена повторяемость и обеспеченность того
или иного состояния загрязненности реки или водоема.
Гидрологические показатели общей нагрузки потока консервативными веществами.
Абсолютный показатель общей
нагрузки.
О б щ а я н а г р у з к а потока консервативными в е щ е с т в а м и или суммой
в е щ е с т в в ы р а ж а е т с я (в потоке) концентрацией Sn этих веществ,
определяемой из у с л о в и я б а л а н с а в е щ е с т в а (3.1). Величина Sn
в створе полного перемешивания в ы р а ж а е т истинное значение концентрации з а г р я з н я ю щ е г о ингредиента; д л я створов, расположенных м е ж д у местом с б р о с а сточных вод и створом полного перемешивания, величина Sn лишь у с л о в н о х а р а к т е р и з у е т с р е д н ю ю концентрацию.
Если в воде реки концентрация данного з а г р я з н я ю щ е г о вещества S p = 0, т о
=
{ З Л 7 )
П о к а з а т е л ь Sn позволяет получить полную х а р а к т е р и с т и к у нагрузки потока загрязняющими в е щ е с т в а м и в течение л ю б о г о з а данного п р о м е ж у т к а времени.
О ц е н к у изменчивости п о к а з а т е л я S,г в о времени можно представить к а к функцию обеспеченности Pq суточных р а с х о д о в воды
реки многолетнего ряда наблюдений. Если Q C T = const и 5 С Т =
= const, то обеспеченность ( % ) средней концентрации
Psn — (100 — Pq)-
Показатель
превышения
и непревышения
(3.18)
загрязненности
отно-
сительно
нормы.
П о к а з а т е л ь превышения загрязненности над нормой в ы р а ж а е т с я обеспеченностью Рзаг стока загрязненной воды
в конкретном створе р а с с м а т р и в а е м о й реки. Е г о обеспеченность
подсчитывается по числу дней, о т в е ч а ю щ и х п р о х о ж д е н и ю через
створ загрязненного стока. Д л я определения Р заг у д о б н о пользов а т ь с я с л е д у ю щ и м графическим способом. С т р о и т с я кривая обеспеченности Sn и проводится п р я м а я , о т в е ч а ю щ а я П Д К д л я расс м а т р и в а е м о г о з а г р я з н я ю щ е г о в е щ е с т в а . Н а пересечении кривой
Sn = f ( P ) с прямой П Д К п о л у ч а ю т точку, д а ю щ у ю обеспеченность
Рзаг превышения средней концентрации в е щ е с т в а над нормируемой.
И н о г д а вместо п о к а з а т е л я Рзаг пользуются п о к а з а т е л е м непревышения загрязненности относительно нормы Рчист, который выраж а е т обеспеченность «чистого» стока:
Лжет-(100-Рзаг).
Показатель
относительной
и предельно
(3.19)
допустимой
нагрузки
потока загрязняющим
веществом.
П о к а з а т е л ь относительной нагрузки потока конкретным з а г р я з н я ю щ и м в е щ е с т в о м н а х о д и т с я
238:
путем сопоставления расчетного значения S „ с предельно допустимой концентрацией ( П Д К ) данного в е щ е с т в а . При этом в о з м о ж н ы
д в а с л у ч а я : Sn ^ П Д К (вода г р я з н а я ) , Sn < П Д К (вода ч и с т а я ) .
П о д с т а в и в в эти неравенства значения Sn по ф о р м у л е (3.1) и прео б р а з у я их, получим
с—
(?ПДК
S
p)
1,
%
обозначим л е в у ю часть неравенства через q/:
ф' =
{S
S
Q
(S~ -s\ Q ^р)
(^пдк
•
(3-2°)
Отношение (3.20) получило н а з в а н и е показателя
относительной
нагрузки
потока загрязняющим
веществом,
т. е. с р ' ^ 1 . Здесь, к а к
и д л я Sn, если ф' > 1 — вода грязная, если <р' < 1 — вода чистая;
ф ' = 1 — о т в е ч а е т предельным у с л о в и я м нагрузки водоема загрязн я ю щ и м в е щ е с т в о м (фд р е д )-
Показатели
пространственного
распределения
загрязнения
в реках
и водоемах.
В р е з у л ь т а т е с б р о с а сточных в о д в реки и
водоемы в последних ф о р м и р у ю т с я зоны загрязнения, размеры кот о р ы х б у д у т меняться в зависимости от р е ж и м н ы х х а р а к т е р и с т и к
потоков (уровня, р а с х о д а воды, скорости течения и т. д.) и водоемов (уровня, скорости течения и т. д . ) , а т а к ж е в связи с изменениями сброса сточных вод. Д л я оценки загрязненности водоема
или у ч а с т к а речного потока м о г у т быть использованы относительные р а з м е р ы зон загрязнения
(линейные размеры, п л о щ а д ь ,
о б ъ е м ) и х а р а к т е р и с т и к а их изменчивости, о б у с л о в л е н н а я изменчивостью о п р е д е л я ю щ и х факторов. П о к а з а т е л и этой группы вычисляются на основании д а н н ы х д е т а л ь н ы х н а т у р н ы х исследований
л о к а л ь н ы х зон загрязнения или по данным теоретического р а с ч е т а
этих зон.
В ы д е л я ю т с я с л е д у ю щ и е относительные показатели загрязнения:
линейные (А. за г), п л о щ а д и (тЬаг) и о б ъ е м а (р,3аг).
Д л я х а р а к т е р и с т и к и лцнейных размеров зон загрязнения предл а г а е т с я р а с с м а т р и в а т ь д в а относительных линейных п о к а з а т е л я :
^я, заг, Яв, заг, в ы р а ж а ю щ и е отношение наибольшей линейной протяженности зоны загрязнения (L 3 аг) к некоторой х а р а к т е р н о й
глубине ( Я * ) или ширине водного о б ъ е к т а ( В * ) :
^Я, заг == —
^В, заг = =
g
.
(3.21)
•
(3.22)
З д е с ь Laаг — р а с с т о я н и е от места в ы п у с к а сточных в о д до с т в о р а ,
где концентрация л и м и т и р у ю щ е г о в е щ е с т в а равна П Д К ; Я * и В *
д л я рек вычисляются как средние значения глубины и ширины
239:
потока при конкретном р е ж и м е на р а с с м а т р и в а е м о м у ч а с т к е ; Я * —
средняя глубина водоема в зоне загрязнения или средняя глубина
всего водоема. П о к а з а т е л ь к в , заг д л я водоемов не вычисляется.
П о к а з а т е л и относительной п л о щ а д и зоны загрязнения (rj 3 a r ) и
относительного о б ъ е м а о б л а с т и загрязнения (fi 3 ar) вычисляются
по ф о р м у л а м
(3.23)
и
(3.24)
где Q заг И Wear — загрязненные п л о щ а д ь и объем, вычисленные
или измеренные при конкретных гидрологических у с л о в и я х ; 0 0 бщ
и ^ о б щ — о б щ и е п л о щ а д ь и о б ъ е м воды на р а с с м а т р и в а е м о м у ч а стке при тех ж е у с л о в и я х .
П о к а з а т е л и этой группы могут быть вычислены д л я некоторых
средних условий (например, при Qso% или при нормальном подпорном у р о в н е ( Н П У ) д л я в о д о х р а н и л и щ ) , д л я наиболее неблагоприятных условий (Q95% и т. д . ) . Использование показателей этой
группы позволяет оценивать изменение санитарного состояния под
влиянием о п р е д е л я ю щ и х факторов — изменения основных гидрологических х а р а к т е р и с т и к .
|3 Г Г И выполнен анализ зависимости размеров зон загрязнения
в р е к а х ( Q 3 a r , Z3ar) от изменчивости основных гидрологических
х а р а к т е р и с т и к (Q p , Q C T ) д л я рек различного типа (равнинных, горных, больших, средних и м а л ы х ) и п р е д л о ж е н простой метод вычисления п о к а з а т е л е й пространственного распределения загрязняющих в е щ е с т в в зависимости от р а с х о д а воды и типа реки (метод
номограмм).
ГЛАВА 4. ОСНОВНЫЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
И ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ,
НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА
РАЗБАВЛЕНИЯ СТОЧНЫХ ВОД
4.1. Определение характеристик потока,
необходимых для расчета разбавления сточных вод
При расчете т у р б у л е н т н о г о перемешивания в р е к а х п р е ж д е всего
с л е д у е т принять расчетные р а с х о д ы воды. В н а с т о я щ е е время в качестве расчетного р а с х о д а обычно принимают минимальный расх о д 95 % - н о й обеспеченности. При наличии д а н н ы х , многолетних
наблюдений м о ж н о принять в расчет минимальный из наблюденных р а с х о д о в . В зависимости от поставленной з а д а ч и н а з н а ч а ю т с я
240:
т а к ж е и другие расчетные расходы, вплоть до расхода малой обеспеченности и д а ж е максимального.
В соответствии с расчетным расходом Q (м 3 /с) определяются
площадь живого сечения w (м 2 ), средняя скорость течения vcv (м/с),
уклон водной поверхности / (% 0 ),
средняя ширина Вср
(м)
и глубина потока Я с р (м). После этого вычисляется коэффициент
Ш е з и С (м' /г /с), поперечные составляющие скорости на закруглении речного потока vz (м/с), значения коэффициента турбулентной диффузии D (м 2 /с).
При наличии измеренных уклонов коэффициент Шези С вычисляется по формуле Шези
С — —-==-,
(4.1)
V#cp/
а при отсутствии данных об уклонах — по известной формуле Маннинга, содержащей коэффициент шероховатости, или по формуле
Штриклера—Маннинга
где d 3 — эффективный диаметр частиц донных отложений (мм);
д л я условий рек определяется как 50 % -ное значение крупности
частиц по гранулометрической кривой; формула (4.2) представлена
в виде номограммы (рис. 4 . 1 ) .
Коэффициент турбулентной диффузии, являющийся основным
параметром при расчете перемешивания в потоках, вычисляется
по формуле
тС
где иСр — среднее значение скорости на у ч а с т к е распространения
загрязняющих веществ, м/с; Я С Р — средняя глубина на расчетном
участке, м; g — ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с; величина т является функцией коэффициента Шези С и для пределов
10 ^ С ^ 60 она связана с С следующей зависимостью:
т = 0,7С + 6;
(4.4)
при С > 60 m = const = 48.
В а ж н у ю роль в процессе разбавления сточных вод в реках
играют поперечные течения. Наличие поперечных составляющих
скорости vz, ср- т. е. внутренней циркуляции в потоке, приводит
к интенсификации процесса перемешивания, что должно быть
учтено в расчете. При использовании детальных методов (Бесценная, Орлов, 1983; Методические основы о ц е н к и . . . , 1987) влияние
vz, СР учитывается непосредственно, а в комбинированном методе
учет поперечной циркуляции осуществляется путем введения поправочного множителя к п. ц
(больше единицы) к коэффициенту
турбулентной диффузии D. Величина k„, ц является функцией отно16
Заказ № 33
241
шения (vz, ср + w)/w,
где vz,Cp-—среднее
значение абсолютной
величины поперечной составляющей скорости по^ вертикали; w —
среднее значение абсолютной величины поперечной составляющей
пульсационной скорости.
Рис. 4.1. Номограмма С = f ( —5
V d3
Д л я вычисления vz> СР рекомендуется формула
O«.cp = 0 , 1 3 i v 3 ^ O , . e p ,
(4.5)
полученная интегрированием формулы А. В. К а р а у ш е в а (1960)
при введении поправочного коэффициента, равного 0,5. Интегрирование произведено от поверхности потока до той глубины, где vz
меняет направление на обратное (примерно 0,5 Я ) . В формуле
(4.5) через Я с р обозначена средняя глубина
потока на всем рассматриваемом участке; vx, с р — среднее значение продольной со242:
с т а в л я ю щ е й скорости; г — р а д и у с кривизны р у с л а , взятый
как
величина д л я у ч а с т к а
реки,
расположенного
непосредственно
н и ж е места с п у с к а сточных вод и в к л ю ч а ю щ е г о одно-два закругления. П а р а м е т р N — б е з р а з м е р н о е
характеристическое
число
т у р б у л е н т н о г о потока, определяемое из отношения
n
=
(4-6)
J ! j - -
Д л я определения N в зависимости от С и т можно
д а н н ы м и т а б л . 4.1.
пользоваться
Таблица 4.1
Значения т. к N в зависимости от с
с
т
N
ю
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
13
16,5 20,5 23,5 27
30,5 34 37,5 41 44,5 48
13,3 25,2 40,8 59,9 82,6 108
139 172 209 249
294
65
70
48
48
318 ,343
С р е д н е е значение а б с о л ю т н о й величины поперечной с о с т а в л я ю щей пульсационной скорости (да) о п р е д е л я е т с я по ф о р м у л е
ш - ^ f f - .
(4.7)
К р о м е поперечной циркуляции в потоке на интенсивность процесса перемешивания с у щ е с т в е н н о е влияние о к а з ы в а е т и неравномерное распределение глубин на р а с с м а т р и в а е м о м у ч а с т к е . Д е л о
в том что при расчете р а з б а в л е н и я д л я условий плоской задачи
и при расчете комбинированным методом используется модель
схематизированного
р у с л а , имеющего постоянную глубину Я с р .
Т а к а я с х е м а т и з а ц и я не позволяет у ч и т ы в а т ь особенности естественного р у с л а , з а к л ю ч а ю щ и е с я в чередовании глубоких и мелких
у ч а с т к о в (плёсов и п е р е к а т о в ) . Изменчивость глубин по длине
реки на р а с с м а т р и в а е м о м у ч а с т к е у с и л и в а е т к и н е м а т и ч е с к у ю нео д н о р о д н о с т ь потока и я в л я е т с я одним из ф а к т о р о в т у р б у л и з а ц и и
водных масс. У ч е т этого ф а к т о р а м о ж е т быть о с у щ е с т в л е н т а к ж е
путем введения некоторого коэффициента На К коэффициенту турбулентной диффузии D.
У с т а н о в л е н а з а в и с и м о с т ь величины kA от отношения
и
макс, ср
EJ
ср
q
Яср
ГДе Ныако, ср — максимальная из средних глубин на рассматриваемом участке, м.
16*
243
Д л я количественного определения коэффициентов k „. ц и kA
р е к о м е н д у е т с я г р а ф и к (рис. 4 . 2 ) , на котором /г0бщ =
ц•
а
+ w
' X
и
^макс
4 ОБЩ
я,ср
"ср
9=/,0
Рис. 4.2. Номограмма ./(общ = /
Д л я учета д в у х названных факторов — поперечной циркуляции
и изменчивости глубин на р а с с м а т р и в а е м о м у ч а с т к е реки — коэффициент т у р б у л е н т н о й диффузии у м н о ж а ю т на величину k0бЩ:
(4.8)
D испр —— /)&общ»
где 2?испр — исправленный коэффициент
суммарно характеризующий
условия
потоке.
т у р б у л е н т н о й диффузии,
перемёшивания в речном
4.2, Определение метеорологических и гидравлических
характеристик водоема, необходимых для расчета
разбавления сточных вод
В о з е р а х и в о д о х р а н и л и щ а х на процессы перемешивания существенное влияние о к а з ы в а е т действие ветра, поэтому при оценке
перемешивания сточных вод необходимо производить расчет ветровых течений, а т а к ж е у ч и т ы в а т ь изменчивость гидрологических
величин и гидравлических элементов. Н а изменчивость последних
о к а з ы в а ю т влияние колебания ветровой х а р а к т е р и с т и к и над во244:
д о е м о м . Н а и б о л е е х а р а к т е р н ы е у с л о в и я р а з б а в л е н и я при скорости?
в е т р а р а з л и ч н о й о б е с п е ч е н н о с т и д а н ы в т а б л . 4.2.
П о в т о р я е м о с т ь р а з л и ч н ы х с к о р о с т е й в е т р а на в ы с о т е 10 м над.
п о в е р х н о с т ь ю с у ш и д а н ы в « С п р а в о ч н и к е по к л и м а т у С С С Р » . П е Таблица 4.2
Условия перемешивания в водоеме при скорости ветра различной
обеспеченности
Условия перемешивания
Благоприятные
Средние
Неблагоприятные
Обеспеченность скорости
ветра Р , %
1
50
90
р е х о д к в о д н о й п о в е р х н о с т и о с у щ е с т в л я е т с я по г р а ф и к у А . С . Б р а с л а в с к о г о (рис. 4 . 3 ) , а при его о т с у т с т в и и д л я п е р е х о д а к с к о р о с т и
в е т р а на в ы с о т е 2 м н а д в о д н о й п о в е р х н о с т ь ю в в о д и т с я к о э ф ф и -
v1 м/с
Рис. 4.3. График связи скорости ветра над водой на высоте флюгера а и наметеорологической станции и', расположенной на суше (на высоте флюгера 10 м).
ц и е н т k = 0,85. Д а н н ы е о с к о р о с т и в е т р а и с п о л ь з у ю т с я д л я р а с ч е т а с к о р о с т и в е т р о в ы х течений. Д л я р а с ч е т а с р е д н е й скорости'
в е т р о в о г о течения р е к о м е н д у е т с я п р и б л и ж е н н а я з а в и с и м о с т ь в и д а
245:
иср = kw2 V3 + ЮА,
(4.9)
г д е & — к о э ф ф и ц и е н т , з а в и с я щ и й от к о э ф ф и ц и е н т а Ш е з и С и опред е л я е м ы й по т а б л . 4.3 или по н о м о г р а м м е (рис. 4 . 4 ) ; йУ2 — скор о с т ь в е т р а на в ы с о т е 2 м н а д в о д н о й п о в е р х н о с т ь ю , м/с; h — с р е д Таблица 4.3
Значения к в зависимости от коэффициента Шези С
с
10
20
30
40
5Т
60
70
80
90
100
А-10 2
0,10
0,18
0,27
0,34
0,42
0,50
0,55
0,60
0,46
0,68
няя д л я р а с с м а т р и в а е м о г о у ч а с т к а в ы с о т а в о л н ы 1 % - н о й о б е с п е ченности в д а н н о й с и с т е м е волн, м.
К о э ф ф и ц и е н т Ш е з и С в ы ч и с л я е т с я по ф о р м у л е (4.2) или по
н о м о г р а м м е (рис. 4 . 4 ) , э ф ф е к т и в н ы й д и а м е т р d 9 в у с л о в и я х озер
кги
и в о д о х р а н и л и щ о п р е д е л я е т с я по и н т е г р а л ь н о й к р и в о й г р а н у л о м е т р и ч е с к о г о с о с т а в а к а к д и а м е т р , о г р а н и ч и в а ю щ и й 10 % н а и б о лее крупных частиц.
К о э ф ф и ц и е н т т у р б у л е н т н о й д и ф ф у з и и при с л а б о м в е т р о в о м
волнении в ы ч и с л я е т с я по з а в и с и м о с т и (4.3). П р и наличии волнения т у р б у л и з а ц и я в о д н ы х м а с с в о з р а с т а е т , что д о л ж н о б ы т ь у ч т е н о
в формуле для вычисления коэффициента турбулентной диффузии,
с у м м а р н о х а р а к т е р и з у ю щ е г о э ф ф е к т п е р е н о с н о г о т е ч е н и я и волнового д в и ж е н и я в о д н ы х м а с с . В э т о м с л у ч а е ф о р м у л а д л я р а с ч е т а
к о э ф ф и ц и е н т а т у р б у л е н т н о й д и ф ф у з и и и м е е т с л е д у ю щ и й вид:
246:
(ch+
kv'.H)
d'Js
где с — фазовая скорость волн, м/с;
v ср — с р е д н е е по вертикали
значение абсолютной величины переносной скорости, м/с; b — эмпирический коэффициент, ориентировочно принимаемый равным
700; я = 3,14; й э — в данной формуле берется в м, Я — средняя
глубина водоема на у ч а с т к е , м. Ф о р м у л а (4.10) рекомендуется для
глубин менее 60 м.
Ф а з о в а я скорость волн при Я > 0,5 L находится по формуле
C =
а для Я <
V
¥
'
0,5 L по формуле
с = У * ( Я + Л).
(4.11)
(4.12)
В зависимостях (4.11) и (4.12) L — длина волны, м; h — высота
волны 1 % - н о й обеспеченности в этой ж е зоне, м.
П о с к о л ь к у скорость ветрового течения меняется во времени
с изменением скорости ветра, то в первом приближении можно
считать, что характеристики, зависящие от скорости ветра (скорость ветрового течения, коэффициент турбулентной д и ф ф у з и и ) ,
имеют ту ж е обеспеченность, что и фактор их определяющий. А это
в свою очередь позволяет, выполнив расчет разбавления при заданных обеспеченностях исходных х а р а к т е р и с т и к , получить обеспеченность расчетной зоны загрязнения.
Практические примеры расчета загрязненности водных объектов подробно рассмотрены в учебных пособиях (Бесценная, Орлов,
1983; Орлов, 1988).
4.3 Определение допустимого количества
сбрасываемых вод
Н а р я д у с химическим составом сточных вод в а ж н о й х а р а к т е ристикой является количество с б р а с ы в а е м ы х вод, поступающих
в водотоки или водоемы в единицу времени. В зависимости от
соотношения р а с х о д о в сточных в о д и водотока или о б ъ е м а водоема и с учетом химического состава сточных вод и интенсивности
процессов их разбавления (и самоочищения, если этот
процесс
достаточно ярко в ы р а ж е н ) в водные объекты может быть сброшено различное количество сточных вод за один временной период. Предельно допустимый р а с х о д сточных вод, который можно
сбросить в водоток в многоводную или м а л о в о д н у ю фазу стока,
зависит от того, б у д у т ли сохраняться в пределах допустимых
норм показатели качества воды. В соответствии с «Правилами
охраны поверхностных 'вод от загрязнения
сточными
водами»
(1975) учитывается 11 показателей состава и свойств воды водотоков и водоемов, используемых для хозяйственно-питьевого
247:
и к у л ь т у р н о - б ы т о в о г о в о д о п о л ь з о в а н и я , к о т о р ы е и м е ю т предельн ы е величины. П р и с б р о с е з а г р я з н е н н ы х в о д эти п о к а з а т е л и не
д о л ж н ы б ы т ь н а р у ш е н ы . П о с к о л ь к у единого п о к а з а т е л я к а ч е с т в а
в о д ы не и м е е т с я , при определении п р е д е л ь н о д о п у с т и м о г о р а с х о д а в о д ы , в о з м о ж н о г о д л я с б р о с а в в о д о т о к (или в о д о е м ) , цел е с о о б р а з н о и с п о л ь з о в а т ь один-два л и м и т и р у ю щ и х
показателя,
к о т о р ы е м о ж н о в ы р а з и т ь количественно. Е с т е с т в е н н о , что при наличии в р е д н ы х в е щ е с т в н е о б х о д и м о у ч и т ы в а т ь их п р е д е л ь н о доп у с т и м ы е к о н ц е н т р а ц и и (в « П р а в и л а х » у к а з а н ы П Д К д л я 420 веществ).
П р и о с у щ е с т в л е н и и физико-химической и б и о л о г и ч е с к о й очис т к и п р о м ы ш л е н н ы х и к о м м у н а л ь н о - б ы т о в ы х с т о ч н ы х в о д лимитирующими показателями качества воды будут служить содержание р а с т в о р е н н о г о к и с л о р о д а и п о л н а я б и о х и м и ч е с к а я п о т р е б н о с т ь
в о д ы в к и с л о р о д е (БПКполн). Э т и п о к а з а т е л и п о с л у ж и л и основой
д л я р а з р а б о т а н н о г о П . Д . Г а т и л л о (1969) с п о с о б а о п р е д е л е н и я
в о з м о ж н о г о д л я с б р о с а к о л и ч е с т в а в о д ы (для у с л о в и й Б е л о р у с с и и ) , к о т о р ы й в о б щ е м виде м о ж н о п р е д с т а в и т ь в
следующей
форме:
/
QCTn<
п.
^Qra + 1 — S
П
Фзабi ~Ь 2
\
Qyc.ii J С^-доп — L p ) —
п— 1
-]
I
— 1 доп ) j (mrnL„n
<2стг (niriL„l
— ЬД0П)~',
(4.13)
г д е Q стп — п р е д н а з н а ч е н н ы й ( в о з м о ж н ы й ) к с б р о с у р а с х о д заг р я з н е н н ы х с т о ч н ы х вод в с т в о р е п, м 3 /с; Q n + i — р а с х о д
водот о к а в п е р в о м р а с ч е т н о м с т в о р е (п + 1 ) ,
находящемся
ниже
створа сброса п
(расчетный
створ
водопользователя),
или
в с т в о р е с б р о с а (тогда п) без у ч е т а
водозаборов
и сбросов;
•<2забг — р а с х о д в о д ы , з а б и р а е м о й из в о д о т о к а д л я в о д о с н а б ж е ния, о р о ш е н и я и т. д: на в ы ш е р а с п о л о ж е н н ы х у ч а с т к а х (i — номер
с т в о р а с б р о с а или з а б о р а в о д ы при с ч е т е от в е р х о в ь я вниз по течению реки с у ч е т о м п р и т о к о в ) ; С? у с л ; — р а с х о д ы с б р о с о в у с л о в н о
•чистых сточных вод; Q C T i — с б р а с ы в а е м ы й (или п р е д н а з н а ч е н н ы й
к сбросу) расход сточных вод в створах, расположенных
выше
•створа п\ LCT, L p , Ь Я 0 П — БПКполн с о о т в е т с т в е н н о
сточных, нез а г р я з н е н н ы х речных
вод,
а
также
предельно
допустимое
в р а с ч е т н о м с т в о р е реки, г Ог/м 3 ; га — к о э ф ф и ц и е н т , у ч и т ы в а ю щий п о с т у п л е н и е сточных в о д с г о р о д с к о й т е р р и т о р и и ; г — коэффициент, з а в и с я щ и й от е с т е с т в е н н ы х п р о ц е с с о в
биохимического
•окисления сточных в о д на у ч а с т к е от с б р о с а д о р а с ч е т н о г о с т в о р а
t
и о п р е д е л я е м ы й по у р а в н е н и ю / ' t = 1 0
, где т — в р е м я п р о х о ж д е н и я в о д ы от с т в о р а с б р о с а сточных в о д д о р а с ч е т н о г о с т в о р а ,
с у т ; K t — к о н с т а н т а с к о р о с т и б и о х и м и ч е с к о г о о к и с л е н и я при темп е р а т у р е в о д ы ° С , у с т а н а в л и в а е м а я в з а в и с и м о с т и от к о н с т а н т ы
при т е м п е р а т у р е в о д ы 20 ° С по у р а в н е н и ю K t = K - 1 , 0 4 7
:248
С р е д н ю ю к о н ц е н т р а ц и ю растворенного в воде кислорода м о ж н о
установить по уравнению, п р е д л о ж е н н о м у П . Д . Г а т и л л о (1969)
или подобному ему:
Сп + j = j^C ^Qn + 1
Qaa6j ~Ь Фусл;^) ~f* Z
C CT .Q CT . —
П
"1/
n
n
n
1
— Z QcT^CTi (1 — rt) I f^Qn 4-1 ~ Z Q3a6l + £ <ЗусЛ£ + E QctJ ,
(4.14)
где С, Сстг- — к о н ц е н т р а ц и я растворенного к и с л о р о д а соответственно в чистых речных и очищенных сточных водах, г Ог/м 3 ;.
г; — к о э ф ф и ц и е н т
редукции
з а г р я з н е н и й на у ч а с т к а х от места
сброса сточных вод до расчетного створа; L C T i . (1 — п ) — у д е л ь ное (на 1 м 3 сточных вод в 1 с) потребление к и с л о р о д а на биохимическое окисление з а г р я з н е н и й , с б р а с ы в а е м ы х со сточными водами, г Ог/м3.
Н а и б о л ь ш е е в н и м а н и е оценке к о н ц е н т р а ц и и растворенного кисл о р о д а необходимо у д е л я т ь в период л е д о с т а в а и летом, к о г д а
т е м п е р а т у р а воды п р е в ы ш а е т 20 °С.
В ы ш е у к а з а н н ы е р а с ч е т ы п р о и з в о д я т с я в п е р в у ю очередь п р и менительно к м и н и м а л ь н о м у 30-суточному з и м н е м у и летне-осеннему расходу воды. В особых с л у ч а я х этот р а с х о д м о ж е т з а м е няться д е к а д н ы м или среднесуточным
минимальным
расходом
воды в зависимости от т р е б у е м о й
чистоты
водного
объекта.
В случае п р е в ы ш е н и я количества п р е д н а з н а ч е н н ы х к сбросу в о д
н а д предельно допустимой н а г р у з к о й водотока сточными в о д а м и
производится перерасчет с б р а с ы в а е м о й величины и остаток отвод и т с я в с п е ц и а л ь н ы е н а к о п и т е л и д л я его последующего сброса,
в период п а в о д к а или половодья, когда будут с о х р а н я т ь с я в ы ш е у к а з а н н ы е д о п у с т и м ы е соотношения.
К а к б ы л о п о к а з а н о выше, количество с б р а с ы в а е м ы х вод в з н а чительной мере з а в и с и т от р а с х о д а воды в водотоке, определяющего его р а з б а в л я ю щ у ю способность. П о э т о м у на качество речных и озерных вод большое в л и я н и е могут о к а з ы в а т ь з н а ч и т е л ь ные по р а з м е р у з а б о р ы воды д л я обеспечения п р о м ы ш л е н н ы х и
к о м м у н а л ь н о - б ы т о в ы х потребностей городов и населенных пунктов, а т а к ж е у д о в л е т в о р е н и я з а п р о с о в сельского х о з я й с т в а , особенно д л я орошения. Интенсивный отбор вод м о ж е т
привести 5
к существенному изменению п р о и с х о д я щ и х в них биохимических
процессов, п о в л и я т ь на т е м п е р а т у р н ы й
р е ж и м , в ы з в а т ь перег р у з к у реки (или о з е р а ) сточными в о д а м и . П о э т о м у при производстве в о д о з а б о р о в из водных о б ъ е к т о в необходимо
оставлять
в них определенный р а с х о д (или о б ъ е м ) воды, о т в е ч а ю щ и й санитарным требованиям.
249:
ГЛАВА 5. О Х Р А Н А В О Д Н Ы Х О Б Ъ Е К Т О В
ОТ И С Т О Щ Е Н И Я
Интенсивное использование водотоков, водоемов и подземных
в о д к а к источников в о д о з а б о р а м о ж е т
привести
к истощению
водных р е с у р с о в поверхностных и подземных вод данного региона.
В водотоках и водоемах должно оставаться
такое
количество
воды, которое обеспечивает не т о л ь к о экологическое благополучие водного о б ъ е к т а , но и у с л о в и я водопользования. Количество
воды, которое необходимо оставить в водотоке, н а з ы в а е т с я минимально
допустимым
стоком, а в в о д о е м а х оно м о ж е т х а р а к т е р и з о в а т ь с я минимально
допустимым
уровнем
воды.
Следовательно, истощение вод — это с у щ е с т в е н н о е снижение минимально
д о п у с т и м о г о с т о к а или у р о в н я воды в р е з у л ь т а т е изъятия
вод,
п р и в о д я щ е е к н а р у ш е н и ю экологического равновесия и условий
водопользования. П р е ж д е всего истощение вод м о ж е т
наблюд а т ь с я в маловодный период года (лимитирующий сезон, меженный период, период минимального с т о к а ) и б ы т ь столь существенным, что коренным о б р а з о м изменит режим и сток. Р е з к о е
у м е н ь ш е н и е стока, а т е м более его прекращение в меженный период, произошедшее в р е з у л ь т а т е в м е ш а т е л ь с т в а человека и неу ч т е н н о е ранее, м о ж е т с о з д а т ь аварийное положение, например,
н а теплоэлектростанции, поскольку для обеспечения ее
работы
т р е б у е т с я бесперебойная подача необходимого количества воды.
Значительное уменьшение естественного речного стока в меж е н н ы й период или снижение у р о в н я озерных вод м о ж е т происход и т ь в р е з у л ь т а т е строительства к р у п н ы х в о д о з а б о р о в или пруд о в й в о д о х р а н и л и щ д л я орошения и в о д о с н а б ж е н и я , а
также
при з а б о р е воды в целях переброски стока. Из всех о т р а с л е й народного х о з я й с т в а по о б ъ е м у потребляемой воды на первом месте
н а х о д и т с я сельское хозяйство. В н а с т о я щ е е время на
орошение,
о б в о д н е н и е и в о д о с н а б ж е н и е в сельском хозяйстве используется
«более 75 % всего безвозвратного водопотребления в С С С Р . Влиян и е орошения на речной сток носит сезонный х а р а к т е р и проявл я е т с я в основном в период вегетационного развития растений,
который с о в п а д а е т с летним меженным периодом на реках. При
этом чем р а н ь ш е начинается межень и чем она длительнее, тем
•большее влияние на сток о к а з ы в а е т забор воды д л я орошения.
.Это влияние п о в ы ш а е т с я при систематическом орошении. В случае интенсивного испарения, когда з а б и р а е м а я на орошение вода
в конечном итоге вся з а т р а ч и в а е т с я на испарение, влияние орошения становится наибольшим и м о ж е т о б у с л о в и т ь прекращение
•стока на м а л ы х и части средних рек, что и происходит летом на
многих р е к а х з а с у ш л и в ы х территорий (реки предгорий Средней
Азии, С е в е р н о г о К а в к а з а и д р . ) . К р а й н и м с л у ч а е м э т о г о влияния
я в л я е т с я полный р а з б о р речных вод крупных водотоков для удовлетворения сельскохозяйственных н у ж д . П о с л е д н е е н а б л ю д а е т с я
-в основном в степных и полупустынных районах.
250:
При значительном снижении б е з в о з в р а т н ы х потерь воды, используемой д л я орошения, отмечается менее интенсивное у м е н ь шение стока в реке. При э т о м происходит перераспределение меженного стока по длине реки — резкое снижение в месте водоз а б о р а и п о с л е д у ю щ е е увеличение ниже по течению реки по м е р е
выклинивания подземных вод.
Потери подземных вод на испарение могут к о м п е н с и р о в а т ь с я
путем о с у ш е н и я заболоченных у ч а с т к о в , у н и ч т о ж е н и я в л а г о л ю бивой д и к о р а с т у щ е й растительности, сокращения п л о щ а д и р а з л и вов рек. О д н а к о д а л ь н е й ш е е увеличение в о д о з а б о р о в м о ж е т привести не т о л ь к о к з а м е т н о м у у м е н ь ш е н и ю меженного стока, но и
к его п р е к р а щ е н и ю ( С ы р д а р ь я , А м у д а р ь я , Т е р е к и д р . ) .
Н а и б о л е е сильное уменьшение меженного с т о к а рек под воздействием орошения происходит в маловодные годы. При э т о м
его влияние в о з р а с т а е т по территории, поскольку н а р я д у с систематическим орошением начинает д е й с т в о в а т ь
и
периодическое
орошение.
А н а л о г и ч н а я картина н а б л ю д а е т с я при рассмотрении влияния
з а б о р а воды на орошение из озер. Степень влияния в еще большей мере б у д е т з а в и с е т ь от соотношения о б ъ е м а озерной воды и
водозабора.
Орошение значительных территорий, в ы з ы в а я снижение
меженного с т о к а в первой половине лета,
обычно
обусловливает
его возрастание в конце лета, осенью и д а ж е зимой, когда с н а чала с о к р а щ а е т с я , а потом и п р е к р а щ а е т с я з а б о р воды из рек
на орошение и начинается приток накопившихся подземных вод.
(возвратных вод) в р е ч н у ю сеть.
О ц е н к а влияния о р о ш а е м о г о земледелия на меженный с т о к
д о л ж н а о с у щ е с т в л я т ь с я с учетом местных физико-географических
особенностей территории, х а р а к т е р а орошения, а т а к ж е норм и
сроков полива. Р а с ч е т н ы м значением естественного стока обычноя в л я е т с я минимальный 30-суточный р а с х о д воды
80—85%-ной
обеспеченности за летний меженный период.
Влияние промышленных и к о м м у н а л ь н о - б ы т о в ы х водозаборов,
на речной сток в целом значительно меньше влияния в о д о з а б о ров на орошение. Н а их д о л ю , к а к правило, приходится м е н ь ш е
10 % о б щ е г о потребления воды, к т о м у ж е б о л ь ш а я часть использованных вод в о з в р а щ а е т с я в водотоки (и в о д о е м ы ) . Б е з в о з в р а т н о е водопотребление в промышленности и к о м м у н а л ь н о - б ы т о в о м
хозяйстве с о с т а в л я е т в среднем 1 0 — 2 0 % • О д н а к о в
отдельных
.районах оно м о ж е т с у щ е с т в е н н о изменять сток в меженный период в р е з у л ь т а т е его перераспределения по длине реки или п о
т е р р и т о р и и (водозабор из одной реки, а сброс в д р у г у ю ) . Д л я
водотоков, п р о т е к а ю щ и х в районе к р у п н ы х промышленных центров, влияние з а б о р а воды на отдельных у ч а с т к а х реки очень в е лико. Д л и н а т а к и х у ч а с т к о в м о ж е т с о с т а в л я т ь несколько километров. Н а п р и м е р , з а б о р воды из М о с к в ы - р е к и в районе с. П а в шино с о с т а в л я е т около 10 м 3 /с при среднемноголетнем м е ж е н н о м
,стоке около 11 м 3 /с. В ряде г о р о д о в и поселков М о с к о в с к о й о б 19 Заказ № 33 2931
л а с т и в о д о з а б о р составляет до 12 % годового стока рек К л я з ь м ы ,
Поли, Пахры.
П р о м ы ш л е н н о е и коммунально-бытовое в о д о с н а б ж е н и е крупн ы х городов м о ж е т с у щ е с т в е н н о повлиять на сток на отдельных
у ч а с т к а х рек д а ж е при отсутствии в о д о з а б о р а на них. Питание
многих городов в большой мере о с у щ е с т в л я е т с я за счет подземных вод. Д л и т е л ь н а я и интенсивная э к с п л у а т а ц и я подземных вод
приводит к созданию депрессионной воронки и п р е к р а щ е н и ю пит а н и я рек подземными водами в зоне ее действия. Чем больше
т а к а я воронка, тем сильнее с к а з ы в а е т с я ее отрицательное влияние. Превышение в о д о з а б о р а над
пополнением
подземных вод
приводит к о б р а з о в а н и ю депрессионных воронок, з а н и м а ю щ и х на
поверхности земли п л о щ а д ь от нескольких к в а д р а т н ы х километр о в до 10 000—20 000 км 2 и более.
Питание рек подземными водами (равно к а к и о з е р ) , которое
о б ы ч н о п р е о б л а д а е т в меженный период, зависит от положения
у р о в н я г р у н т о в ы х вод по отношению к у р о в н ю воды в р у с л е реки
=(или о з е р е ) . Если у р о в е н ь грунтовых вод ниже у р о в н я в русле,
т о начинается фильтрация речных (озерных) вод в берега, а при
падении уровня ниже т а л ь в е г а реки происходит отток воды из
реки в почвенно-грунтовую т о л щ у и речной сток у м е н ь ш а е т с я .
Ч е м ниже о п у с к а е т с я горизонт подземных вод, т е м интенсивнее
/происходит фильтрация из реки и тем больше у ч а с т о к , на котор о м происходят потери стока. А н а л о г и ч н а я к а р т и н а н а б л ю д а е т с я
и на озерах.
Н а и б о л е е интенсивно у к а з а н н ы е процессы р а з в и в а ю т с я в райо н а х , где водопонизительные р а б о т ы о с у щ е с т в л я ю т с я горнорудными предприятиями с ц е л ь ю р а з р а б о т к и месторождений полезн ы х ископаемых открытым способом. Т а к , производство подобного
рода р а б о т при освоении С т а р о - О с к о л ь с к о й группы ж е л е з о р у д н ы х
месторождений на территории К у р с к о й магнитной аномалии привело к понижению у р о в н я подземных вод в центре осушения на
•93 м и о б р а з о в а н и ю депрессионной воронки п л о щ а д ь ю 1260 км 2
при н а и б о л ь ш е м р а д и у с е влияния около 20 км. В р е з у л ь т а т е изменился водный р е ж и м р. Осколец, п р о т е к а ю щ е й в районе местор о ж д е н и я . В бассейне р. О с к о л е ц возникли д в е зоны интенсивной
фильтрации речных вод, направленные к ж е л е з о р у д н ы м карьерам.
Если б ы не происходил сброс подземных вод, изъятых при осушении к а р ь е р о в , о б р а т н о в р. О с к о л е ц , то в меженный период
в ней полностью п р е к р а щ а л с я бы сток.
Д р у г и м ярким примером уменьшения речного стока в результ а т е э к с п л у а т а ц и и подземных вод я в л я е т с я сток р. Поли и соседних рек (Московский артезианский б а с с е й н ) . Питание этих ре*
в меженный период происходит за счет четвертичных и меловы>
водоносных горизонтов, гидравлически связанных с рекой. В ее
тественном состоянии воды каменноугольных отложений
быль
напорными (в долине р. Поли напор с о с т а в л я л 4 — 6 м ) . В ре
з у л ь т а т е длительного и интенсивного в о д о з а б о р а у р о в е н ь подзем!
ных вод в каменноугольных водоносных горизонтах понизился з;1
252:
50 лет на 1 5 — 2 0 м, что привело к р а з в и т и ю депрессионных воронок, р а с п р о с т р а н и в ш и х с я к н а ч а л у 70-х годов почти на весь бассейн р. Поли и соседних рек. О б щ а я п л о щ а д ь депрессионной воронки с о с т а в и л а
2400 км 2 .
Использованные
подземные
воды
в основном о т в о д я т с я за пределы б а с с е й н а р. Поли. В связи со
значительным б е з в о з в р а т н ы м изъятием подземных вод меженный
с т о к рек в п р е д е л а х депрессионной воронки с о к р а т и л с я на 50 % ,
а годовой сток — на 1 5 — 2 0 % .
С о з д а н и ю депрессионных воронок с п о с о б с т в у е т и у р б а н и з а ц и я
территорий. Территория городов в основном имеет твердое покрытие ( а с ф а л ь т и р о в а н н ы е территории, крыши з д а н и й ) , к т о м у
лее в г о р о д а х производится у б о р к а и вывоз снега, в р е з у л ь т а т е
чего резко у м е н ь ш а е т с я инфильтрация о с а д к о в в почво-грунты,
что в ы з ы в а е т уменьшение питания
подземных
вод. При этом
последние интенсивно и с п о л ь з у ю т с я д л я городского в о д о с н а б ж е ния. В с е это с п о с о б с т в у е т о б р а з о в а н и ю депрессионных
воронок
различного р а з м е р а под городскими территориями. П о э т о м у меженный сток рек в черте города и н и ж е его м о ж е т значительно
(до 30 % ) у м е н ь ш а т ь с я .
Б о л ь ш о е влияние , на меженный сток рек о к а з ы в а е т создание
в р у с л а х и на в о д о с б о р а х п р у д о в и водохранилищ. Непроточные
п р у д ы п е р е х в а т ы в а ю т весь
меженный
сток.
Они с о з д а ю т с я
обычно на м а л ы х реках, а т а к ж е в в е р х о в ь я х речного бассейна
на л о г а х и б а л к а х . П р о т о ч н ы е п р у д ы п р о п у с к а ю т ч а с т ь стока, одн а к о в меженный период могут з а д е р ж и в а т ь весь сток. Использование п р у д о в и небольших в о д о х р а н и л и щ д л я орошения обусловл и в а е т н а и б о л ь ш и е б е з в о з в р а т н ы е потери стока и, с л е д о в а т е л ь н о ,
е г о м а к с и м а л ь н о е снижение в вегетационный период. Н а и м е н ь ш е е
влияние на меженный сток о к а з ы в а ю т - п р у д ы , с о з д а в а е м ы е д л я
р ы б о в о д с т в а и птицеводства, если они я в л я ю т с я проточными, пос к о л ь к у основные потери воды в т а к и х п р у д а х — это испарение
л е т о м и л е д о о б р а з о в а н и е зимой.
При определении в о з м о ж н о г о в о д о з а б о р а из водного о б ъ е к т а
необходимо знать, в к а к о м состоянии (естественном или нарушенном) он н а х о д и т с я , особенно в маловодный период, т. е. количественно оценить степень влияния хозяйственной деятельности на
в о д о с б о р е и в р у с л е реки.
Количественная оценка влияния различных видов хозяйственной деятельности на меженный сток рек с в я з а н а с решением цел о г о комплекса вопросов и т р е б у е т большого о б ъ е м а информации к а к о естественном стоке рек в меженный период, т а к и о х а р а к т е р е и р а з м е р а х воздействия человека в этот период. Т р у д н о с т и расчета р а з м е р о в изменения с т о к а о б у с л о в л е н ы
нередко
jHe т о л ь к о о т с у т с т в и е м н е о б х о д и м ы х д а н н ы х , но и наличием больш о г о числа антропогенных факторов,
оказывающих
различное
влияние на сток.
Д л я определения степени влияния т о г о или иного хозяйственного ф а к т о р а или их комплекса на сток необходимо иметь д о с т а точно н а д е ж н ы е данные о природном стоке рек р а с с м а т р и в а е м о г о
253:
района е у ч е т о м его циклических колебаний. Последние
позволяют у с т а н о в и т ь х а р а к т е р водности в имеющийся период н а б л ю дений за стоком.
С о п о с т а в л е н и е произошедших изменений естественного р е ж и м а
стока рек и динамики развития хозяйственной деятельности на
в о д о с б о р а х позволяет количественно оценить влияние последней
на речной сток. Аналогичным о б р а з о м это можно с д е л а т ь и д л я
озер.
Количественно оценить влияние хозяйственной деятельности на
речной сток можно путем сравнения стока за естественный и нарушенный периоды или б а л а н с о в ы м методом. В первом с л у ч а е
производится исследование многолетних колебаний стока в расс м а т р и в а е м о м створе реки, происходящих под влиянием естественных (природных) факторов, и на
их
фоне
осуществляется
оценка р а з м е р о в н а б л ю д а ю щ и х с я изменений стока и в о д н о г о ' р е ж и м а реки под влиянием хозяйственной деятельности в ее бассейне. С п о с о б сравнения позволяет определить р е з у л ь т и р у ю щ е е
влияние хозяйственной деятельности, ее направление и
размер
непосредственно на данном в о д о с б о р е реки или в отдельных регионах. При этом необходимо иметь пункты с длительным периодом н а б л ю д е н и я за стоком в естественных и н а р у ш е н н ы х условиях.
При б а л а н с о в о м методе исследования изучается водный, тепловой и, при необходимости, солевой б а л а н с у ч а с т к о в водосборов, на которых производится орошение и д р у г и е виды хозяйственной деятельности, а т а к ж е участки р у с е л рек, н а х о д я щ и х с я
в зоне влияния депрессионных воронок, в о д о з а б о р о в и т. п. Б а лансовый метод позволяет у с т а н о в и т ь индивидуальное
влияние
конкретного
фактора
хозяйственной
деятельности на речной
сток, в с к р ы т ь физическую с у щ н о с т ь этого процесса и определить
его влияние в б у д у щ е м . Н е с л о ж н о произвести оценку р у с л о в о г о
водного б а л а н с а с у ч е т о м влияния в о д о з а б о р о в (и с б р о с о в ) на
сток реки, если имеются достаточно н а д е ж н ы е д а н н ы е об этих
величинах. О д н а к о использование
балансового
метода т р е б у е т
производства специальных т р у д о е м к и х полевых исследований.
Н а и б о л е е простым и довольно широко применяемым при использовании способа сравнения для оценки влияния в о д о з а б о р о в
на сток рек я в л я е т с я метод восстановления естественного стока
реки, н а х о д я щ е й с я в н а р у ш е н н ы х у с л о в и я х , по связи с рекойаналогом, имеющей естественный
сток.
Сопоставляемые
реки
д о л ж н ы иметь достаточно длительный период одновременных наблюдений за стоком в н а р у ш е н н ы х и ненарушенных у с л о в и я х . Чем
ближе условия формирования стока исследуемой реки и реки-анал о г а , тем н а д е ж н е е б у д у т полученные р е з у л ь т а т ы . Определение
влияния в о д о з а б о р о в возможно путем построения графиков связи
м е ж д у интегральными (последовательно суммированными) значениями стока реки с нарушенным р е ж и м о м (или исследуемой
реки) и реки-аналога. Период нарушений выделяется на графике
связи к а к зона однозначного отклонения эмпирических точек от
254:
о б щ е г о н а п р а в л е н и я линии с в я з и . Е с т е с т в е н н о , что с в я з ь исслед у е м о й р е к и и р е к и - а н а л о г а в н е н а р у ш е н н ы й п е р и о д д о л ж н а иметь
п р я м о л и н е й н ы й вид. П о д о б н ы й прием о ц е н к и и з м е н е н и я речного
с т о к а в п е р и о д его н а р у ш е н и й я в л я е т с я н а и б о л е е ч у в с т в и т е л ь н ы м
применительно к меженному стоку, поскольку нарушения стока
и м е ю т о б ы ч н о н а и б о л ь ш и й вес именно в э т о т п е р и о д . Н а рис. 5.1
п о к а з а н т а к о й г р а ф и к с в я з и д л я р. П о л и ( т е р р и т о р и я М о с к о в -
2 fi мм
р. Цна-Старый Спас
Рис. 5.1. Связь между интегральными суммами стока реки-аналога и реки с нарушенным режимом для весеннего (а) и меженного (б) периодов
ского артезианского бассейна). Сравнение графиков связи для
м н о г о в о д н о г о и м а л о в о д н о г о п е р и о д о в п о к а з ы в а е т , что н а и б о л ь ш е е у м е н ь ш е н и е с т о к а п р о и с х о д и т в м е ж е н н ы й п е р и о д , к о г д а соо т н о ш е н и е м е ж д у к о л и ч е с т в о м в о д ы , з а б и р а е м о й из р. П о л и , и е е
стоком является наибольшим. В р е м я начала нарушений, выдел я е м о е на э т и х г р а ф и к а х , с о в п а д а е т с н а ч а л о м и н т е н с и ф и к а ц и и
х о з я й с т в е н н о й д е я т е л ь н о с т и в б а с с е й н е р а с с м а т р и в а е м о й реки.
Если значение парного
коэффициента
корреляции
меньше
0,80, т о ц е л е с о о б р а з н о и с п о л ь з о в а т ь н е с к о л ь к о р е к - а н а л о г о в д л я
^повышения т о ч н о с т и о ц е н к и н а р у ш е н и й с т о к а . П р и э т о м р а с ч е т ы
о с у щ е с т в л я ю т с я с п р и м е н е н и е м м е т о д а м н о ж е с т в е н н о й линейной
корреляции.
И с п о л ь з о в а н и е и н т е г р а л ь н ы х к р и в ы х , д л я оценки н а р у ш е н и й
стока рек в результате хозяйственной деятельности
позволяет
о п р е д е л и т ь р а з м е р ы о б щ и х н а р у ш е н и й , н о не в л и я н и е к а ж д о г о
из а н т р о п о г е н н ы х ф а к т о р о в . П о э т о м у
наиболее
целесообразно
э т о т с п о с о б п р и м е н я т ь при я в н о в ы р а ж е н н о м о д н о м в и д е влияния, н а п р и м е р в зоне в л и я н и я д е п р е с с и о н н о й в о р о н к и или орошения.
Н а и б о л е е д е т а л ь н о и з м е н е н и е р е ч н о г о с т о к а по д л и н е реки,
происходящее в результате забора вод, может быть определено
при с о с т а в л е н и и р у с л о в о г о в о д н о г о б а л а н с а . В ц е л я х н а и б о л ь ш е г о
гбора информации необходимо осуществить комплекс
полевых
255:
р а б о т , в к л ю ч а ю щ и х сбор сведений об объеме хозяйственного использования речных вод и проведение гидрометрических с ъ е м о к
на и с с л е д у е м ы х у ч а с т к а х рек.
С о с т а в л я ю щ и е в о д н о б а л а н с о в о г о уравнения обычно меняются
для разных в о д о с б о р о в или у ч а с т к о в рек и зависят от х а р а к т е р а
хозяйственной деятельности. Одним из видов р у с л о в о г о водного
б а л а н с а м о ж е т быть с л е д у ю щ е е у р а в н е н и е :
QBX +
<3бп — QBHX — T j <3заб — <Эф =
0,
(5.1)
где QBX — приток речных вод через входной створ;
(Звых — отток
с у ч а с т к а через выходной створ; Qen — б о к о в а я приточность подземных вод; <3заб — р а с х о д ы
водозаборов;
Q,j> — фильтрация из
р у с л а реки.
При количественной оценке влияния хозяйственной
деятельности на сток рек в маловодный период целесообразно провести
комплексные исследования, у ч и т ы в а ю щ и е к а к д а н н ы е балансовых уравнений, т а к и р е з у л ь т а т ы ,
полученные
при сравнении
многолетних колебаний водности рек и динамики хозяйственного
освоения водосборов.
При планировании в о д о з а б о р а из рек (или озер) необходимо
определить минимально допустимый р а с х о д воды (или
объем
в о д ы ) , который д о л ж е н т а м остаться. Определение минимально
допустимого р а с х о д а воды, о с т а в л я е м о г о в реке при ее хозяйственном
использовании,
является
комплексной
проблемой.
О с т а в л я е м ы й р а с х о д воды д о л ж е н у д о в л е т в о р я т ь целому р я д у требований и п р е ж д е всего санитарным
нормам
и потребностям
в воде ниже р а с п о л о ж е н н ы х по реке водопользователей.
При расчете минимально допустимого р а с х о д а воды,
оставляемого в водотоке, необходимо у ч и т ы в а т ь водный р е ж и м последнего в маловодный период года и минимальный сток. Н а и б о л е е
с у щ е с т в е н н ы м при этом я в л я е т с я х а р а к т е р меженного периода
и его длительность. П р и продолжительной и устойчивой межени
с о з д а ю т с я самые неблагоприятные у с л о в и я для з а б о р о в воды из
рек. П о э т о м у расчет минимально
допустимого
расхода
воды
в реке д о л ж е н производиться с учетом минимального (при недопустимости с у щ е с т в е н н ы х изменений к а ч е с т в а в о д ы ) , или меженного, р а с х о д а воды и длительности е г о периода.
О б ы ч н о д л я сохранения природного состояния рек достаточно
о с т а в л я т ь в них сток (не н а р у ш а я к а ч е с т в а в о д ы ) , с о о т в е т с т в у ю щий величине подземного питания, т. е. близкий к естественному
меженному стоку. О д н а к о б о л ь ш а я длительность меженных периодов на основной части рек С С С Р в зимний или летне-осенний
сезоны в этом с л у ч а е значительно с о к р а щ а е т в о з м о ж н о с т ь их использования д л я водозаборов. В т о ж е время н а б л ю д а ю т с я значительные колебания меженного стока по годам. С л е д о в а т е л ь н о ,
наибольшее значение имеет анализ естественного состояния рек
в с а м ы е маловодные годы при наименьших значениях стока в ме-!
женный период. Если в т а к и х у с л о в и я х в реке с о х р а н я е т с я экологическое благополучие, т о это значение м е ж е н н о г о (или мини256:
мального) стока может быть принято либо как минимально допустимое (если в реке создаются услоййя на грани экологического
благополучия), либо как исходное для расчетов. Расчетный (санитарный) расход воды, оставляемой в реке,
устанавливается
путем введения коэффициентов, учитывающих комплекс различных факторов, характеризующих хозяйственное значение реки, ее
гидрохимический и биохимический режим, способность к самоочищению, вид загрязнений и другие условия, влияющие на качество воды.
ГЛАВА 6. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА
ВОДНЫХ РЕСУРСОВ
Прогноз качества и количества вод суши является завершающим этапом мониторинга. Применяемые в настоящее время методы прогнозирования качества воды делятся на два вида: основанные на предположении о сохранении во времени тенденции
развития процессов, происходящих в водных объектах в период
их изучения (методы экстраполяции или-определения трендов), и
базирующиеся на математическом описании или физическом изучении гидродинамических, физико-химических и других процессов,
протекающих в водоеме или водотоке и учитывающих закономерности изменения состояния водного объекта со сменой основных факторов, определяющих
это состояние, — моделирование
процессов (математическое, физическое, лабораторное) или создание модельных объектов, территорий, полигонов. По заблаговременностй прогнозы могут быть краткосрочными и долгосрочными.
При использовании метода экстраполяции период наблюдений
должен быть существенно длительнее прогнозируемого периода
(в три раза и более), включать многоводные и маловодные периоды стока, а характер нарушений качества и количества стока
должен сохранять стационарный или однонаправленный режим.
При скачкообразном изменений антропогенных факторов; определяющих состояние водных объектов, особенно если эти скачки
плохо предсказуемы, получить достаточно
удовлетворительные
прогнозные данные обычно не представляется возможным. Наилучшие результаты получаются при экстраполяции интегральных
кривых (или трендов) изменения количества стока рек или объемов воды водоемов под влиянием установившейся хозяйственной
деятельности по среднегодовым характеристикам стбка рек или
уровней воды водоемов. Также более устойчивы во времени и
среднегодовые характеристики качества воды, которые могут использоваться аналогичным образом для прогнозирования.
При моделировании возможно создание математических или
физических моделей водных объектов или процессов, в них протекающих. Это позволяет анализировать закономерности разви16
З а к а з № 33
257
тия и изменения состояния водных о б ъ е к т о в
без
производства
длительных полевых исследований.
М а т е м а т и ч е с к и е модели к а ч е с т в а воды б а з и р у ю т с я на дифференциальных у р а в н е н и я х с частными производными.
С их помощью могут м о д е л и р о в а т ь с я у с л о в и я формирования к а ч е с т в а и
количества воды (или отдельные
процессы,
обусловливающие
качество воды) — имитационные модели. М о д е л и р о в а н и е
оптимальных условий с у щ е с т в о в а н и я водного о б ъ е к т а с у ч е т о м его
нагрузки сточными водами или при производстве
водозаборов
с сохранением норм к а ч е с т в а воды производится с использованием оптимизационных моделей.
М о д е л и качества воды д о л ж н ы быть
достаточно
простыми
в практическом использовании, не т р е б о в а т ь большого количества
исходной информации, включать основные ф а к т о р ы формирования к а ч е с т в а воды, о б л а д а т ь у н и в е р с а л ь н о с т ь ю и д а в а т ь д о с т а точно н а д е ж н ы е р е з у л ь т а т ы (или иметь х о р о ш у ю
оправдываемость).
При моделировании к а ч е с т в а воды необходимо у ч и т ы в а т ь динамику распространения загрязнений и их т р а н с ф о р м а ц и ю
по
длине реки или по о б ъ е м у водоема (перемешивание и р а з б а в л е ние в о д ) . П о э т о м у расчетные модели могут б ы т ь одно-, д в у х - или
трехмерными.
О д н а к о существенное различие в м е т о д а х расчета обычно сказ ы в а е т с я лишь вблизи места в ы п у с к а сточных вод, а в с л у ч а е ,
если расстояние от этого места п р е в ы ш а е т 30 м, различные мет о д ы д а ю т близкие р!езультаты ( Ф а л ь к о в с к а я и др., 1982). Р а с х о ж д е н и е расчетных д а н н ы х вблизи места в ы п у с к а о б ъ я с н я е т с я
с л о ж н о с т ь ю у ч е т а х а р а к т е р а начального разбавления.
При составлении краткосрочных оперативных прогнозов целес о о б р а з н о применять методы расчета, использующие коэффициенты дисперсии и неконсервативности и позволяющие о п р е д е л я т ь
поле распределения з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в при в ы п у с к е сточных
вод.
При долгосрочном прогнозировании к а ч е с т в а воды могут б ы т ь
использованы б а л а н с о в ы е методы расчета, у ч и т ы в а ю щ и е к а к расх о д воды сточных вод и их приемника, т а к и концентрацию заг р я з н я ю щ и х веществ. При этом средние и большие реки необход и м о делить на расчетные у ч а с т к и — от створа загрязнения
до
контрольного створа или д о впадения
притока,
или д о нового
с т в о р а загрязнения.
В ы б о р математической модели д л я прогноза к а ч е с т в а
воды
определяется наличием исходных д а н н ы х и задачей расчета. З а грязнение водных о б ъ е к т о в и прогноз их состояния в значительной мере зависит от размещения источников загрязнения. Оптимизация этого размещения д о л ж н а исходить из задачи создания!
условий, при которых загрязнение б у д е т минимальным, т. е. ре-|
ш а е т с я п р о б л е м а минимакса ( М а р ч у к , 1982) на основе использо-!
вания у р а в н е н и я диффузии з а г р я з н я ю щ е г о гидрозоля при изве-j
с т н ы х д а н н ы х о поле скоростей течения и коэффициентах турбу-.
258:
лентной диффузии. П р о б л е м а минимакса р е ш а е т с я путем перебора д о п у с т и м ы х ( м а к с и м а л ь н ы х ) значений
санитарных
норм
в расчетных т о ч к а х р а с с м а т р и в а е м о й акватории и в ы б о р а точки
с минимальными из м а к с и м а л ь н ы х значений, к о т о р а я и
будет
я в л я т ь с я расчетной.
П р а в и л ь н о с т ь в ы б о р а мест в ы п у с к а сточных вод и у с т р о й с т в а
в о д о з а б о р о в м о ж е т быть уточнена методом физического моделирования. О н о ж е позволяет определить зоны загрязнения и обратного течения (если оно в о з м о ж н о ) , а т а к ж е н е о б х о д и м у ю степень
очистки сточных вод. М о д е л и с о з д а ю т с я в гидравлических лабораториях. Они д о л ж н ы иметь н е р а з м ы в а е м ы е стенки и л о ж е . При
их создании д о л ж н ы с о б л ю д а т ь с я у с л о в и я гидравлического подобия натуре. Э т о д о с т и г а е т с я путем анализа дифференциальных
уравнений, о п и с ы в а ю щ и х процессы
взаимодействия
сточных и
природных в о д в водном о б ъ е к т е . При о т с у т с т в и и д о с т а т о ч н о обоснованной с и с т е м ы дифференциальных
уравнений
может быть
использована теория размерности, у ч и т ы в а ю щ а я влияние основных факторов, о п р е д е л я ю щ и х и з у ч а е м ы е процессы.
Д и н а м и ч е с к о е подобие модели и н а т у р ы н а б л ю д а е т с я , если
и м е ю т с я их геометрическое и кинематичеекое подобие и равенство чисел Ф р у д а . Д о п у с т и м ы е и с к а ж е н и я м а с ш т а б о в
модели
могут быть в п р е д е л а х от 1 д о 500 при уменьшении глубины д о
10 см ( Ф а л ь к о в с к а я и др., 1982).
Помимо
гидравлического
моделирование к а ч е с т в а воды Смож е т б ы т ь произведено методом
электроконвективно-диффузнойной аналогии, б а з и р у ю щ е й с я на
исследовании
закономерности
распространения электрического т о к а в электропроводной среде,
к а к аналоге водной среды ( Д р у ж и н и н , Ш и ш к и н , 1 9 7 5 ) .
Р е а л и з а ц и я математических и а н а л о г о в ы х моделей производится на цифровых и а н а л о г о в ы х Э В М .
К а к пример необходимого количества исходной информации
при м а т е м а т и ч е с к о м прогнозе поля загрязнения в с л у ч а е проект и р о в а н и я в ы п у с к о в сточных вод м о ж е т с л у ж и т ь набор основных д а н н ы х , п о з в о л я ю щ и х р а с с ч и т а т ь распределение концентрации консервативного и неконсервативного з а г р я з н я ю щ е г о вещества, а т а к ж е дефицит кислорода в воде при береговом в ы п у с к е
сточных в о д ( Ф а л ь к о в с к а я и др., 1982):
—
минимальный
расход
воды
95%-ной
обеспеченности
в створе в ы п у с к а ,
— средняя глубина и ширина потока,
— п л о щ а д ь поперечного сечения потока,
— гидравлический у к л о н и р а д и у с р у с л а потока,
— средняя и д и н а м и ч е с к а я скорость течения,
— фоновая концентрация и фоновый дефицит к и с л о р о д а ,
— коэффициент скорости биохимического потребления кислорода,
— коэффициент скорости реаэрации,
— р а с х о д сточных вод на в ы х о д е из в ы п у с к а ,
16*
259
—
концентрация консервативного и неконсервативного
н я ю щ и х в е щ е с т в в сточных в о д а х при выпуске.
загряз-
В зависимости от х а р а к т е р а взаимодействия выброса и водного о б ъ е к т а и применяемой модели вид и количество составляющих б у д у т несколько меняться. Степень сложности модели опр е д е л я е т с я количеством и н а д е ж н о с т ь ю
исходной
информации,
в о з м о ж н о с т ь ю использования вычислительных машин и их мощностью.
Наличие р а з н о о б р а з н ы х моделей
прогнозирования
качества
вод о б у с л о в л и в а е т в о з м о ж н о с т ь в ы б о р а конечных р е з у л ь т а т о в на
основании оценки экономической эффективности р а с с м а т р и в а е м ы х
вариантов, в свою очередь у ч и т ы в а ю щ и х возможности у п р а в л е н и я
водохозяйственными системами и их преобразования. При этом
основными путями управления я в л я ю т с я увеличение степени очистки сточных вод, у с о в е р ш е н с т в о в а н и е в о д о в ы п у с к о в или создание р е г у л и р у ю щ и х водохранилищ. П р е и м у щ е с т в о о т д а е т с я
вар и а н т у , и м е ю щ е м у наименьшие капитальные вложения и э к с п л у а тационные з а т р а т ы при сохранении д о п у с т и м ы х норм к а ч е с т в а
воды.
ГЛАВА 7. ВОДООХРАННЫЕ ЗОНЫ
И ЛЕСОЗАЩИТНЫЕ ПОЛОСЫ
В а ж н у ю роль в д е л е о х р а н ы водных о б ъ е к т о в и г р а ю т специальные зоны, в ы д е л я е м ы е по берегам рек, озер, водохранилищ.
И х назначением я в л я е т с я сохранение (или создание) условий д л я
естественной очистки загрязненных вод, п о с т у п а ю щ и х с в о д о с б о р а ,
д о их попадания в водный о б ъ е к т путем п е р е х в а т а поверхностных
вод и перевода их в подземный сток. Одновременно у м е н ь ш а е т с я
количество наносов, п о с т у п а ю щ и х с в о д о с б о р а в р е з у л ь т а т е эрозии. Э т о с п о с о б с т в у е т сохранению или восстановлению естественного к а ч е с т в а воды и в определенной мере у л у ч ш а е т водный режим. Т а к и е зоны н а з ы в а ю т с я прибрежными водоохранными зонами или прирусловыми водоохранными полосами.
В т а к и х зонах ограничивается или полностью з а п р е щ а е т с я хозяйственная деятельность. П р о в о д я т с я в основном
организационно-хозяйственные, агролесомелиоративные и
агротехнические
мероприятия, направленные на уменьшение эрозии и предотвращение загрязнения водных объектов.
Б о л ь ш о е значение имеют
лесовосстановительные работы, поскольку основную
водоохранн у ю роль играет растительность, особенно лес.
Д р е в е с н о - к у с т а р н и к о в а я растительность с п о с о б с т в у е т переводу
•большой части поверхностных вод в подземные, резко с н и ж а е т
или в о о б щ е п р е к р а щ а е т эрозию почв и у к р е п л я е т берега, что сущ е с т в е н н о у м е н ь ш а е т заиление рек и озер. О с о б е н н о
велико ее,
260:
значение при облесении о в р а г о в , б а л о к , песков. Р а с т и т е л ь н о с т ь
з а д е р ж и в а е т поступление химических в е щ е с т в в водные о б ъ е к т ы ,
с н и ж а я поверхностный сток, и п е р е р а б а т ы в а е т их б о л ь ш у ю часть.
П о с к о л ь к у в о д о о х р а н н ы е зоны
предотвращают
(или сильно
с н и ж а ю т ) загрязнение водных о б ъ е к т о в минеральными
удобрениями и пестицидами ( г е р б и ц и д а м и ) , т о в сельскохозяйственных
р а й о н а х они о б я з а т е л ь н о д о л ж н ы у с т р а и в а т ь с я по берегам водных о б ъ е к т о в , о т д е л я я пахотные земли. При этом в самой водоохранной зоне использование химических средств з а щ и т ы растений запрещено.
В дополнение к
лесовосстановительным
р а б о т а м производ и т с я строительство противоэрозионных гидротехнических сооружений (плотины и широкие пороги), о б р а з у ю щ и х пруды,
перепады, склоновые и пойменные лиманы, или о б в а л о в а н и е вершин
оврагов, у с т р о й с т в о противоселевых сооружений, т е р р а с и р о в а н и е
и з а л у ж е н и е склонов.
Ш и р и н а в о д о о х р а н н ы х зон зависит от вида угодий, прилегаю щ и х к водному о б ъ е к т у , а т а к ж е от крутизны (уклонов) приб р е ж н ы х с к л о н о в и с в я з ы в а е т с я с величиной реки. Б о л ь ш а я ширина б у д е т при наличии р а с п а х а н н ы х
земель и
существенных
у к л о н о в , что о б у с л о в л и в а е т интенсивный смыв и перенос частицпочвы и химических веществ. В
прибрежную
полосу
обычно
в к л ю ч а ю т с я пойма и надпойменные т е р р а с ы , в т о м числе балки
и овраги.
О с о б о в а ж н о е значение в о д о о х р а н н ы е зоны имеют д л я м а л ы х
рек и озер, п о с к о л ь к у з а п а с ы воды в них невелики и могут быть
легко н а р у ш е н ы к а к по количеству, т а к и п о к а ч е с т в у воды. Д л я
м а л ы х рек н а и м е н ь ш а я ширина водоохранной зоны на к а ж д о м
б е р е г у обычно принимается (Беличенко, Ш в е ц о в , 1983): 15 м при
длине реки д о 10 км, 100 м при длине д о 50 км, 200 м при длине
д о 100 км, 300 м при д л и н е реки свыше 100 км. О т с ч е т ширины
зоны ведется от среднемноголетнего у р е з а в о д ы в летнюю межень.
В в о д о о х р а н н ы х з о н а х з а п р е щ а е т с я строить новые и р а с ш и р я т ь
с т а р ы е промышленные
предприятия,
размещать
площадки и
с к л а д ы д л я химических м а т е р и а л о в , различные свалки, животноводческие комплексы, взлетно-посадочные полосы д л я проведения авиационно-химических работ, у с т р а и в а т ь стоянки и какиелибо р а б о т ы с а в т о т р а к т о р н ы м парком, з а м а ч и в а т ь в реке сельскохозяйственные
растения
(лен,
конопля и др.) и кожи,
л и к в и д и р о в а т ь пойменные озера и старицы без с о о т в е т с т в у ю щ е г о
разрешения.
Б о л ь ш а я в о д о о х р а н н а я роль леса о б у с л о в л и в а е т
выделение
в п р и б р е ж н ы х л е с а х з а п р е т н ы х д л я пользования полос в д о л ь берегов рек и озер. И х ширина с в я з ы в а е т с я с длиной реки ( М а с л о в ,
М и н а е в , 1985). При длине реки до 100 км ширина запретной полосы принимается равной 300 м, при длине д о 300 км — 500 м,
а д о 1000 к м — 1000 м. Т а к и м о б р а з о м , в л е с а х з а п р е т н а я зона
больше
в о д о о х р а н н о й : зоны в р а й о н а х развитой хозяйственной
261:
деятельности при отсутствии лесов. П о э т о м у в последних рекомендуется о с у щ е с т в л я т ь лесопосадки в виде з а щ и т н ы х полос, кот о р ы х м о ж е т быть несколько. При этом первая лесополоса являе т с я одновременно берегозащитной, поскольку ее г л а в н о е назначение — предотвращение р а з м ы в а и переработки берегов рек и
водохранилищ, она д о л ж н а а к к у м у л и р о в а т ь п р о д у к т ы эрозии, изв л е к а т ь п о с т у п а ю щ и е в в о д у биогенные элементы и минеральные
соли. Э т а полоса (как о х р а н н а я ) р а с п о л а г а е т с я вдоль
меженного горизонта воды с з а х в а т о м полосы воды глубиной д о 1 м .
О н а состоит из в л а г о л ю б и в ы х растений и высшей водной растительности. Ш и р и н а берегозащитной лесной
полосы
зависит от
почвенно-грунтовых условий и р е л ь е ф а и с о с т а в л я е т не
менее
5 0 — 1 0 0 м. В зависимости от р а з м е р о в реки и с о о т в е т с т в у ю щ и х
условий э т а полоса по ширине м о ж е т с о в п а д а т ь с прибрежной
водоохранной зоной или я в л я т ь с я е е частью.
Д р у г и е лесные полосы относятся к категории в о д о р е г у л и р у ю щих и могут р а с п о л а г а т ь с я на пойме (если она б о л ь ш а я ) , на надпойменных с к л о н а х и за бровкой коренного берега. Ш и р и н а лесополос обычно с о с т а в л я е т 2 0 — 4 0 м. М е ж д у лесополосами могут
б ы т ь сельскохозяйственные у г о д ь я . Л е с о з а щ и т н ы е полосы
спос о б с т в у ю т с о х р а н е н и ю чистоты речных и озерных в о д и полноводности рек.
ГЛАВА 8. ОХРАНА МАЛЫХ РЕК
П о д а в л я ю щ е е число рек С о в е т с к о г о С о ю з а относится к категории малых. И х длина обычно не п р е в ы ш а е т 100 -г-150 км, а площ а д ь в о д о с б о р а 1000-^2000 км 2 . М а л ы е
реки,
ф о р м и р у я сток
средних и больших рек, и г р а ю т в а ж н у ю роль в формировании
к а ч е с т в а их воды. Н е б о л ь ш а я по р а с х о д у воды, но сильно загрязненная м а л а я река влияет на качество воды принимающей ее
реки в среднем в 10 раз сильнее, чем на ее количество.
°
М а л ы е реки значительно быстрее, чем средние и т е м более
большие реки, меняют качество и количество своих вод под влиянием техногенных нагрузок. Они очень чувствительны к искусстI венным изменениям у с л о в и й формирования стока в их бассейне.
\ Д а ж е одна ж и в о т н о в о д ч е с к а я ферма или небольшой с а х а р н ы й
] з а в о д и к могут п р е в р а т и т ь м а л у ю р е к у в сточную к а н а в у . П о э т о м у
/ м а л ы е реки з а г р я з н я ю т с я значительно быстрее, чем большие.
X
Помимо влияния сельскохозяйственных полей и ферм, с к л а д о в
/ минеральных удобрений, промышленных и
коммунальных
хо' зяйств все более р а с ш и р я е т с я влияние у р б а н и з и р о в а н н ы х территорий и воздействие рекреационных н а г р у з о к на м а л ы е реки. П р и
этом последние все интенсивнее используются д л я в о д о з а б о р о в
на хозяйственные и промышленные н у ж д ы , а т а к ж е д л я о р о ш е -
ния. Э т о ведет к истощению речного стока, вплоть д о его прекращения, особенно в ю ж н ы х р а й о н а х .
В т о ж е время м а л ы е реки я в л я ю т с я нерестилищами д л я многих ценных пород р ы б , о х р а н а к о т о р ы х п р е д п и с ы в а е т с я законом.
П о э т о м у в 1980 г. б ы л о принято Постановление С о в е т а Министров С С С Р « О б усилении о х р а н ы м а л ы х рек от загрязнения, засорения и истощения и о рациональном использовании их водных
ресурсов», в котором с о в е т а м
министров союзных
республик,
а т а к ж е министерствам и в е д о м с т в а м С С С Р
было
предложено
р а з р а б о т а т ь и о с у щ е с т в и т ь мероприятия по в о с с т а н о в л е н и ю водности м а л ы х рек и чистоты их в о д , о с у щ е с т в л я т ь
строительство
н е о б х о д и м ы х гидротехнических и очистных с о о р у ж е н и й д л я ликвидации причин и п р е д у п р е ж д е н и я загрязнений, засорения и ист о щ е н и я водных р е с у р с о в м а л ы х рек. В с е организации, которые
в своей деятельности могут отрицательно повлиять на водные рес у р с ы , д о л ж н ы о с у щ е с т в л я т ь в о д о о х р а н н ы е мероприятия по подд е р ж а н и ю благоприятного водного р е ж и м а и н а д л е ж а щ е г о санит а р н о г о состояния м а л ы х рек. О с о б е н н о б о л ь ш о е значение д л я
жизни м а л ы х рек имеют в о д о о х р а н н ы е зоны, в которых наиболее
строго регламентируется
хозяйственная
деятельность.
Естественно, что наилучшим в а р и а н т о м я в л я е т с я
полное
отсутствие
этой деятельности в водоохранной зоне (исключение с о с т а в л я ю т
мероприятия по у х о д у за водоохранной зоной). О д н а к о п о л н о с т ь ю
и з б е ж а т ь проявлений хозяйственной деятельности не всегда возможно, поэтому она д о л ж н а быть сведена д о минимума, не оказ ы в а ю щ е г о заметного влияния на качество и количество
воды
в реке. Э т о ж е относится и к у с т р о й с т в у рекреационных о б ъ е к тов, д л я которых д о л ж н ы в ы д е л я т ь с я
специальные
зоны длит е л ь н о г о стационарного или к р а т к о в р е м е н н о г о о т д ы х а , что позвол я е т р е г у л и р о в а т ь н а г р у з к у на п о б е р е ж ь я рек.
Д л я естественного с у щ е с т в о в а н и я м а л ы х рек очень большое
значение имеет лес. У ч и т ы в а я небольшие п л о щ а д и в о д о с б о р о в мал ы х рек, с л е д у е т помнить, что в ы р у б к а д а ж е относительно
неб о л ь ш и х у ч а с т к о в л е с а м о ж е т с у щ е с т в е н н о с к а з а т ь с я на их водном р е ж и м е . Значительное у м е н ь ш е н и е лесистости в о д о с б о р а вед е т к с н и ж е н и ю подземного питания рек, их обмелению в меженный период и д а ж е к пересыханию.
Д л я поддержания
высокой
водности
малых
рек на
них
с т р о я т с я в о д о р е г у л и р у ю щ и е плотины и искусственные водоемы,
п о з в о л я ю щ и е п о д д е р ж и в а т ь относительно высокие уровни
воды
в меженный период и с н и ж а т ь р а з р у ш и т е л ь н о е действие половодий и п а в о д к о в . Н а м а л ы х р е к а х издревле строились мельничные
плотины, а в 4 0 - х — 5 0 - х г о д а х нашего в е к а б ы л о р а з в и т о строит е л ь с т в о м а л ы х (сельских) электростанций. П о с л е д н е е считается
ц е л е с о о б р а з н ы м и в н а ш е время.
Д а н н ы е о современном состоянии м а л ы х рек — их водных рес у р с а х , использовании и м е ю щ и х с я на них с о о р у ж е н и я х — привод я т с я в водохозяйственных п а с п о р т а х . Т а к о й паспорт с о с т а в л я е т с я
по р е з у л ь т а т а м о б с л е д о в а н и я в о д о с б о р а малой реки. П р и э т о м
263:
у ч и т ы в а ю т с я все притоки длиной д о 10 км.
р е з у л ь т а т е обслед о в а н и я к а ж д о г о в о д о т о к а д л я речного бассейна в д е л о м получ а ю т сведения о его водности, естественной и искусственной зарег у л и р о в а н н о е ™ озерами и п р у д а м и , о числе к а п и т а л ь н ы х плотин
и их типе, о м е с т а х с б р о с а о т р а б о т а н н ы х вод и их количестве,
о качестве воды, о мероприятиях по о х р а н е водотоков. Сведения
в т а б л и ц а х паспорта приводятся от истока к у с т ь ю с н а ч а л а по
главной реке, а затем в т а к о м ж е порядке по ее притокам, т. е .
в соответствии с принятым в Госкомгидромете С С С Р порядком
нумерации гидрологических постов.
Н а основании д а н н ы х
водохозяйственного
паспорта можно
р а с с ч и т а т ь водохозяйственный б а л а н с по длине
реки д л я всех
водохозяйственных у ч а с т к о в , а т а к ж е пунктов в о д о з а б о р о в и вод о с б р о с о в . Д о с т а т о ч н о подробные сведения о водных р е с у р с а х и
водном б а л а н с е в б а с с е й н а х малых рек позволяют с о с т а в л я т ь
перспективные планы водОобеспечения • с у ч е т о м качества воды,
о п р е д е л я т ь возможности и о б ъ е м ы водопотребления и водоотведения в б а с с е й н а х рек с учетом их с у щ е с т в у ю щ е г о
состояния.
Д а н н ы е водохозяйственных паспортов помогают с у щ е с т в е н н о упростить выбор источников в о д о с н а б ж е н и я , планирование водохозяйственных мероприятий и определение рационального пути использования водных р е с у р с о в или конкретных рек в определенном
хозяйстве, районе илй области. П о э т о м у п а с п о р т а
необходимы
проектным институтам, местным хозяйственным
организациям,
бассейновым инспекциям.
В о д о х о з я й с т в е н н а я паспортизация малых рек я в л я е т с я в е с ь м а
в а ж н ы м , с л о ж н ы м и т р у д о е м к и м делом. П о э т о м у она
требует
длительных сроков осуществления и в п е р в у ю очередь производ и т с я в наиболее хозяйственно освоенных р а й о н а х страны, т а м ,
где малые реки п о д в е р г а ю т с я наибольшим техногенным нагрузкам.
З а порядком использования п р и б р е ж н ы х зон и регулирования
в них хозяйственной деятельности д о л ж н ы следить местные советы народных д е п у т а т о в с привлечением общественных организаций и ведомств, использующих реку или связанных с о х р а н о й
природы. Л ю б о е предприятие, д о п у с т и в ш е е загрязнение, засорение или заиление реки, о б я з а н о принять меры по ее расчистке
и восстановлению естественного состояния.
Д л я усиления з а щ и т ы водных о б ъ е к т о в и более рационального их использования в 1980 г. был принят У к а з «Об административной ответственности за нарушение водного
законодательства», в котором п р е д у с м а т р и в а е т с я ответственность д о л ж н о с т н ы х
лиц и г р а ж д а н за загрязнение и засорение вод, повреждение водохозяйственных сооружений и д р у г и е н а р у ш е н и я в о б л а с т и водного хозяйства.
С л е д у е т отметить, что принятые за последние годы меры по
действенной охране рек, особенно малых, обусловили тенденцию
к снижению степени их загрязнения (по т а к и м в е щ е с т в а м , как
нефтепродукты, фенолы, соединения меди и цинка) во многих
264:
промыщленно, развитых районах Советского Союза или стабилизацию уровня загрязненности воды по легко окисляемым органическим веществам (БПКб, СПАВ, органическому и нитритному
азоту). Хотя в отдельных регионах загрязнение вод продолжает
оставаться на высоком уровне (многие реки европейской части
СССР, особенно юга, Средней Азии, Свердловской области, отдельные реки Сахалина и некоторые притоки Обй и Колымы).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Бабкин В. И., Воскресенский
К. П. Современная оценка водных ресурсов
Советского Союза,—Водные ресурсы, 1976, № 5, с. 5—13.
ч уБеличенко Ю. П., Швецов М. М. Рациональное использование и охрана
водных ресурсов.— М.: Россельхозиздат, 1986.— 303 с.
Бесценная М. А., Орлов В. Г. Практикум по оценке загрязненности водных
объектов (учебное пособие).— Л., Л П И — Л Г М И , 1983.— 54 с.
ч/\.
Водный кодекс РСФСР.—М..:
Юридическая литература, 1985.— 44 с.
Воронков 77. П.
Гидрохимия местного стока Европейской территории
СССР,— Л.: Гидрометеоиздат, 1970,— 188 с.
Зарубаев Н. В. Комплексное использование и охрана водных ресурсов.—
Л.: Стройиздат, 1976,—222 с.
Израэль Ю. А. и др. Осуществление в СССР системы мониторинга загрязнения природной среды — Л . : Гидрометеоиздат, 1978.—116 с.
Комплексное использование м охрана водных ресурсов (учебное пособие).—
М.: Агропромиздат, 1985.—300 с.
Кутырин И. М. Охрана водных объектов от загрязнения.— Л.: Гидрометеоиздат, 1988,—40 с.
Марчук Г. И. Математическое моделирование в проблеме окружающей
среды,—М.: Наука, 1982 — 317 с.
Маслов Б. С., Минаев И. В. Мелиорация и охрана природы — М . : Россельхозиздат, 1985,—270 с.
Математические модели контроля загрязнения воды.— М.: Мир, 1981.—
471 с.
Методические основы оценки и регламентирования антропогенного влияния
на качество поверхностных вод.— Л.: Гидрометеоиздат, 1987.—285 с.
Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли.— Л.: Гидрометеоиздат,
1974.
Ншаноров
А. М., Львов В. А., Каминский В. С. Контроль качества вод
и их охрана.— В кн.: Труды V Всесоюзного гидрологического съезда.— Л.: Гидрометеоиздат, 1989, т. 7.
Никитин Д. П., Новиков Ю. В. Окружающая среда и человек (учебное
пособие).— М.: Высшая школа, 1986.— 414 с.
Об охране окружающей среды (сборник документов).— М., 1986.— 408 с.
Орлов В. Г. Контроль качества поверхностных вод. Учебное пособие.— Л.,
1988.— 139 с.
Охрана водных ресурсов.— М.: Колос, 1979.— 246 с.
Охрана окружающей среды (справочник).— Л.: Судостроение, 1978.—549 с.
Правила охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами.—
М.: 1975,—41 с.
Разумихин Н. В. Природные ресурсы и их охрана. Учебное, пособие.— Л.,
1987.
Родзевич Н. Н., Пашканг К. В. Охрана и преобразование природы. Учебное пособие.— М. Просвещение, 1979.
Фальковская JI. Н. и др. Основы прогнозирования качества поверхностных
вод,—М., Наука, 1982,— 167 с.
265:
3. ОХРАНА МИРОВОГО ОКЕАНА
ГЛАВА 1. ИСТОЧНИКИ
И ВИДЫ З А Г Р Я З Н Е Н И Я ОКЕАНА
П о с л е д н и е десятилетия з н а м е н у ю т с я усилением антропогенных
воздействий на морские экосистемы в р е з у л ь т а т е загрязнения морей и океанов. Е а с п р о с т р а н е н и е многих з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в
приобрело л о д а л ш ь щ региональный и д а ж е
глобальный
масш т а б ы . П о э т о м у загрязнение морей, океанов и их биоты "Стало
i a ж н ё Ш e й s J A e ж д y н a p o д щ ^ , J ф o ^ e м e f t r > > ^ a необходимость о х р а н ы
морской среды от загрязнений д и к т у е т с я
требованиями
рационального и с п о л ь з о в а н и е природных ресурсов.
О б ъ е д и н е н н а я группа экспертов по научным а с п е к т а м з а г р я з - Л
нения морей, в которой у ч а с т в о в а л и советские специалисты, сфор- 1
м у л и р о в а л а определение, п о д д е р ж а н н о е М е ж п р а в и т е л ь с т в е н н о й i
океанографической комиссией (1967 г.) и принятое Конференцией /'
О О Н по п р о б л е м а м о к р у ж а ю щ е й с р е д ы (1972 г., С т о к г о л ь м ) . П о д /
загрязнением моря понимается: «введение человеком i/рямо или I
косвенно в е щ е с т в или энергии в м о р с к у ю среду ( в к л ю ч а я э с т у а р и и ) ,
в л е к у щ е е т а к и е вредные последствия, к а к у щ е р б ж и в ы м р е с у р с а м ,
опасность для з д о р о в ь я л ю д е й , помехи в морской деятельности,
в к л ю ч а я р ы б о л о в с т в о , у х у д ш е н и е к а ч е с т в а морской в о д ы и уменьшение ее полезных свойств». Э т о т список в к л ю ч а е т в е щ е с т в а с токсическими с в о й с т в а м и , с б р о с ы нагретых в о д (тепловое з а г р я з н е н и е ) ,
патогенные микробы, т в е р д ы е отходы, взвешенные в е щ е с т в а , биогенные в е щ е с т в а и некоторые д р у г и е формы антропогенных в о з д е й у
СТВИЙ.
Н а и б о л е е а к т у а л ь н о й в наше время с т а л а
ского загрязнения океана.
проблема
химиче-
1.1. Состав и объем загрязняющий веществ в океане
..К.,.источникам загрязнения океана 1и морей м о ж н о отнести сле!
дующие:
—
—
—
266:
сброс промышленных и хозяйственных
вод
непосредственно в море или с речным стоком;
поступление С с у ш и
различных
веществ,
применяемых
в сельском и лесном хозяйстве;
:
преднамеренное захоронение в море з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в ;
-— утечки различных в е щ е с т в в процессе с у д о в ы х операций;
— аварийные в ы б р о с ы с с у д о в или
подводных
трубопроводов;
— р а з р а б о т к а полезных и с к о п а е м ы х на морском дне;
— перенос з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в через а т м о с ф е р у .
О б н а р у ж е н н ы е в океане группы з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в предс т а в л е н ы в т а б л . 1.1. К р о м е этого, в о к е а н разными путями поТ а б л и ц а 1.1
Наиболее распространенные токсичные компоненты крупномасштабного
загрязнения Мирового океана (Патин, 1979)
Загрязняющие вещества
Радионуклиды
стронций-90 (90Sr)
цезий-137 (l37Cs)
плутоний-238 (238Ри)
тритий ( 3 Н )
церий-144 ( И 4 С е )
Х л о р о р г а н и ч е с к и е токсичные
Д Д Т и его м е т а б о л и т ы
полихлорированные бифенилы
альдрин
дильдрин
линдан
Металлы
метилртуть
кадмий
ртуть
свинец
цинк
медь
хром
железо
марганец
мышьяк
Нефть и нефтепродукты
Детергенты
ная,
ная.
Степень биологической опасности *
Масштаб
распространения
Глобальный
„
»»
У1
м
++
++
++
++
++
++
(+)
++
+
+
И
(+)
+?
»»
»
»
.
Локальный
Глобальный
У*
>>
Локальный
Региональный
Локальный
„,» •
Региональный
Глобальный
Региональный
* Степень биологической о п а с н о с т и д л я м о р с к и х о р г а н и з м о в : - М
силь-i
значительная, ( + ) — с л а б а я , ? — н е о п р е д е л е н н а я , ( — ) — незначитель-
с т у п а ю т многочисленные органические соединения, з а в о д с к и е отх о д ы с высоким Б П К , взвешенные частицы. К а к м о ж н о видеть,
перечень п о л у ч а е м ы х океаном з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в
чрезвычайно обширен. В с е они р а з л и ч а ю т с я м е ж д у собой по степени
токсичности и
масштабам
распространения — от
прибрежных
( л о к а л ь н ы х ) до г л о б а л ь н ы х .
267:
Т а б л и ц а 1.2 д а е т п р е д с т а в л е н и е о в е л и ч и н а х и с о о т н о ш е н и и
р а з л и ч н ы х п о т о к о в о с н о в н ы х т о к с и ч н ы х в е щ е с т в в о к е а н по д а н н ы м на 1 9 8 5 — 1 9 8 6 гг.
В Мировом океане находят все новые загрязняющие вещества.
Глобальное распространение приобретают наиболее опасные для
организмов
хлорорганические
соединения,
полиароматические
Т а б л и ц а 1.2
Антропогенная нагрузка (т/год) на Мировой океан по приоритетным
загрязняющим веществам (Израэль, Цыбань, 1988)
Сток
Загрязняющее
вещество
Свинец
Ртуть
Кадмий
Нефть
Хлорированные
углеводороды
полихлорбифенилы
пестициды,
дибензодиоксины, дибензофураны
о
S-.
Ё° "С«
Поток в океан
«§°S£
к я £0 2 ^
ijusjc
4coSu
Прямое загрязнение с
суши
Атмосферное
выпадение
2,МО6
7,0-10 3
1,7-Ю 4
4,4-Ю 6
92
70
50
88
(1—20). 10s
(5—8) • 103
(1—20). 103
(3—4) • 10б
(2—20)-10 5
(2—3) • 103
(0,5—14)-10®
(3—5) • 10®
—
8-Ю 3
100
(1—3)-10 3
(5—7)-10 3
—
1,Ы04
100
(4—6)•10 3
(3—7) • 10s
естественный
антропогенный
1,8-Ю 5
3,0-Ю 3
1,7-Ю 4
6,0-Ю 5
у г л е в о д о р о д ы и некоторые другие. Они о б л а д а ю т высокой биоаккумулятивной способностью, резким токсическим и канцерогенным эффектом.
Н е у к л о н н о е н а р а с т а н и е с у м м а р н о г о в о з д е й с т в и я м н о г и х источников загрязнения приводит к прогрессирующей
эвтрофикации
п р и б р е ж н ы х м о р с к и х зон и
микробиологическому
загрязнению
в о д ы , что с у щ е с т в е н н о з а т р у д н я е т и с п о л ь з о в а н и е в о д ы д л я р а з личных н у ж д человека.
1.2. Нефть и нефтепродукты
Нефть представляет собой в я з к у ю
маслянистую
жидкость,
обычно имеющую темно-коричневый цвет и о б л а д а ю щ у ю слабой
ф л у о р е с ц е н ц и е й . Н е ф т ь с о с т о и т п р е и м у щ е с т в е н н о из н а с ы щ е н н ы х
а л и ф а т и ч е с к и х и г и д р о а р о м а т и ч е с к и х у г л е в о д о р о д о в (от С5 до
С70)
и с о д е р ж а т 8 0 — 8 5 % С , 1 0 — 1 4 % Н , 0 , 0 1 — 7 % S , 0,01 % N
и 0—7 % 02.
Основные компоненты
нефти — у г л е в о д о р о д ы
(до
98 % ) —
п о д р а з д е л я ю т с я на четыре к л а с с а .
268:
^ 1. Парафины
( а л к а н ы ) (до 9 0 % от о б щ е г о с о с т а в а нефти) —
устойчивые насыщенные соединения C n H 2 n+2, м о л е к у л ы которых
в ы р а ж е н ы прямой или разветвленной (изоалканы) цепью
атомов у г л е р о д а . П а р а ф и н ы в к л ю ч а ю т газы метан, э т а н , пропан и
другие, соединения с 5 — 1 7 а т о м а м и у г л е р о д а являются жидкостями, а с большим числом атомов у г л е р о д а — твердыми
веществами. Л е г к и е парафины о б л а д а ю т максимальной л е т у ч е с т ь ю и
р а с т в о р и м о с т ь ю в воде.
'^2. Циклопарафины
(нафтены) — насыщенные
циклические
соединения С п Н2п с 5 — 6 атомами у г л е р о д а в кольце (30—60 %
от о б щ е г о с о с т а в а нефти). Д в а а т о м а у г л е р о д а в м о л е к у л е могут
быть з а м е щ е н ы алкильными группами — СНг, — С2Н5 и др. К р о м е
циклопентана и циклогексана в нефти в с т р е ч а ю т с я
бициклические и полициклические нафтены. Эти соединения очень
устойчивы и плохо п о д д а ю т с я б и о р а з л о ж е н и ю .
\,3. Ароматические
углеводороды
(20—40 % от о б щ е г о с о с т а в а
нефти) — ненасыщенные циклические соединения ряда бензола,
с о д е р ж а щ и е в кольце на 6 атомов у г л е р о д а меньше, чем соответс т в у ю щ и е нафтены. А т о м ы у г л е р о д а в этих соединениях т а к ж е
могут з а м е щ а т ь с я алкильными группами. В нефти п р и с у т с т в у ю т
летучие
соединения
с
молекулой в виде одинарного кольца
(бензол, т о л у о л , к с и л о л ) , затем бициклические ( н а ф т а л и н ) , трициклические (антрацен, фенантрен) и полициклические (например, пирен с 4 кольцами) у г л е в о д о р о д ы .
v 4 . Олефины
(алкены) (до 10 % от о б щ е г о с о с т а в а нефти) —
ненасыщенные нециклические соединения с одним или д в у м я атомами в о д о р о д а у к а ж д о г о а т о м а у г л е р о д а в м о л е к у л е , и м е ю щ е й
п р я м у ю или р а з в е т в л е н н у ю цепь.
В зависимости от месторождения, нефти с у щ е с т в е н н о различаются по своему с о с т а в у . Т а к , пенсильванская и к у в е й т с к а я нефти
к в а л и ф и ц и р у ю т с я к а к парафинйстые, б а к и н с к а я и
калифорнийс к а я — преимущественно нафтеновые, о с т а л ь н ы е нефти — промеж у т о ч н ы х типов.
В нефти п р и с у т с т в у ю т т а к ж е с е р о с о д е р ж а щ и е соединения (до
7 % с е р ы ) , жирные кислоты (до 5 % к и с л о р о д а ) , азотные соединения (до 1 % а з о т а ) и некоторые металлоорганические производные (с ванадием, к о б а л ь т о м и никелем).
Количественный анализ
и
идентификация
нефтепродуктов
в морской среде п р е д с т а в л я ю т значительные т р у д н о с т и не т о л ь к о
из-за их многокомпонентности и различия форм
существования,
но и в с л е д с т в и е природного фона у г л е в о д о р о д о в естественного и
биогенного происхождения. Н а п р и м е р , около 90 % растворенных
в поверхностных в о д а х океана низкомолекулярных у г л е в о д о р о д о в
типа этилена связано с метаболической активностью организмов
и р а с п а д о м их о с т а т к о в . О д н а к о в районах интенсивного загрязнения у р о в е н ь с о д е р ж а н и я подобных у г л е в о д о р о д о в п о в ы ш а е т с я
на 4 — 5 порядков.
У г л е в о д о р о д ы биогенного и
нефтяного
происхождения, по
данным э к с п е р и м е н т а л ь н ы х исследований, имеют ряд различий.
269:
1. Н е ф т ь п р е д с т а в л я е т с о б о й б о л е е с л о ж н у ю с м е с ь у г л е в о д о родов с большим диапазоном Структур и относительной молекулярной массой.
2. Н е ф т ь с о д е р ж и т н е с к о л ь к о г о м о л о г и ч е с к и х серий, в к о т о рых соседние члены обычно имеют равные концентрации. Наприм е р , в р я д у а л к а н о в С ] 2 — С 2 2 о т н о ш е н и е ч е т н ы х и н е ч е т н ы х членов р а в н о единице, т о г д а к а к б и о г е н н ы е у г л е в о д о р о д ы в т о м ж е
р я д у с о д е р ж а т п р е и м у щ е с т в е н н о н е ч е т н ы е члены.
Таблица 1.3
Источники поступления нефтяных углеводородов в Мировой океан
(Трешников, Смагин, 1979)
Источник
Млн. т/год
Морская транспортировка , (кроме аварийных
Аварийные • разливы
Речной сток, включая сточные воды городов
Сточные воды прибрежной зоны
Атмосферные выпадения
Естественные нефтяные скважины
Добыча нефти в море
разливов)
Всего
1,83
0,3
1,9
0,8
0,6
0,6
0,08
6,11
3. Н е ф т ь с о д е р ж и т б о л е е ш и р о к и й д и а п а з о н ц и к л о а л к а н о в и
ароматических углеводородов.
Многие
соединения, такие, к а к
моно-, ди-, три- и т е т р а м е т и л б е н з о л ы не о б н а р у ж е н ы в м о р с к и х
организмах.
4. Н е ф т ь с о д е р ж и т
многочисленные
нафтено-ароматические
у г л е в о д о р о д ы , р а з н о о б р а з н ы е г е т е р о с о е д и н е н и я ( и м е ю щ и е в сос т а в е с е р у , азот, к и с л о р о д , ионы м е т а л л о в ) , т я ж е л ы е а с ф а л ь т о п о д о б н ы е в е щ е с т в а — все они п р а к т и ч е с к и о т с у т с т в у ю т в о р г а низмах.
Нефть и нефтепродукты являются наиболее
распространенными загрязняющими веществами в Мировом океане. К началу
80-х г о д о в в о к е а н е ж е г о д н о п о с т у п а л о о к о л о б млн. т н е ф т я н ы х
у г л е в о д о р о д о в ( т а б л . 1 . 3 ) , что с о с т а в л я л о о к о л о 0,23 % г о д о в о й
м и р о в о й д о б ы ч и нефти и з н а ч и т е л ь н о п р е в ы ш а л о п о т е р и нефти
при п о т о п л е н и я х и п о в р е ж д е н и я х т а н к е р о в з а в с ю в т о р у ю миров у ю в о й н у (4 млн. т ) . К 1986 г. п о т е р и нефти з а м е т н о у м е н ь ш и л и с ь (ср. д а н н ы е т а б л . 1.2 и 1 . 3 ) .
Пути поступления и формы существования нефтяных углеводородов многообразны (растворенная, эмульгированная, пленочная,
т в е р д о о б р а з н а я ) . М . П . Н е с т е р о в а (1984) о т м е ч а е т с л е д у ю щ и е
пути поступления:
—
:270
сбросы в море промывочных,
с с у д о в (23 % ) ;
балластных
и льяльных
вод
—
с б р о с ы в п о р т а х и п р и п о р т о в ы х а к в а т о р и я х , в к л ю ч а я пот е р и при з а г р у з к е б у н к е р о в н а л и в н ы х с у д о в ( 1 7 % ) ;
— сброс промышленных отходов и сточных вод ( 1 0 . % ) ;
—;• л и в н е в ы е с т о к и (5 %•)';.
— к а т а с т р о ф ы с у д о в и б у р о в ы х у с т а н о в о к в м о р е (6 % ) ;
— б у р е н и е на ш е л ь ф а х (1 % ) ;
— а т м о с ф е р н ы е в ы п а д е н и я (10 % ) ;
— в ы н о с р е ч н ы м с т о к о м во в с е м м н о г о о б р а з и и ф о р м ( 2 8 % ) .
Рис. 1.1. Карта-схема основных транспортировок нефти морским путем.
Ширина стрелок пропорциональна тоннажу перевозок. Штриховкой даны перевозки в период
с 1967 по 1976 г.
Н а и б о л ь ш и е п о т е р и нефти с в я з а н ы с е е т р а н с п о р т и р о в к о й из
районов добычи. А в а р и й н ы е ситуации, слив за борт т а н к е р а м и
промывочных и балластных в о д , — все это обусловливает присутс т в и е п о с т о я н н ы х полей з а г р я з н е н и й н а т р а с с а х м о р с к и х п у т е й
(рис. 1 . 1 ) .
Примером первой крупнейшей аварии нефтеналивного судна
м о ж е т с л у ж и т ь к а т а с т р о ф а в 1967 г. т а н к е р а «ХоЕРЖ^-Кддьод»»
в танках которого 'содержалось
117 тыс. т
сырой
кувейтской
нефти. Н е д а л е к о от м ы с а К о р н у э л л т а н к е р н а л е т е л
н а риф, и
в результате пробоин и повреждений в
море
вылилось около
100 т ы с . т нефти. П о д в о з д е й с т в и е м в е т р а
мощные
нефтяные
с л и к и д о с т и г л и п о б е р е ж ь я К о р н у э л л а , п е р е с е к л и Л а - М а н ш и подошли к побережью Бретани (Франция). Морским, прибрежным
и п л я ж н ы м э к о с и с т е м а м б ы л причинен о г р о м н ы й у щ е р б . С т е х
пор р а з л и в ы нефти при а в а р и я х с у д о в и м о р с к и х б у р о в ы х у с т а н о в о к п р о и с х о д я т д о в о л ь н о ч а с т о . В ц е л о м з а 1 9 6 2 — 1 9 7 9 гг. в результате аварий в морскую среду
поступило
около
2 млн. т
н е ф т и , причем с 1962 по 1971 г. 66 т ы с . т е ж е г о д н о , с 1971 по
271:
1 9 7 6 г . — по 1 1 6 т ы с . т, с 1976 по 1979 г. — по 1 7 7 т ы с . т ( Н е с т е р о в а , 1984).
^
З а п о с л е д н и е 30 лет в М и р о в о м
океане
пробурено
около
I 2000 с к в а ж и н , из них т о л ь к о в С е в е р н о м м о р е н а ч и н а я с , 1964 г.
п р о б у р е н о 1000 и о б о р у д о в а н о 350 п р о м ы ш л е н н ы х с к в а ж и н . И з - з а
н е з н а ч и т е л ь н ы х у т е ч е к н а б у р о в ы х е ж е г о д н о т е р я е т с я 0,1 млн. т
н е ф т и , но а в а р и й н ы е с и т у а ц и и т а к ж е н е р е д к и .
Выпадение с
gтмоарерныт
осадками
Распространение
Химическое
взаимодейстбш.
Растворение / /
j
Перемещение
с пузырьками
Распределение КонИекция
планктоном и подъем
'нещени^^
Бактериальная
деградация
Смолистые
Потребление на Взбешенных комки
частицах
планктоном
Химическая и бактериальная
деградация на дне
Рис. 1.2. Общая диаграмма процессов распределения и разрушения
разлитой нефти в море (Нельсон-Смит, 1977).
\
Б о л ь ш и е м а с с ы нефти с с у ш и п о с т у п а ю т в м о р я по р е к а м ,
\с б ы т о в ы м и и л и в н е в ы м и с т о к а м и . О б ъ е м з а г р я з н е н и я н е ф т ь ю
из э т о г о и с т о ч н и к а п р е в ы ш а е т 2,0 млн. т в год. С о с т о к а м и промышленности и н е ф т е п е р е р а б а т ы в а ю щ и х заводов в море е ж е г о д н о
• п о п а д а е т д о 0,5 млн. т нефти.
j
С у д ь б а р а з л и т о й в м о р е нефти о п р е д е л я е т с я с у м м о й с л е д у ю щ и х п р о ц е с с о в : и с п а р е н и е , э м у л ь г и р о в а н и е , р а с т в о р е н и е , окисление, о б р а з о в а н и е н е ф т я н ы х а г р е г а т о в , с е д и м е н т а ц и я и б и о д е г р а д а ц и я (рис. 1.2).
П о п а д а я в м о р с к у ю с р е д у , н е ф т ь с н а ч а л а р а с т е к а е т с я в виде
поверхностной пленки, о б р а з у я слики различной мощности. П о
ц в е т у пленки
можно
приблизительно
оценить
ее
толщину
(табл. 1.4). Н е ф т я н а я пленка изменяет интенсивность и
спектральный состав проникающего в водную массу света. Пропускание с в е т а т о н к и м и п л е н к а м и с ы р о й нефти с о с т а в л я е т 1 — 1 0 %
(280 н м ) , 6 0 — 7 0 % (400 н м ) . П л е н к а нефти т о л щ и н о й 3 0 — 4 0 м к м
полностью
поглощает
инфракрасное
излучение.
Характерным
272:
с в о й с т в о м н е ф т е й я в л я е т с я и х ф л у о р е с ц е н ц и я при у л ь т р а ф и о л е т о вом облучении. М а к с и м а л ь н а я интенсивность флуоресценции набл ю д а е т с я в и н т е р в а л е в о л н 4 4 0 — 4 8 3 нм.
Р а з л и ч и е о п т и ч е с к и х х а р а к т е р и с т и к н е ф т я н ы х п л е н о к и морской воды позволяет проводить
дистанционное
обнаружение и
о ц е н к у н е ф т я н ы х з а г р я з н е н и й на п о в е р х н о с т и м о р я в у л ь т р а ф и о л е т о в о й , в и д и м о й и и н ф р а к р а с н о й ч а с т я х с п е к т р а . Д л я э т о г о применяются пассивные и активные методы.
Таблица 1.4
Характеристики нефтяных пленок на воде (Нельсон-Смит, 1977)
Внешний вид
Едва заметна
Серебристый отблеск
Следы окраски
Ярко-окрашенные разводы
Тускло-окрашенная
Темно-окрашенная
Т о л щ и н а , 1лкм
Количеств) нефти, л/км2
0,038
0,076
0,152
0,305
1,016
2,032
44
88
176
352
1170
2340
П а с с и в н ы е методы используют естественное излучение, отра, женное или испускаемое системой н е ф т ь — в о д а .
Эффективность
использования этих методов зависит от излучательных и отражательных характеристик поверхности,
температуры,
параметров
а т м о с ф е р ы , с п е к т р а л ь н о г о д и а п а з о н а н а б л ю д е н и й , у г л а визирования и поляризации.
Энергия солнечного ультрафиолетового излучения, п а д а ю щ е г о
н а п о в е р х н о с т ь м о р я , л е ж и т в о б л а с т и 2 8 0 — 4 0 0 нм, в
которой
о п т и ч е с к и е . с в о й с т в а в о д ы и н е ф т и с у щ е с т в е н н о р а з л и ч а ю т с я : коэ ф ф и ц и е н т о т р а ж е н и я чистой в о д ы с о с т а в л я е т 1 , 5 % , с ы р ы х нефтей 5 — 6 % , дизельного топлива 2 — 3 % . Д л я о б н а р у ж е н и я нефтяных пленок в этом диапазоне используются спектральные сканирующие системы, видеосистемы, аппаратура с соответствующей
Ьптикой и ф и л ь т р а м и .
При использовании различных видов аппаратуры, фильтров
и пленок наибольшая контрастность наблюдается в красной либо
в г о л у б о й в и д и м ы х ч а с т я х с п е к т р а . М а к с и м а л ь н ы й к о н т р а с т прих о д и т с я на и н т е р в а л 4 0 0 — 6 3 0 нм, а м и н и м а л ь н ы й — на о б л а с т ь
400—500 нм.
i
При наблюдениях со спутников наиболее информативным для
обнаружения загрязненных районов океана оказался
интервал
300—800 нм.
Однако к недостаткам наблюдений в видимом спектральном
щ а п а з о н е относятся сильное влияние метеоусловий и спектральщ х особенностей атмосферы, а т а к ж е сложность интерпретации
данных н а б л ю д е н и й .
16
Заказ № 33
273
Измерения в инфракрасной о б л а с т и спектра основаны на разг
личии т е м п е р а т у р чистой воды и покрытой нефтяной пленкой или
на различии коэффициентов излучения.
А к т и в н ы е методы дистанционного обнаружения, п р е д п о л а г а ю т
использование искусственного источника излучения. К ним относятся методы оптической локации, основанные на различии к о э ф фициентов о т р а ж е н и я от
загрязненной
и
чистой поверхности
(обычно д и а п а з о н 300—400 и 1000—1200 н м ) , и методы, основанные на измерении флуоресценции пленок нефти с п о м о щ ь ю л и д а ров в рабочих д л и н а х волн 337, 354 и 530 нм.
Д и с т а н ц и о н н ы е методы контроля загрязнения водной поверхности очень перспективны.
~
П о приблизительным оценкам, скорость перемещения нефтяных пятен с о с т а в л я е т 60 в % скорости течения и 2 — 4 % скорости
ветра, причем нефть д в и ж е т с я в направлении в е т р а .
Нефтяная
пленка полностью у н и ч т о ж а е т капиллярные волны, п о д а в л я е т мелкие гравитационные волны и в 2 — 3 р а з а у м е н ь ш а е т п а р а м е т р
ш е р о х о в а т о с т и водной поверхности.
В первое время с у щ е с т в о в а н и я нефтяных сликов б о л ь ш о е значение имеет процесс испарения у г л е в о д о р о д о в . П о д а н н ы м н а б л ю дений, за 12 ч у л е т у ч и в а е т с я д о 25 % легких фракций нефти, при
т е м п е р а т у р е воды 15 ° С все у г л е в о д о р о д ы до Cis и с п а р я ю т с я за
10 сут (Нестерова, Н е м и р о в с к а я , 1985).
Все углеводороды обладают слабой растворимостью в воде,
у м е н ь ш а ю щ е й с я с увеличением числа атомов у г л е р о д а в молекуле. В 1 л дистиллированной воды р а с т в о р я е т с я около 10 мг соединений с С 6 , 1 мг — с Cs и 0,01 мг соединений с С12. Н а п р и м е р ,
при средней т е м п е р а т у р е морской воды р а с т в о р и м о с т ь бензола
с о с т а в л я е т 820 мкг/л, т о л у о л а — 470, пентана — 360, г е к с а н а —
138 и гептана — 52 мкг/л. Р а с т в о р и м ы е компоненты, с о д е р ж а н и е
которых в сырой нефти не п р е в ы ш а е т 0,01 % , я в л я ю т с я наиболее
токсичными для водных организмов. К ним ж е относятся и вещес т в а типа б е н з ( а ) п и р е н а .
С м е ш и в а я с ь с водой, нефть о б р а з у е т эмульсии д в у х типов: п р я мые «нефть в воде» и о б р а т н ы е «вода в нефти». П р я м ы е эмульсии, составленные к а п е л ь к а м и нефти д и а м е т р о м д о 0,5 мкм, ме-;
нее устойчивы и особенно х а р а к т е р н ы для нефтей, с о д е р ж а щ и х
поверхностно-активные в е щ е с т в а . П о с л е
удаления
летучих и
р а с т в о р и м ы х фракции остаточная нефть ч а щ е о б р а з у е т вязкие
обратные эмульсии, которые с т а б и л и з и р у ю т с я высокомолекуляр-;
ными соединениями типа смол и а с ф а л ь т е н о в и с о д е р ж а т 50—i
80 % воды («шоколадный м у с с » ) . П о д влиянием
абиотических
процессов вязкость «мусса» п о в ы ш а е т с я и начинается его слипание в агрегаты — нефтяные
комочки
размерами
от 1 мм дс
10 см (чаще 1 — 2 0 м м ) . А г р е г а т ы п р е д с т а в л я ю т собой смесь выс о к о м о л е к у л я р н ы х у г л е в о д о р о д о в , смол и асфальтенов. П о т е р !
нефти на формирование а г р е г а т о в с о с т а в л я ю т 5 — 1 0 % . Высоко!
вязкие с т р у к т у р и р о в а н н ы е о б р а з о в а н и я — «шоколадный мусс» i
нефтяные комочки — могут длительное время с о х р а н я т ь с я на по!
274:
верхности моря, переноситься течениями, в ы б р а с ы в а т ь с я на берег
и о с е д а т ь на дно. Н е ф т я н ы е комочки нередко з а с е л я ю т с я перифитоном (сине-зеленые и д и а т о м о в ы е водоросли, у с о н о г и е рачки
и д р у г и е беспозвоночные).
1.3. Пестициды
П е с т и ц и д ы с о с т а в л я ю т о б ш и р н у ю группу искусственно созданн ы х в е щ е с т в , и с п о л ь з у е м ы х д л я б о р ь б ы с вредителями и болезнями растений. В зависимости от целевого назначения пестициды
д е л я т с я на с л е д у ю щ и е , группы: инсектициды — д л я б о р ь б ы с вредными насекомыми,
фунгициды и
бактерициды — д л я
борьбы
с грибными и б а к т е р и а л ь н ы м и болезнями растений, гербициды —
против сорных растений и т. д. С о г л а с н о р а с ч е т а м экономистов,
к а ж д ы й р у б л ь , затраченный на х и м и ч е с к у ю з а щ и т у растений от
вредителей и болезней, обеспечивает сохранение у р о ж а я и его
качество при возделывании зерновых и овощных к у л ь т у р в среднем на 10 руб., технических и плодовых — д о 30 руб. В м е с т е
с тем экологическими и с с л е д о в а н и я м и у с т а н о в л е н о , что пестициды,
у н и ч т о ж а я вредителей у р о ж а е в , наносят огром-ный~вр£д_^.многим
полезным о р г а н и з м а м и п о д р ы в а ю т здоровье природных биоценозов. В с е л ь с к о м х о з я й с т в е у ж е Давно стоит ' п р о б л е м а п е р е х о д а о т
химических ( з а г р я з н я ю щ и х с р е д у ) к
биологическим
(экологически чистым) м е т о д а м б о р ь б ы с вредителями.
В н а с т о я щ е е в р е м я более
поступ а е т на мировой рынок. О к о л о U S j w j r a ^ ^ ^
в с о с т а в наземных и морских " экосистем
эоловым
или водным
п у т е м . П р о м ы ш л е н н о е производство пестицидов
сопровождается
появлением большого количества побочных продуктов, загрязняю щ и х сточные воды.
В водной с р е д е ч а щ е д р у г и х в с т р е ч а ю т с я представители инсектицидов, фунгицидов и гербицидов.
Синтезированные
инсектициды
делятся
на
три
основные
группы: хлорорганические, фосфорорганические и к а р б а м а т ы .
- " Х л о р о р г а н и ч е с к и е инсектициды п о л у ч а ю т путем х л о р и р о в а н и я
ароматических или гетероциклических
жидких
углеводородов.
К ним о т н о с я т с я Д Д Т (дихлордифенилтрихлорэтан) и его производные, в м о л е к у л а х которых у с т о й ч и в о с т ь алифатических и ароматических групп в совместном присутствии в о з р а с т а е т , всевозможные х л о р и р о в а н н ы е производные циклодиена (элдрин,
дилдрин, г е п т а х л о р и д р . ) , а т а к ж е многочисленные изомеры гексахлорциклогексана ( у - Г Х Ц Г ) , из которых наиболее опасен линдан.
Эти в е щ е с т в а имеют период п о л у р а с п а д а д о нескольких д е с я т к о в
пет и очень устойчивы к биодеградации.
В водной
среде
часто
встречаются
полихлорбифенилы
( П Х Б ) — производные Д Д Т без алифатической части, насчитывающие 210 теоретических гомологов и изомеров.
З а последние 40 лет использовано
более
1,2 млн. т П Х Б
s производстве п л а с т м а с с , красителей, т р а н с ф о р м а т о р о в , конден16*
275
с а т о р о в и т. д . П о л и х л о р б и ф е н и л ы
попадают
в
окружающую
среду в результате сбросов промышленных сточных вод и сжигания т в е р д ы х о т х о д о в н а с в а л к а х . П о с л е д н и й и с т о ч н и к п о с т а в л я е т
Н Н
I
и н
' и н
С—CL
C l - .
/=4"
Н 3 С - О '
'
O
-
^
y
-
Метилпаратион
N
O
j
(и)
, СЬ
п,п' - ДДТ(И)
н
н У' н _ н
Н.Н I Jf-H
Cl-C-Cl
и
п,п'-дщхю
н
Кар 6ар ил СИ )
На-О-С-СНз
II
О
н
СI
C l / V b - ^ y
н—й II н н
Ct-C-CL
пУ-ДДЕ(И)
I
А цета т/рен ил ртуть
СЪ
,
сг
(Ф)
0-СН 2 -С00Н
2,4
-Д(Г)
01,
н
\
/
Н5С2
tiJ^ti
I
II
Симазин
у »
(Г)
N
С2Н5
n h 2
Р
"
x
S - C H - C - 0 - C
2
H
5
Пиослор&н
(rj
C H j - C — 0 — С 9 Н 5
s,
Малатион
(И)
Рис. 1.3. Химические
формулы некоторых типичных пестицидов.
И — инсектицид,- Ф — фунгицид, Г — гербицид.
1
:
\
!
П Х Б в а т м о с ф е р у , о т к у д а они с а т м о с ф е р н ы м и о с а д к а м и в ы п а
д а ю т в о в с е х р а й о н а х з е м н о г о ш а р а . Т а к , в п р о б а х с н е г а , взяты:
в Антарктиде, содержание П Х Б составило 0,03—1,2 нг/л.
276:
1
Ф о с ф о р о р г а н й ч е с к и е пестициды — это с л о ж н ы е эфиры различных спиртов ортофосфорной кислоты или одной из ее производных, тиофосфорной. В э т у группу входят- современные инсектициды с х а р а к т е р н о й и з б и р а т е л ь н о с т ь ю д е й с т в и я по о т н о ш е н и ю
к насекомым. Б о л ь ш и н с т в о о р г а н о ф о с ф а т о в п о д в е р ж е н ы д о в о л ь н о
б ы с т р о м у (в течение м е с я ц а ) биохимическому р а с п а д у в почве
и воде. Синтезировано более 50 т ы с я ч активных в е щ е с т в , из кот о р ы х о с о б у ю известность получили паратион, малатион, ф о з а л о н ,
дурсбан.
К а р б а м а т ы — это, к а к правило, с л о ж н ы е эфиры « - м е т а к а р б а миновой кислоты. Б о л ь ш и н с т в о из них т а к ж е о б л а д а е т и з б и р а т е л ь н о с т ь ю действия.
В к а ч е с т в е фунгицидов, применяемых д л я б о р ь б ы с грибными
з а б о л е в а н и я м и растений, ранее использовались соли меди и некоторые минеральные соединения серы. З а т е м широкое у п о т р е б ление нашли ртутьорганические в е щ е с т в а типа
хлорированной
метилртути, к о т о р а я из-за своей крайней токсичности для ж и вотных была заменена метоксиэтиламй ртути и а ц е т а т а м и фенилртути.
В группу гербицидов в х о д я т
производные
феноксиуксусной
кислоты, о б л а д а ю щ и е сильным физиологическим действием. Т р и а зины (например, симазин) и з а м е щ е н н ы е мочевины ( м о н у р о н , д и у рон, п и х л о р а м ) с о с т а в л я ю т еще одну группу гербицидов, д о в о л ь н о
х о р о ш о р а с т в о р и м ы х в воде и устойчивых в почвах. Н а и б о л е е
сильным из всех гербицидов я в л я е т с я пихлорам. Д л я полного
уничтожения некоторых видов растений т р е б у е т с я
всего
лишь
0,06 кг этого в е щ е с т в а на 1 га. Химические ф о р м у л ы некоторых
типичных пестицидов п о к а з а н ы на рис. 1.3.
В морской среде постоянно о б н а р у ж и в а ю т с я Д Д Т и его м е т а болиты, П Х Б , Г Х Ц Г , делдрин, т е т р а х л о р ф е н о л и другие.
1 .А. Синтетические поверхностно-активные вещества
/ " " ^ Д е т е р г е н т ы ( С П А В ) о т н о с я т с я к обширной г р у п п е веществ,.
: п о н и ж а ю щ и х поверхностное н а т я ж е н и е воды. Они в х о д я т в сочетав синтетических моющих средств ( C M C ) , широко применяемых.
|В б ы т у и промышленности. В м е с т е со сточными водами С П А В по. п а д а ю т в м а т е р и к о в ы е поверхностные
воды и
морскую среду.
Синтетические моющие с р е д с т в а с о д е р ж а т полифосфаты н а т р и я ,
в которых р а с т в о р е н ы детергенты, а т а к ж е ряд д о б а в о ч н ы х ингред и е н т о в , токсичных д л я водных организмов: а р о м а т и з и р у ю щ и е
в е щ е с т в а , о т б е л и в а ю щ и е реагенты
(персульфаты,
пербораты),
•кальцинированная сода, к а р б о к с и м е т и л ц е л л ю л о з а , силикаты н а т р и я и другие.
:
М о л е к у л ы всех С П А В состоят из гидрофильной и г и д р о ф о б н о й
частей. Гидрофильной ч а с т ь ю с л у ж а т
карбоксильная
(СОО-),
с у л ь ф а т н а я ( O S O ~ ) и с у л ь ф о н а т н а я (SO~) группы, а т а к ж е скопления о с т а т к о в
с группами; — С Н 2 — С Н 2 — О — С Н 2 — С Н 2 — или
группы, с о д е р ж а щ и е азот и фосфор. Г и д р о ф о б н а я ч а с т ь состоит
277:
о б ы ч н о из прямой, в к л ю ч а ю щ е й 1 0 — 1 8 атомов у г л е р о д а , или р а з в е т в л е н н о й парафиновой цепи, из бензольного или н а ф т а л и н о в о г о
к о л ь ц а с алкильными р а д и к а л а м и .
В зависимости от природы и с т р у к т у р ы гидрофильной части
м о л е к у л ы С П А В д е л я т с я на анионоактивные (органический ион
з а р я ж е н о т р и ц а т е л ь н о ) , катионоактивные (органический ион зар я ж е н п о л о ж и т е л ь н о ) , амфотерные (проявляющие в кислом раств о р е катионактивные свойства, а в щелочном — анионоактивные)
и неионогенные. П о с л е д н и е не о б р а з у ю т ионов в воде. И х р а с т воримость о б у с л о в л е н а функциональными группами, имеющими
-сильное с р о д с т в о к воде, и о б р а з о в а н и е м водородной связи м е ж д у
м о л е к у л а м и воды и атомами к и с л о р о д а , в х о д я щ и м и в полиэти/.ленгликолевый р а д и к а л П А В .
j
Н а и б о л е е распространенными среди С П А В я в л я ю т с я анионоа к т и в н ы е в е щ е с т в а . Н а их д о л ю
приходится
более 50 % всех
' п р о и з в о д и м ы х в мире С П А В (в С С С Р д о 86 % ) . Н а и б о л ь ш е е расп р о с т р а н е н и е получили а л к и л а р и л с у л ь ф о н а т ы (сульфонолы) и алкилсульфаты. Молекулы сульфонолов содержат
ароматическое
кольцо, водородные атомы которого з а м е щ е н ы одной или нескольк и м и алкильными группами,
а
в
качестве
сольватирующей
г р у п п ы — о с т а т о к серной кислоты. Многочисленные алкилбензолс у л ь ф о н а т ы и а л к и л н а ф т а л и н с у л ь ф о н а т ы (рис. 1.4) ч а с т о использ у ю т с я при изготовлении различных б ы т о в ы х и промышленных
(СМС.
А л к и л с у л ь ф а т ы (рис. 1.4) изготовляются на основе
жирных
•спиртов. В первичных
алкилсульфатах
сульфоэфирная
группа
О З Г р а с п о л о ж е н а на конце м о л е к у л ы . В о вторичных а л к и л с у л ь ф а т а х она присоединена к одному из атомов у г л е р о д а внутри
/молекулы.
Неионогенные С П А В п р е д с т а в л я ю т собой в ы с о к о м о л е к у л я р н ы е
п р о д у к т ы конденсации оксида этилена или пропилена с соединениями, имеющими подвижный атом в о д о р о д а , например с ж и р н ы м и спиртами, к а р б о н о в ы м и кислотами, алкилфенолами, фенол а м и и т. д. Т а к , синтанолы
(см. рис. 1 . 4 ) — п о л и э т и л е н о в ы е '
эфиры на основе вторичных спиртов — р а з л и ч а ю т с я м е ж д у собой
с о д е р ж а н и е м оксида этилена. В С С С Р по о б ъ е м у производства
-неионогенные С П А В с о с т а в л я ю т 1 1 — 1 6 % от о б щ е й с у м м ы и
ч а щ е всего
используются
для
промышленных
целей
(ОП-7,
О П - Ю , синтанолы, синтамиды, проксанолы и д р . ) .
К катионоактивным С П А В относятся четвертичные соли. Прим е р о м могут с л у ж и т ь аммониевые соли (см. рис. 1.4), с о д е р ж а щ и е алкильный р а д и к а л с прямой цепью из 1 2 — 1 8 атомов углер о д а , з а т е м метальные, этильные или бензильные группы (а, Ь, с)
;и атом галогена либо о с т а т о к метил- или э т и л с у л ь ф а т а (х).
Не
д о л ю катионоактивных в е щ е с т в приходится 1 — 2 , 5 % от общего
выпуска С П А В .
А м ф о т е р н ы е С П А В в ы п у с к а ю т с я пока т о л ь к о пробными пар,1
тиями и широкого применения в народном х о з я й с т в е е щ е не по|
лучили.
j
278:
f
Присутствие СПАВ в сточных водах промышленности связано»
I с использованием их в таких процессах, как флотационное обогащение руд, разделение продуктов химической технологии, получение полимеров, улучшение условий : бурения нефтяных и газовых
скважин, борьба с коррозией оборудования.
сн
fYS
N/44S0
3Na
VV^SOjNa
3)
5)
Рис. 1.4. Химические формулы некоторых синтетических поверхностно-активных
веществ и бенз(а)пирена.
1 — алкилбензолсульфаты
(л = 5 J . 18), 2 — а л к и л н а ф т а л и н с у л ь ф о н а т ы
(некали), 3 — а л к и л с у л ь ф а т ы ( « = 10 — 20), 4 — с и н т а н о л ы (п ^
16, т
10), 5 — ч е т в е р т и ч н а я а м м о н и е в а я
соль,
6 — 3,4-бензпирен.
• В сельском хозяйстве применяются СПАВ в составе пестицидов. С помощью СПАВ эмульгируют нерастворимые в воде, на
растворимые в органических растворителях жидкие и порошкеЬбразные токсичные вещества, причем многие СПАВ сами обладают инсектицидными и гербицидными свойствами.
1.5. Соединения с канцерогенными свойствами
Канцерогенные вещества — это химически однородные соединения, проявляющие трансформирующую активность и способные вызывать канцерогенные, тератогенные (нарушение процессов эмбрионального развития) или мутагенные изменения в организмах. В зависимости от условий воздействия они могут приводить к ингибированию роста, ускорению старения, токсикогенезу,,
нарушению индивидуального развития и изменению генофонда организмов.
27S&
К в е щ е с т в а м , о б л а д а ю щ и м канцерогенными свойствами, относ я т с я хлорированные алифатические у г л е в о д о р о д ы с
короткой
цепочкой атомов у г л е р о д а в м о л е к у л е , винилхлорид, пестицидные
п р е п а р а т ы и, особенно, люлициклическиа—а.р.о.ма.т-ияес-ки.е.^Углеводороды... ГПАУ^, Последние п р е д с т а в л я ю т собой в ы с о к о м о л е к у л я р н ы е органические соединения, в м о л е к у л а х которых бензольное
кольцо я в л я е т с я основным элементом с т р у к т у р ы . Многочисленные
н е з а м е щ е н н ы е ПА,Х_содержат в м р л е к у л е от 3....до 7 бензольных,
колец, разнообразно
соединенных
между
собой. " С у щ е с т в у е т
т а к ж е б о л ь ш о е число полициклических с т р у к т у р ,
содержащих
ф у н к ц и о н а л ь н у ю группу либо в бензольном кольце, либо в боковой
цепи.
Эта
галоген-,
амино-, сульфо-, нитропроизводные,
а т а к ж е спирты, альдегиды, эфиры, кетоны, кислоты, хиноны и
д р у г и е соединения ароматического ряда.
I
Р а с т в о р и м о с т ь П А У в воде невелика и у м е н ь ш а е т с я с увелич е н и е м молекулярной массы: от 16 100 мкг/л (аценафтилен) д о
10,11 мкг/л (3,4-бензпирен). П р и с у т с т в и е в в о д е солей практически
не влияет на р а с т в о р и м о с т ь П А У . О д н а к о в присутствии бензола,
нефти, нефтепродуктов, детергентов и д р у г и х органических вещ е с т в р а с т в о р и м о с т ь П А У резко в о з р а с т а е т . И з группы незамещ е н н ы х П А У в природных у с л о в и я х наиболее известен и распрос т р а н е н 3,4-бензпирен ( Б П ) (см. рис. 1.4).
Источниками ~ И А у в о к р у ж а ю щ е й среде могут с л у ж и т ь приj родные и антропогенные процессы. Концентрация Б П в вулкани\ ческом пепле с о с т а в л я е т 0,3—0,9 мкг/кг. Э т о означает, что с пеп| лом в о к р у ж а ю щ у ю с р е д у м о ж е т п о с т у п а т ь 1 , 2 — 2 4 т Б П в год.
^Поэтому м а к с и м а л ь н о е количество П А У в современных донных
'^осадках М и р о в о г о океана (более 100 мкг/кг м а с с ы с у х о г о вещес т в а ) о б н а р у ж е н о в тектонически активных зонах, подверженных
К р о н н о м у термическому воздействию.
Г ^ П о имеющимся сведениям, некоторые морские растения и жив о т н ы е могут синтезировать П А У . В водорослях и морских т р а в а х вблизи западного п о б е р е ж ь я Ц е н т р а л ь н о й А м е р и к и с о д е р ж а ние Б П достигает 0,44 мкг/г, а в некоторых р а к о о б р а з н ы х в Арк-!
т и к е — 0,23
мкг/г.
Анаэробные
бактерии
вырабатывают
до|
8,0 мкг Б П из 1 г липидных э к с т р а к т о в планктона. С другой сто- :
роны, с у щ е с т в у ю т специальные виды морских и почвенных бакте-|
рий, р а з л а г а ю щ и х у г л е в о д о р о д ы , в к л ю ч а я П А У .
j
По оценкам
Л . М. Ш а б а д а
(1973)
и А . П. Ильницкого
{ 1 9 7 5 ) , фоновая концентрация Б П ,
создаваемая в
результате
с и н т е з а Б П растительными организмами и вулканической
деятельности, с о с т а в л я е т : в почвах 5 — 1 0 мкг/кг (сухого в е щ е с т в а ) ,
в
растениях
1 — 5 мкг/кг,
в
воде
пресноводных
водоемов,
€,0001 мкг/л. Соответственно в ы в о д я т с я и градации степени за-(
грязненности о б ъ е к т о в о к р у ж а ю щ е й среды (табл. 1 . 5 ) .
,
—
Основные антропогенные
источники
ПАУ
в
окружающей
с р е д е — это пиролиз органических в е щ е с т в при сжигании различ-j
н ы х м а т е р и а л о в , древесины и топлива. Пиролитическое образо-j
в а н и е П А У происходит при т е м п е р а т у р е
650—900 °С и
недо-{
280:
с т а т к е кислорода в пламени. О б р а з о в а н и е
БП
наблюдалось
в процессе пиролиза древесины с
максимальным
выходом при
300—350 °С (Дикун, 1970).
П о оценке М . З ю с с а (1976 г.), глобальная эмиссия Б П в 70-х
г о д а х с о с т а в л я л а о к о л о 5000 т в год, причем 72 % п р и х о д и т с я н а
п р о м ы ш л е н н о с т ь и 27 % — н а в с е в и д ы о т к р ы т о г о с ж и г а н и я .
Таблица 1.5
Оценка степени загрязненности некоторых объектов окружающей
безн(а)пирейом (Ильницкий, 1975)
среды
Степень загрязненности, м к г / к г
Объект
Почвы
Растительность
Вода (мкг/л)
Донные осадки (песок)
Высшие водные растения
умеренная
значительная
сильная
20—30
<10
<0,005
20—30
15—20
31 — 100
11—20
<0,01
<100
<50
>100
>20
>0,01
>100
>50
1.6. Тяжелые металлы
Т я ж е л ы е м е т а л л ы ( р т у т ь , свинец, к а д м и й , цинк, м е д ь , м ы ш ь я к
и другие) относятся к числу распространенных и весьма токсичных
загрязняющих веществ. Они широко применяются в различных
п р о м ы ш л е н н ы х п р о и з в о д с т в а х , п о э т о м у н е с м о т р я на о ч и с т н ы е м е роприятия, с о д е р ж а н и е соединений т я ж е л ы х м е т а л л о в в п р о м ы ш ленных сточных водах довольно высокое. Большие массы этих
„.соединений п о с т у п а ю т в о к е а н через а т м о с ф е р у . Г е о х и м и ч е с к и е
и промышленные
потоки
некоторых
металлов
сопоставлены
в табл. 1 Д л я морских биоценозов наиболее опасны ртуть, свинец и к а д м и й Л
Р т у т ь п е р е н о с и т с я в о к е а н с м а т е р и к о в ы м с т о к о м и через атм о с ф е р у . При.^выв-е.тр.ива.нщь^С-адочных и „ и з в е р ж е н ш - ь ^ ^ п о р о д .
е ж е г о д н о в ы д е л я е т с я 3,5 т ы с . т р т у т и . В^.соетаве^аФМ-осфе.р.н'ои'
пыли ^ с о д е р ж и т с я о к о л о 12 т ы с . т р т у т и , причем значительная;
ч а с т ь Г ' а н т р о п о г е н н о г о п р о и с х о ж д е н и я . Т ^ т г е у л и а д р . . . . . изве.рж&ция.
в у л к а н о в и с а т м о с ф е р н ы м и лсадкащМ&а».,.. п о в е р х н о с т ь
океана
е ж е г о д н о п о с т у п а е т 50 т ы с . т р т у т и ,
: 2 5 — 1 5 0 тыс. т. О к о л о половины годового промышленного произ: в о д с т в а э т о г о м е т а л л а ( 9 — 1 0 т ы с . т / г о д ) р а з л и ч н ы м и п у т я м и по: п а д а е т в о к е а н . С о д е р ж а н и е р т у т и в к а м е н н о м у г л е „и нефти с о ставляет в c j ^ ^ ^ ^ Z l ^ M b S T ^ o ^ T ^ f ^ p j r ^ T S f ^ m . ископаемого
' т о п л и в а Ж и р о в о й о к е а н п о л у ч а е т б о л е е 2 т ы с . т/год. Г о д о в а я доб ы ч а р т у т и п р е в ы ш а е т 0,1 % от е е о б щ е г о с о д е р ж а н и я в М и р о в о м
океане, однако антропогенный приток у ж е превосходит естественный в ы н о с
реками,
что
характерно
для
многих
металлов
(табл. 1.7).
281:
о
о
о
00
СМ
о•
<м
t-
о
о
о
ю
сч
го
о
о
ю
ю
со
о
см
оо"
ю
о"
(N
.о"
о
о
Cs>
(N
го
о
о
го
о"
о
(N
ю
го
<м
ю
о
о
ю
о"
N.
о
о
о
о
о"
CN
• -<f
см
О)
о
(N
о
о
о"
ю*
ю
от*
О'
CN
о
го
1Д
от
00
о"
о
о
О)
о
о
о
н
<=(
ы
о
о"
CD
о
к о>
3 «
Я
CU
Я
* 5[И
О.
<D й
с£ О
о
Я
О о
о.
н к
з— и
о
я
я
а)
а
с
о
as
о
га
р,
о«
W
я
и
О)
В"
Я
о
га
о
о.
к
К
Я
и
«
и
яC-.
к
*
о
Е
о-
в
о
282:
о
я
К
Я
ч
»
си
4
3
2
5
о
о.
я
2
V
я
я
га
о
о
о
о
(-с
a
VO
о
<=с
о
я
а.
ч
«
я
га
о
ч
С о д е р ж а н и е р т у т и в в о д е о к е а н о в не в ы х о д и т з а п р е д е л ы 5 —
1 5 н г / л . В м о р с к о й в о д е она п р е д с т а в л е н а с л е д у ю щ и м и о с н о в н ы м »
формами (Броссе, 1985): H g C l f "
(65,8%), H g C l 3 B ^
(12,3%),
HgCli"
(12%),
HgCl2Br
(4,3%),
HgCl2
(3,0%),
HgClBr
(1,1 % ) , H g O H C l ( 0 , 2 % ) . П о с л е д н и е т р и ф о р м ы л е т у ч и .
Таблица 1.7"
Потоки металлов (10 3 т/год), обусловленные природными процессами
и антропогенной деятельностью (Валдичук, 1977)
Элемент
Железо
Марганец
Медь,
Цинк
Никель
Свинец
Молибден
Серебро
Ртуть
'
ОАово
Сурьма
Естественный речной вынос
Вынос от антропогенных
источников
25000
440
375
370
300
180
13;
5
3
1,5
1,3
319 000
1 600
4 460
3 930
358
2330
57.
7
7
166
40
[~~~Ъ р а й о н а х , з а г р я з н я е м ы х п р о м ы ш л е н н ы м и с т о ч н ы м и водами,,
концентрация ртути в растворе и взвесях
сильно
повышается.
[При э т о м н е к о т о р ы е б е н т о с н ы е б а к т е р и и . п е р е в о д я т
.хлориды
в в ы с о к о т о к с и ч н у ю (моно- и д и - ) м е т и л р т у т ь C H 3 H g . З а р а ж е н и е морепродуктов неоднократно приводило к ртутному отравлению
п р и б р е ж н о г о н а с е л е н и я . К 1 9 7 7 г.
в> Я п о н и и
насчитывалось.
2800 ж е р т в б о л е з н и М и н а м а т а . П р и ч и н о й п о с л у ж и л и о т х о д ы п р е д п р и я т и й по п р о и з в о д с т в у х л о р в и н и л а и а ц е т а л ь д е г и д а , на к о т о р ы х
в качестве катализатора использовалась хлористая ртуть. Н е д о статочно очищенные сточные воды предприятий: поступали в з а лив М и н а м а т а .
" С в и н е ц — тп.ршдьш„_йасееянньтйэлементг
содержащийся
во
в с е х к о м п о н е н т а х о к р у ж а ю щ е й с р е д ы : в г о р н ы х п о р о д а х , почвах,,
природных водах, атмосфере, ж и в ы х организмах. Наконец, свинец
активно рассеивается в о к р у ж а ю щ у ю среду в процессе хозяйственной д е я т е л ь н о с т и ч е л о в е к а . Э т о в ы б р о с ы с п р о м ы ш л е н н ы м и и
бытовыми стоками, с дымом и пылью промышленных предприятий, с в ы х л о п н ы м и г а з а м и д в и г а т е л е й в н у т р е н н е г о с г о р а н и я .
- - П о оценкам В. В. Добровольского (1987), перераспределение
масс с в и н ц а м е ж д у с у ш е й и М и р о в ы м о к е а н о м и м е е т с л е д у ю щ и й '
зид. С речным с т о к о м при с р е д н е й к о н ц е н т р а ц и и с в и н ц а в в о д е
I мкг/л в океан
водорастворимого
свинца
выносится
около
Ю-103 т/год,
в
твердой
фазе
речных
взвесей
примерно
J800-10 3 т / г о д , в т о н к о м о р г а н и ч е с к о м
д е т р и т е — 1 0 - Ю 3 т/год..
5сли у ч е с т ь , что в у з к о й п р и б р е ж н о й п о л о с е ш е л ь ф а о с е д а е т боi e e 90 % р е ч н ы х в з в е с е й и з н а ч и т е л ь н а я ч а с т ь в о д о р а с т в о р и м ы х
2963:
соединений м е т а л л о в з а х в а т ы в а е т с я гелями оксидов ж е л е з а , то
в р е з у л ь т а т е п е л а т и а л ь океана
получает
лишь
около (200—
300) -10 3 т в с о с т а в е тонких взвесей и ( 2 5 - - 3 0 ) • 10 3 т растворен1|ых соединений.
^
^Миграционный поток свинца с континентов в о к е а н идет не
^только,,.с_речным- х т о к о м , _ я о - - и ^ е р е з - а г м о х ф е р у ^ ' т ш е т щ ^ л ь г
ной^дылью океан получает (20—30) • 10 3 т свинца в год. П о с т у п л е ние его на поверхность океана с жидкими атмосферными-^аса д к а м и оценивается в
(400—2500)- Ю 3 т/год
при
концентрации
в д о ж д е в о й в о д е 1 — 6 мкг/л. Источниками свинца, п о с т у п а ю щ е г о
в атмосферу являются
(15—30 т/год
в составе пелитовых п р о д у к т о в извержений и 4 - 1 0 3 т / г о д в субмикронных ч а с т и ц а х ) , летучие органические соединения о т растит е л ь н о с т и (250—300 т / г о д ) , п р о д у к т ы
сгорания
при
пожарах
( ( 6 — 7 ) • 10 3 т / г о д ) и современная
промышленность.
Производс т в о свинца возросло от 2 0 - 1 0 3 т / г о д в н а ч а л е X I X в. д о 3500 X
X Ю 3 т/год к н а ч а л у 80-х г о д о в X X в. Современный
выброс
с в и н ц а в о к р у ж а ю щ у ю с р е д у с индустриальными и
бытовыми
о т х о д а м и оценивается в (100—400) • 10 3 т/год.
К а д м и й , мировое производство которого в 70-х г о д а х д о с т и г л о
1 5 - Ю 3 т/год, т а к ж е п о с т у п а е т в океан с речным стоком и через
а т м о с ф е р у . О б ъ е м атмосферного
выноса
кадмия, по
разным
о ц е н к а м , с о с т а в л я е т ( 1 , 7 — 8 , 6 ) • 10 3 т / г о д .
1.7. Сброс отходов в море
с целью захоронения (дампинг)
[
М н о г и е страны, имеющие в ы х о д к морю, производят м о р с к о е
| з а х о р о н е н и е различных м а т е р и а л о в и веществ, в частности грунта,
I в ы н у т о г о при д н о у г л у б и т е л ь н ы х р а б о т а х , б у р о в о г о ш л а м а , отход о в промышленности, строительного м у с о р а ,
твердых
отходов,;
^взрывчатых и химических веществ,
радиоактивных
отходов и
т . п. О б ъ е м захоронений с о с т а в л я е т около 10 % от всей
массы |
з а г р я з н я ю щ и х веществ, п о с т у п а ю щ и х в
Мировой
океан. Т а к , ,
с 1976 по 1980 г. е ж е г о д н о с ц е л ь ю захоронения, чем и определ я е т с я понятие «дампинг», с б р а с ы в а л о с ь более 150 млн. т разно-|
гобразных отходов.
i
I
Основанием д л я дампинга в море с л у ж и т способность мор-i
| с к о й среды к п е р е р а б о т к е б о л ь ш о г о количества органических и;
I неорганических в е щ е с т в без особого у щ е р б а к а ч е с т в у воды. Од-i
l-нако эта способность не беспредельна. П о э т о м у дампинг р а с с м а т р и в а е т с я к а к в ы н у ж д е н н а я мера, временная д а н ь о б щ е с т в а несов е р ш е н с т в у технологии. О т с ю д а о с о б у ю в а ж н о с т ь приобретают!
в ы р а б о т к а и научное обоснование путей регулирования сбросов)
о т х о д о в в море.
В ш л а м а х промышленных производств п р и с у т с т в у ю т разнообр а з н ы е органические в е щ е с т в а и соединения т я ж е л ы х металлов.
Б ы т о в о й мусор в среднем с о д е р ж и т (на м а с с у с у х о г о в е щ е с т в а )
3 2 — 4 0 % органических веществ, 0,56 %
азота, 0,44 %
фосфора,;
284:
0 , 1 5 5 % цинка, 0,085 % свинца,
0,001 % кадмия,
0,001 ртути.
Ш л а м ы очистных с о о р у ж е н и й к о м м у н а л ь н ы х стоков с о д е р ж а т (на
м а с с у с у х о г о в е щ е с т в а ) д о 12 % гуминовых веществ, д о 3 % общ е г о азота, д о 3,8 % фосфатов, 9 — 1 3 % жиров, 7 — 1 0 % углевод о в и загрязнены т я ж е л ы м и
металлами.
Аналогичный
состав
имеют и м а т е р и а л ы дночерпания.
В о время с б р о с а при прохождении
материала
через столб
в о д ы ч а с т ь з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в переходит в р а с т в о р , изменяя
к а ч е с т в о воды, д р у г а я с о р б и р у е т с я частицами взвеси и переходит
в донные отложения. Одновременно п о в ы ш а е т с я мутность воды.
Н а л и ч и е органических в е щ е с т в часто приводит к б ы с т р о м у расх о д о в а н и ю кислорода в воде и нередко к его полному исчезновению, р а с т в о р е н и ю взвесей, накоплению м е т а л л о в в растворенной
форме, появлению сероводорода. П р и с у т с т в и е большого количества органических в е щ е с т в создает в г р у н т а х у с т о й ч и в у ю восстан о в и т е л ь н у ю с р е д у , в которой возникает особый тип иловых вод,
^содержащих сероводород, а м м и а к , ионы м е т а л л о в в восстановленн о й форме. При этом
происходит
восстановление
сульфатов
1и нитратов, в ы д е л я ю т с я фосфаты.
В о з д е й с т в и ю с б р а с ы в а е м ы х м а т е р и а л о в в разной степени подв е р г а ю т с я организмы нейстона, пелагиали и бентоса.
В случае
о б р а з о в а н и я поверхностных пленок, с о д е р ж а щ и х нефтяные углев о д о р о д ы и С П А В , н а р у ш а е т с я газообмен на границе в о з д у х в о д а . Э т о приводит к гибели личинок беспозвоночных, личинок
и м а л ь к о в р ы б , в ы з ы в а е т увеличение численности нефтеокисляю щ и х и патогенных микроорганизмов. Наличие в в о д е загрязняю щ е й взвеси у х у д ш а е т у с л о в и я питания, д ы х а н и я и обмена вещ е с т в у гидробионтов, с о к р а щ а е т с к о р о с т ь р о с т а , тормозит под о в о е созревание планктонных р а к о о б р а з н ы х . З а г р я з н я ю щ и е вещ е с т в а , п о с т у п а ю щ и е в р а с т в о р , могут а к к у м у л и р о в а т ь с я в тканях^
и о р г а н а х гидробионтов и о к а з ы в а т ь токсическое воздействие на
них. С б р о с м а т е р и а л о в д а м п и н г а на дно и д л и т е л ь н а я повышенн а я мутность придонной в о д ы приводят к з а с ы п к е и гибели от
у д у ш ь я прикрепленных и м а л о п о д в и ж н ы х форм бентоса. У выж и в ш и х рыб, моллюсков и р а к о о б р а з н ы х с о к р а щ а е т с я скорость
р о с т а за счет у х у д ш е н и я у с л о в и й питания и д ы х а н и я . Н е р е д к о изм е н я е т с я видовой с о с т а в донного с о о б щ е с т в а .
При организации системы
контроля
за
сбросами
отходов
в море р е ш а ю щ е е ^ а ч ё н и е ^ а м е и ! ~ ^ ш р ё д е л е н и е р а Й р й о а . . . д а ш ш н г а
с у ч е т о м свойств м а т е р и а л о в и х а р а к т е р и с т и к
морской среды
(Шлыгин, 1985). Н е о б х о д и м ы е критерии решения проблемы сод е р ж и т «Конвенция по п р е д о т в р а щ е н и ю загрязнения моря сбросами о т х о д о в и д р у г и х м а т е р и а л о в »
(Лондонская
конвенция
по дампингу, 1972 г . ) . О с н о в н ы е
требования
Конвенции
следующие.
- 1. О ц е н к а количества, состояния и свойств (физических, химических, биохимических, биологических) с б р а с ы в а е м ы х
материалов, их токсичности, устойчивости, склонности к н а к о п л е н и ю
и б и о т р а н с ф о р м а ц и и в воднхэй с р е д е и морских о р г а н и з м а х .
285:
2. Использование возможностей нейтрализации, о б е з в р е ж и в а ния и реутилизации отходов.
3. В ы б о р районов с б р о с а с у ч е т о м т р е б о в а н и й м а к с и м а л ь н о г о
р а з б а в л е н и я веществ, минимального распространения их за пред е л ы с б р о с а , благоприятного сочетания гидрологических и гидрофизических условий.
4. Обеспечение у д а л е н н о с т и районов с б р о с а от районов наг у л а рыб и нереста, от мест обитания редких и ч у в с т в и т е л ь н ы х
видов гидробионтов, от зон о т д ы х а и хозяйственного использования.
Д л я количественной оценки состояния химического загрязнения среды в р а й о н а х д а м п и н г а , определения динамики уровней
загрязнения морской воды и донных отложений и выявления возм о ж н ы х о б ъ е м о в с б р о с а в море необходимо проводить расчеты
б а л а н с а всех з а г р я з н я ю щ и х
веществ
в
составе
материалов
с б р о с а (Шлыгин, 1983).
1.8. Техногенные радионуклиды
О к е а н у свойственна естественная радиоактивность,
обусловленная присутствием в нем 4 0 К, 8 7 Rb, 3 Н , 1 4 С,
а т а к ж е радионуклидов рядов у р а н а и тория. Б о л е е 90 % естественной р а д и о а к тивности воды о к е а н а приходится на д о л ю 4 0 К, что с о с т а в л я е т
18,5-10 2 1 Бк. Единица активности в
системе
С И — беккерель
( Б к ) , равен активности изотопа, в котором за время 1 с происходит 1 акт р а с п а д а . Р а н е е широко и с п о л ь з о в а л а с ь в н е с и с т е м н а я
единица
радиоактивности кюри ( К и ) , с о о т в е т с т в у ю щ а я активности изотопа, в котором за время 1 с происходит 3 , 7 - 1 0 1 0 а к т о в
распада.
/ ' Р а д и о а к т и в н ы е вещества техногенного происхождения, г л а в - |
' ным о б р а з о м п р о д у к т ы "деления у р а н а и плутония, стали в больших количествах п о с т у п а т ь в океан после 1945 г., т. е. с н а ч а л а
испытаний ядерного о р у ж и я и широкого развития промышлен- (
ного получения д е л я щ и х с я м а т е р и а л о в и р а д и о а к т и в н ы х н у к л и дов. В ы я в л я ю т с я три группы источников: 1) испытания я д е р н о г о
о р у ж и я , 2) сброс р а д и о а к т и в н ы х отходов, 3) аварии с у д о в с атомными двигателями и аварии, связанные с использованием, т р а н спортировкой и получением радионуклидов.
С о с т а в искусственных нуклидов, п о п а д а ю щ и х в океан, опреде-t
ляется в , основном
продуктами
деления
ядерного
топлива.,
(табл. 1.8). Соотношение м е ж д у ними м о ж е т меняться в зависимости от типа горючего, энергетики реакции и у с л о в и й е е протекания.
.
В период 1 9 4 8 — 1 9 6 2 гг. было произведено около 450 взрывов.;
атомных бомб, по мощности которых можно приблизительно оце-|
нить количество р а д и о н у к л и д о в (для наиболее
опасных 9 0 Sr и
!37Cs—табл.
1.9), о к а з а в ш и х с я в атмосфере в виде аэрозолей..
С у м м а р н о е количество I 3 7 C s ,
инжектированное
в
стратосферу
в н а ч а л е 1981 г., по оценке А . А . М о и с е е в а (1985), составляет;
286:
"96 • 10 1 6 Б к . Е с л и п р и н я т ь отношение, а к т и в н о с т и 1 3 7 C s / 9 0 S r р а в н ы м 1,6, т о с о о т в е т с т в у ю щ е е к о л и ч е с т в о в ы б р о ш е н н о г о 9 0 S r б у д е т
•6Q - 1 0 1 6 Б к .
Р а д и о а к т и в н а я п ы л ь и а э р о з о л и в п р о ц е с с е ц и р к у л я ц и и возд у ш н ы х м а с с р а с п р о с т р а н я ю т с я на о б ш и р н ы е т е р р и т о р и и и в ы Та блица 1.8
Важнейшие радиоизотопы, присутствующие в морской воде
(Харди и др., 1973; Райе, 1971)
Период
полураспада
Название.изотопа
Вид
излучения
12,3 года
5760 лет
1,3-10? лет
4,7-10 10 лет
0,38 года
2,5-10 6 лет
7,1 - 10s лет
4,5-10® лет
Плутоний-238
Плутоний-239
Плутоний-240
Плутонйй-241
Америций-241
Р
Р
Р
Р
а
а
а
а
•Серебро-110
Цезий-134
Сера-35
Жальций-45
Натрий-24
0,04 года
0,08 года
0,86 года
2,7 года
0,74 года
5,3 года
0,67 года
0,69 года
2,1 года
87,1 сут
160 сут
15 час
Примечание.
Вид
излуче" ния
Р
К-Y
К-у
К
К—Y
P-Y
К—
Я
86 лет
24 400 лет
6660 лет
13,2 года
458 лет
а
а
а
а
а—Y
Продукты деления в ядерных
реакторах
Продукты активации
•Фосфор-32
Хром-51
Марганец-54
Железо-55
Кобальт-57
Добальт-60
Дннк-65
Период
полураспада
Трансурановые элементы
Природные изотопы
Тритий
Углерод-14
Калий-40
Рубидий-87
Лолоний-210
Уран-234
"Уран-235
Уран-238
Название изотопа
,,
К '
P-Y
P-Y
Р
Р
P-Y
Барцй-140
Криптон-85
Стронций-89
Стронций-90
Иттрий-90
Иттрий-91
Ниобий-95
Цирконий-95
Рутений-103
Рутений-106
Иод-131
Цезий-137
Церий-144
Аргон-41
Ксенон-133
12,8 сут
10,6 года
0,1.4 года
28 лет
2,5 сут
0,16 года
0,10 года
0,18 года
0,11 года
1 год
7,3 сут
30 лет
0,78 года
2 ч
5 сут
Р~Y
Р
Р
Р.
Р
Р
Р—V
Р—Y
P-Y
P-Y
V
V
р
К — рентгеновское /С-излучение.
п а д а ю т н а п о в е р х н о с т ь З е м л и г л а в н ы м о б р а з о м в зоне 45° с. ш . —
4 5 ° ю. ш., причем б о л ь ш а я ч а с т ь р а д и о а к т и в н ы х о с а д к о в в ы п а д а е т в северном полушарии. Многие
радиоактивные
изотопы
•с к о р о т к и м п е р и о д о м п о л у р а с п а д а , х о т я и о б н а р у ж и в а ю т с я п о с л е
в з р ы в а в воде и морских организмах, в глобальных радиоактивн ы х в ы п а д е н и я х почти не в с т р е ч а ю т с я . З д е с ь в п е р в у ю о ч е р е д ь
. п р и с у т с т в у ю т 9 0 S r и 1 3 7 C s с п е р и о д о м п о л у р а с п а д а о к о л о 30 л е т .
Наиболее опасным радионуклидом
из
непрореагировавших
остатков ядерных зарядов является 239Pu
(7V2=24,4-103 лет),
очень ядовитый к а к химическое вещество. П о мере р а с п а д а про287:
д у к т о в д е л е н и я ' 9 0 S r и 1 3 7 C s , он с т а н о в и т с я о с н о в н ы м к о м п о н е н т о м
загрязнения. К моменту моратория атмосферных испытаний ядерн о г о о р у ж и я (1963 г.) а к т и в н о с т ь 2 3 9 Р и в о к р у ж а ю щ е й с р е д е составила 2,5-1016 Бк. Приблизительно половина этого количества
Г К_1972 г. в ы п а л а в р а й о н а х и с п ы т а н и й .
Отдельную
группу
р а д и о н у к л и д о в о б р а з у ю т 3 Н , ^ N a , 6 5 Zn,
5 9 F e , i 4 C , 3 I S i , 3 5 S , 4 5 C a , 5 4 M n , S 7 > 6 0 Co
и д р у г и е , в о з н и к а ю щ и е при
Таблица
1.9
Количество 90 Sr и I37Cs, образовавшееся при испытаниях ядерного оружия
в атмосфере (из докладов комитета ООН по атомной радиации, 1964)
Годы испытаний
Суммарная мощность
взрывов, Мт *
1945—1951
1952—1954
1955—1956
1957—-1958
1959—1960
1961—1962
0,02
1,0
5,6
31,0
101
Всего
138,62
—
Расчетное количество, 10' 6 Бк
soSr
0,0075
0,37
2,1
11,7
m
Cs
0,0127
0,646
3,55
19,7
—
—
38,0
52,18
64,5
88,41
* В тротиловом эквиваленте.
взаимодействии нейтронов с элементами конструкций и внешней
среды. Основными продуктами ядерных реакций с нейтронами
в морской среде являются радиоизотопы натрия, калия, фосфора,
х л о р а , б р о м а , к а л ь ц и я , м а р г а н ц а , с е р ы , ц и н к а , п р о и с х о д я щ и е из
растворенных в морской воде элементов. Это наведенная активность.
Большая часть радионуклидов, попадающих в морскую среду,
имеет постоянно присутствующие в
воде
аналоги, такие, как
239р и> 239fN[p) ээтс, т р а н с п л у т о н и е в ы е не х а р а к т е р н ы
для состава
морской воды, и живое вещество океана должно
приспосаблив а т ь с я к ним з а н о в о .
/
В р е з у л ь т а т е п е р е р а б о т к и я д е р н о г о т о п л и в а п о я в л я е т с я значи/ тельное количество радиоактивных отходов в жидкой, твердой и
газообразной формах. Основную массу отходов составляют радиоI активные растворы. Учитывая высокую стоимость переработки и
j хранения концентратов в специальных хранилищах,
некоторые
j страны предпочитают сливать отходы в океан с речным стоком
j или с б р а с ы в а т ь их в б е т о н н ы х б л о к а х на д н о г л у б о к о в о д н ы х впаj дин о к е а н о в . Д л я р а д и о а к т и в н ы х и з о т о п о в A r , Х е , E m и Т е щ е
| не разработаны надежные методы концентрирования,
поэтому
\ р н и м о г у т п о п а д а т ь в о к е а н ы с д о ж д е в ы м и и с т о ч н ы м и водами:
С 1944 по 1971 г. з а в о д по п р о и з в о д с т в у п л у т о н и я н а р е к е Ко]
л у м б и я ( С Ш А ) е ж е м е с я ч н о с б р а с ы в а л 9 2 , 5 - 1 0 ! 3 Б к различный
288:
радиоактивных веществ (около 60), в том числе биологически
активные 65 Zn и 5 , Сг. С 1969 по 1976 г. общий сброс 137 Cs в Ирландское море составил более 18,5-10 15 Бк, a 1 3 4 C s — б о л е е
3,5-10 15 Бк. Подобные сбросы нередко служат причиной значительного превышения фонового уровня радиоактивности в обширных
районах океана.
Захоронение на дне океанов как способ избавления от радиоактивных отходов широко используется в последние десятилетия.
С 1946 по 1970 г. Комиссия по атомной энергии США санкционировала
захоронение отходов с радиоактивностью 0,52 • 1015 Б к
в Тихом океане и с радиоактивностью 3,0 • 1015 Б к в Атлантическом океане. С 1967 по 1976 г. восемью странами Европейской организации экономического сотрудничества в Северной Атлантике
было захоронено 45 970 т отходов общей активностью 0,17 X
X Ю15 Бк. Погребение контейнеров с отходами стараются произ-^
водить в геологических пластах глубоководного дна или в подхо- /
дящих геологических формациях материковой литосферы.
\
При эксплуатации атомных энергетических установок на надводных и подводных судах, которых насчитывается у ж е несколько
сотен, ежегодно в океан вносят около 3,7-10 16 Б к с ионообменными смолами, около 18,5-10 13 Б к с жидкими отходами и
12,6-10 13 Б к вследствие утечек. Аварийные ситуации т а к ж е вносят значительный вклад в радиоактивность океана. Так, в 1963 г.
после гибели подводной лодки «Трешер» на дне Атлантического
океана активность радионуклидов оказалось свыше 1016 Бк.
К настоящему времени сумма радиоактивности, привнесенной
в океан человеком, не превышает 5,5* 1019 Бк, что еще невелико
по сравнению с естественным уровнем
(18,5-10 21 Б к ) . Однако
концентрированность и неравномерность выпадений радионуклидов создает серьезную опасность радиоактивного
заражения
воды и гидробионтов в отдельных районах океана.
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
ЗАГРЯЗНЕНИЙ В ОКЕАНЕ
Поиск активных средств борьбы с загрязнением
морской
среды является одной из самых актуальных проблем современной
науки. Одно из направлений этой проблемы связано с изучением
процессов самоочищения океана и морей от загрязнений. В морской среде наряду с биологическими и физико-химическими процессами, влияющими на уменьшение концентрации примеси, важную роль играют т а к ж е гидродинамические процессы. Именно
морские течения и турбулентная диффузия определяют перенос,
рассеяние и разбавление примеси.
Н а с т о я щ а я глава посвящена изложению теоретических методов расчета распространения загрязняющих веществ в морских
19
Заказ № 33
289
у с л о в и я х , изучению влияния циркуляции
вод и
турбулентной
диффузии на р е з у л ь т а т ы расчета их концентрации, ознакомлению
с основными р е з у л ь т а т а м и экспериментального изучения
турбулентной диффузии в реальных у с л о в и я х .
2.1. Математическая формулировка задачи
о распространении примеси в морской среде
, П о в е д е н и е примеси в морской среде зависит от многих факторов: химических
(распад, соединение с другими в е щ е с т в а м и , выпадение в о с а д о к ) ; физических
(переход в д р у г о е а г р е г а т н о е состояние, адсорбция, к о а г у л я ц и я ) ; гидродинамических
(перенос течениями и
рассеяние
в
процессе
турбулентной
диффузии);
биологических
( а к к у м у л я ц и я и перенос морскими о р г а н и з м а м и ) .
Изменение концентрации примеси в о б щ е м с л у ч а е о п и с ы в а е т с я
т р е х м е р н ы м у р а в н е н и е м т у р б у л е н т н о й диффузии, у ч и т ы в а ю щ е м
физико-химическое взаимодействие примеси со средой и наличие
источников примеси:
дС
.
+ KctfC
дС
.
дС
. ,
.
. дС
+ Qb{x-x*)b{y-y*)b{z-z*)
д
„
дС
,
(2.1)
То
З д е с ь С — концентрация примеси; и, v, w — с о с т а в л я ю щ и е скорости течений по д е к а р т о в ы м осям х, у, z соответственно; Wc —
собственная гравитационная
вертикальная
скорость
примеси;
то — постоянная биохимического
разложения
примеси;
Кс и
Ксь — вертикальный и горизонтальный коэффициент т у р б у л е н т ной диффузии соответственно; б — д е л ь т а - ф у н к ц и я Д и р а к а ; Q —
м о щ н о с т ь источника примеси; х*, у*, z* — к о о р д и н а т ы положения
источника в т р е х м е р н о м пространстве.
С д е л а е м несколько замечаний относительно у р а в н е н и я ( 2 . 1 ) .
1. П о с к о л ь к у поведение всех полей в океане имеет т у р б у л е н т ный х а р а к т е р , уравнение (2.1) получено на основе статистиковероятностных представлений о случайном х а р а к т е р е д в и ж е н и я
д и ф ф у н д и р у ю щ и х частиц. О н о описывает не мгновенные
поля
примеси и течений, а осредненные за некоторый п р о м е ж у т о к времени t. К р о м е того, в этом уравнении т у р б у л е н т н ы е потоки примеси — р и / С ' = Фс/ традиционно п а р а м е т р и з о в а н ы по аналогии
с молекулярной диффузией через
коэффициенты
турбулентной
диффузии и средние градиенты концентрации примеси, т. е.
ФЬ/ = р К а Л д С / д х , ) .
2. В зависимости от физико-химических свойств вредной примеси на основе у р а в н е н и я (2.1) м о ж н о изучать распространение!
динамически
активной
примеси (оседающей ( W c > w) или всплыв а ю щ е й (wc • < w), либо динамически
пассивной
примеси, не име290:
ющей собственной гравитационной скорости (шс = 0) и перенос я щ е й с я со с к о р о с т ь ю течений.
3. В с л е д с т в и е биохимических процессов концентрация примеси
постоянно
меняется.
Д л я характеристики
неконсервативных
свойств примеси в уравнении (2.1) м о ж н о использовать
время
биохимического р а з л о ж е н и я %о л и б о коэффициент неконсервативности р.
П р и этом коэффициент неконсервативности
вводится
следую-
[Г-11].
щим о б р а з о м р —
и имеет р а з м е р н о с т ь
При р < О
происходит р а с п а д примеси, при р ~ > 0 идет накопление, а при
р=0
примесь консервативна.
4. П р е д п о с л е д н и й член в п р а в о й части у р а в н е н и я (2.1) опред е л я е т наличие источника з а г р я з н я ю щ е й примеси м о щ н о с т ь ю Q
в точке с к о о р д и н а т а м и ( х * , у*, z*). В с л е д с т в и е относительной
малости р а з м е р о в источников примеси п о сравнению с р а с с т о я ниями, н а к о т о р ы е она переносится, м о ж н о р а с с м а т р и в а т ь л и б о
точечные, либо объемные источники. Д л я описания
точечного
источника в у р а в н е н и е (2.1) вводится б-функция (функция Д и рака).
С ф о р м у л и р у е м граничные условия.-'Они состоят в т о м , ч т о н а
всех поверхностях, о г р а н и ч и в а ю щ и х
рассматриваемую
область
бассейна, необходимо з н а т ь либо поток примеси (диффузионный
и а д в е к т и в н ы й ) , либо е е концентрацию. В с а м о м о б щ е м виде они
выглядят следующим образом:
a
[ K c 4 f
- ( P I + ® c ) C + Q , : ] + 6 ( C - C 0 = 0,
[(2.2)
где а и b — з а д а в а е м ы е коэффициенты, п р и н и м а ю щ и е значения
либо н у л ь , либо единица; р,- — п а р а м е т р ы
взаимодействия примеси с с о о т в е т с т в у ю щ е й поверхностью; Qi — м о щ н о с т ь источника
яа с о о т в е т с т в у ю щ е й поверхности. Эти граничные у с л о в и я (2.2)
тозволяют
с т а в и т ь разные т и п ы з а д а ч (с граничными у с л о в и я м и
тервого или в т о р о г о р о д а ) и у ч и т ы в а т ь действия р а з н о о б р а з н ы х
зсточников. Н а п р и м е р , Qi — в ы б р о с примеси н а поверхности океана (из атмосферы, из с у д о в , промышленные и бытовые о т х о д ы
1 д р . ) ; 0.2 — источники примеси н а д н е (выброс из т р у б , проложенных по д н у , из з о н д о в ) ; <3з — в ы б р о с примесей из различных
у т о ч н и к о в , н а х о д я щ и х с я на г р а н и ц а х бассейна; Ci — в о з м у щ е н и я
з поле концентрации примеси, вызванные внешними ф а к т о р а м и .
Р а с с м о т р и м конкретный вид граничных у с л о в и й (2.2) н а по$ерхности моря при 2 = 0 . В предположении о т с у т с т в и я взаимо1ействия примеси с атмосферой, . P i = 0 , они
имеют
следующий
шд:
а) д л я динамически активной в с п л ы в а ю щ е й примеси
Кс
16*
+ ®>сС + Qi = 0;
(2.3)
291
б ) д л я динамически активной оседающей примеси
K c - ^ - ~ W c C + Q l = 0;
(2.4)
в) д л я динамически нейтральной (пассивной) примеси
+
= 0.
(2.5)
Граничные условия на дне океана при z=H(x,
ч а т ь условия взаимодействия примеси с дном:
а) д л я всплывающей примеси
у) д о л ж н ы вклю-
K c - ^ - f a + w j C + Q^O;
(2.6)
б ) д л я оседающей примеси
Кс - f a
(Рг — ®>с) С + Q2 = 0;
(2.7)
в) д л я пассивной примеси
K c - ^ - h C + Q^O.
(2.8)|
)
З д е с ь п — н о р м а л ь ко дну; Рг — параметр, определяющий харак-i
т е р взаимодействия загрязняющей примеси с морским дном. Н а
х а р а к т е р этого взаимодействия влияют самые разнообразные факт о р ы (например, состав грунтов, их фильтрующая и абсорбирую щ а я способность, гидродинамическая шероховатость дна, взаимодействие примеси с донными организмами и д р . ) . Обычно, пар а м е т р у Ра придается д в а предельных значения:
а) р 2 = 0 , что соответствует полному отражению примеси от'
морского дна;
j
б) Рг ->что соответствует полному поглощению примеси
морским дном.
Все многообразие условий на жидких и твердых
границах,
бассейна может быть представлено в виде
J
a[Kc-^-{&+un)C
+40 -
+ Qs\ + b{C-Cs)-\-
таг)с+0
+
j
w
З д е с ь n — направление внутренней нормали к контуру; ип — нор-!
м а л ь н а я с о с т а в л я ю щ а я к боковой границе
скорости
течения;}
Q 3 — известное количество примеси, поступающей в единицу времени; К с { j f c ) — нормальная с о с т а в л я ю щ а я турбулентного пот о к а примеси через боковой контур.
292:
Рассмотрим конкретный вид граничных условий (2.9) д л я
источника примеси, расположенного на берегу (коллектор бытовых или промышленных сбросов), в предположении р 3 = 0 . Если
известен выброс примеси в единицу времени, а = 1 и Ь = 0, тогда
на ж и д к о м контуре L"
(2.10а)
на твердом контуре L'
tfc^-
+ Q 3 = 0.
Если известна концентрация примеси в районе источника,
6 = 1 , тогда на ж и д к о м контуре L"
а—0,
на твердом контуре L'
С — С 3 = 0.
Физически граничные условия (2.10а) означают, что твердый контур (берег) з а д а н в виде вертикальной стенки, на которой происходит либо полное отражение примеси, либо ее
накопление,
на ж и д к о м контуре известен расход примеси. Граничные условия
(2.106) показывают, что на твердом контуре пройсходит полное
поглощение примеси берегом, а на ж и д к о м
контуре известна
концентрация примеси. Постановка конкретного вида граничных
у с л о в и й . з а в и с и т от физических свойств примеси, а т а к ж е от осадочных пород, слагающих морской берег.
Д л я источника загрязнений, находящегося в открытой части
бассейна, принимается естественное условие уменьшения концентрации примеси до нуля на достаточно большом удалении от
источника
при
х, у, г
оо
С = 0.
(2.10в)
Сформулируем начальные условия. Предположим, что в начальный момент времени
а) примесь отсутствует
при
t= 0
С(х,
у, z, 0) = 0,
(2.11а)
б) известен фон загрязнений
при
*= 0
С (х, у, z, 0) = С 0 .
(2.116)
Решение краевой задачи (2.1) — (2.11) очень сложно. Большие затруднения возникают из-за необходимости знания трехмерной структуры течений и коэффициентов турбулентной диффузии.
293:
С к о р о с т и течений в морском бассейне могут быть получены либо
по данным наблюдений, либо по р е з у л ь т а т а м
гидродинамического расчета. В н а с т о я щ е е время имеющиеся инструментальные
д а н н ы е о с т р у к т у р е течений в морях и о к е а н а х е щ е
малочисленны и разрозненны в п р о с т р а н с т в е и времени. П о э т о м у сведения о них целесообразно п о л у ч а т ь на основании решения гидродинамической
задачи
при условии известных полей, ветра и
распределения
плотности
морской воды и с учетом реального
рельефа
дна
и морфометрии бассейна, т. е. диагностического
анализа.
Определение коэффициентов т у р б у л е н т н о й диффузий
д о сих
пор я в л я е т с я с л о ж н о й задачей. В м е с т е с т е м исследования Озмид о в а и О к у б о сделали в о з м о ж н ы м определение
коэффициентов
горизонтальной т у р б у л е н т н о й диффузии Ксь• О п ы т ы О з м и д о в а и
О к у б о с диффузией пятен красителя показали, что д л я широкого 1
д и а п а з о н а пространственных
размеров
вихрей
(от' 100 м д о
100 км) выполняется степенная зависимость
Ксь(1)~
11Д. Д л я
некоторых более у з к и х интервалов выполняется зако!г «четырех
третей», KCL(I) ~ 14/З, который, к а к известно, выведен д л я инерционно-конвективного интервала м е л к о м а с ш т а б н о й локально-изо?:
тропной т у р б у л е н т н о с т и .
При условии, что известны все с о с т а в л я ю щ и е скорости течений и коэффициенты т у р б у л е н т н о й диффузии, решение краевой^
задачи ( 2 . 1 — 2 . 1 1 ) позволяет получить картину
.распределения
концентрации примеси в с л е д с т в и е ее гидродинамического взаимодействия с морской средой.
Р а с п р о с т р а н е н и е з а г р я з н я ю щ и х примесей в море под д е й с т вием течений и т у р б у л е н т н о й .диффузии зависит т а к ж е от т и п а ,
и р а з м е р а источника загрязнений.
П о х а р а к т е р у действия источника и м а с ш т а б а м р а с п р о с т р а нения загрязнений выделяют д в а типа процесса:
1) локальный — при источнике небольшого р а з м е р а , с небольшим временем действия и небольшим р а с х о д о м . При этом источник м о ж н о считать мгновенным, точечным,
примесь
пассивной
и консервативной, а с о с т а в л я ю щ и е скорости
течений
постоянными;
2) м е з о м а с ш т а б н ы й и м а к р о м а с ш т а б н ы й — при постоянно дейс т в у ю щ е м мощном источнике з а г р я з н я ю щ и х веществ.
Течения
в этом с л у ч а е о п р е д е л я ю т с я полем в е т р а и неоднородной термохалинной с т р у к т у р о й воды с учетом рельефа и морфометрии морского бассейна.
Задачи, связанные с процессами первого т и п а , имеют, к а к правило, аналитические решения.
Процессы
второго
типа более
сложны, и задачи, связанные с этими процессами, не п о д д а ю т с я
аналитическому решению, а т р е б у ю т применения численных методов.
294:
2.2: Аналитические решения задачи
об;изменении концентрации примеси в морской среде
при постоянных и переменных коэффициентах
турбулентной диффузии
Рассмотрим задачу о распределении концентрации всплывающей примеси от точечного источника, находящегося на определенной глубине. Примером такого источника может служить заглубленный выброс промышленных или бытовых вод. Небольшие
масштабы позволяют считать течение всюду постоянным (ло•у
Рис. 2.1. К задаче о распространении
зсплываклцей примеси от заглубленного
'
точечного источника.
'
2
кальный процесс). З а д а ч а заключается в определении концентрации примеси на разных расстояниях по вертикали от источника.
Поместим источник загрязнений мощностью Q в точку моря
: координатами (0, 0, z*); ось Ох направим вдоль течения и
(рис. 2.1). Полагая турбулентную диффузию в направлении тер н и я малой по сравнению с адвективным переносом, из основюго уравнения (2.1) получим
, *L -
W c
- g - _
_ К с у
К с
+
с
=
Q 6 ( д ) 6 { у ) б
_ ^
(2.12)
1епосредственной подстановкой можно убедиться, что это уравюние д л я условия убывания концентрации примеси до нуля по
гере удаления от источника
С— 0
при х,
у о о
.опускает решение следующего вида:
/п,
С=
л/«
/
2
{
exp j
иу22
иу
-?Г—х
АКСи
X
их
о
) s ( x , z),
(2.13)
де S (х, z) — новая неизвестная.
295:
Подставим (2.13) в (2.12) и проинтегрируем по у от —оо
до +оо, используя граничные условия на поверхности (2.3) и
дне моря (2.6). В результате получим уравнение турбулентной
диффузии для новой неизвестной
u
l t r - w c - § - - K c - S r = дао * (* - Z*)
с граничными условиями:
(2.14)
,
при 2 = 0
Кс
при z = H(x,
+ ®>cS = 0,
- Ц - = 0,
у)
при х, у —оо S = 0.
(2.15)
Для малых расстояний по оси Ох от источника можно считать, что вертикальный градиент концентрации на поверхности
моря равен нулю. Тогда в новой системе координат, всплывающей
со скоростью примеси z=z+wc~,
получим из (2.14) упрощенное уравнение
.
Kc-^§r
= Qb(x)b(z-z*),
2* =
2* +
^ " Ж - ^ 0
при
(2.16)
Wc-~
с граничными условиями:
S= 0
2
=
при 2 = ОО.
(2.171
Решение задачи (2.16) —(2.17) при переходе к старым координа|
там имеет вид
с <*.*>=« V
w
+ ехр
[ ехр И 2 + ш с
+
- zi
(2.18'
На рис. 2.2 приведено распределение концентрации загрязня
ющей примеси по вертикали на разном расстоянии от источника'
расположенного на глубине 5 м. Видно, что наличие у примео
собственной вертикальной скорости приводит к тому, что макси
мум концентрации поднимается с удалением от источника и, на
чиная с определенного расстояния, остается вблизи поверхности
296
Концентрация примеси с удалением от источника очень быстро
уменьшается только вначале.
Рассмотрим другую задачу. Рассчитаем среднюю по вертикали
концентрацию взвешенной (пассивной) примеси, распространяющейся в море вблизи берега. Течения в море примем постоянными по горизонтали и двухслойными по вертикали, соответст-
Рис. 2.2. Распределение концентрации загрязнений по направлению потока.
Ц и ф р ы у к р и в ы х о б о з н а ч а ю т р а с с т о я н и е по оси Ох.
И с т о ч н и к р а с п о л о ж е н на глубине 5 м, К с = c o n s t .
вующими нагонной ситуации (в верхнем слое течения направлены
перпендикулярно берегу, в нижнем слое — в открытое море)
(рис. 2.3 а). Адвективный перенос, соответствующий вдольбереговому течению, будем считать преобладающим над турбулентной диффузией в том же направлении. Коэффициенты турбулентной диффузии примем постоянными.
Подобная задача возникает, например, при вынесении коллектора сброса городских бытовых вод в прибрежную часть моря.
Наихудшей ситуацией в этом случае является существование при
нагонном ветре течения, направленного к городу, если к тому же
источник расположен в верхнем слое.
Направим ось Оу вдоль берега, ось Ол: — перпендикулярно берегу, в сторону открытого моря (рис. 2.3 б); источник примеси
юместим в точку с координатами (х*, 0). Осредняя отдельно
зсновное уравнение турбулентной диффузии в пределах верхнего
297:
и нижнего слоев л р и принятых допущениях,. получим д л я верхнего слоя уравнение
д С, .
дС{
и • Л . -4-0- д у
, ^Ксх-
д2С&
^ -
С,
— -Qbix-х^Ыу).
(2.19)
Здесь Ci — средняя концентрация примеси в пределах верхнего
слоя.
-и
Слой 1
- и -
о)
Слой 2
\
z
'
,
Рис. 2.3. К задаче о распространении пассивной примеси в двухслойном море по мере удаления от источника.
Поскольку у берега не происходит накопление примеси и воды,
решение при х < 0 для верхнего слоя можно определить как
зеркальное отражение решения для нижнего слоя. Введем новую
систему координат х—х+—у,
у=у.
Тогда из
.
== Qb{x
(2.19)
получаем:
преобразованное уравнение
v
дС,
ду
д2Сх
• Ксх дх2
То
^ >
-х*
(2.20)
и граничные условия убывания концентрации примеси на бесконечности х, у-+ сх>; решение имеет вид
]
; ^
ч2 Ч ;
.:..
С; — Q У
ЫКСху
ехр
V.
. :
4К С х у
.)•
(2.21)
Решение д л я нижнего слоя, определяется аналогично. Средняя по;
вертикали концентрация примеси в любой точке моря равна полусумме обоих решений:. .
•;.•: .. .а
... :
1
:
"f
-г, (у _1_ _££_ »,
/
Р
С— - i - ( C 1 + C 2 ) _ _ Q _
ехр
Л
!:: ' ^КСхУ
/
4
+ ехр
298:
у
лКсху
У-тх
V (^х —
4 КСхУ.
)
(2.22}
В качестве примера на рис. 2.4 приведено распределение концентрации загрязнений на разном расстоянии от источника и от
берега. Н а и б о л ь ш а я концентрация вдоль берега наблюдается на
расстоянии от источника, равном ЮДг/. П о мере удаления в открытое море о б щ а я концентрация уменьшается, но наблюдаются
два максимума концентрации, обусловленных прямым и обратным потоками. Вблизи источника загрязнений характер кривой
не меняется, а концентрация, естественно, увеличивается.
С
I '•'•'•
7,5 I
Рис. 2.4. Средняя концентрация
загрязнений на разном расстоянии
от берега.
|:
Коллектор вынесен в море на расстоянии 200 м, К С х = const.
Рассмотренные решения получены при условии постоянства
коэффициентов турбулентной диффузии. Известно, что они суще1 ственно з а в и с я т от характеристик турбулентных морских течений,
' масштабов вихрей, расстояния от источника и т. д. Естественно
ожидать, что распределение концентрации примеси наряду с пегречисленными факторами (мощность и тип источника, свойства
дримеси, расстояние от источника) будет зависеть от вида функ,циональцой зависимости коэффициентов турбулентной диффузии
от расстояний до источника, (или от времени), Например, д л я
случая двумерной турбулентной диффузии пассивной консервативной примеси • от непрерывного точечного источника при принят и и з а к о н а «четырех третей», справедливого д л я локально-изотропной турбулентности, основное уравнение можно записать к а к
..
"
-
W
-
=
Q
6
(
х
-
Я
'
( 2
- 2 3 )
в котором е — с к о р о с т ь диссипации турбулентной энергии, п\ —
'безразмерный коэффициент, равный 0,1. Решение этого уравнегния в предположении, что концентрация примеси при х, t / - > o o
у б ы в а е т до нуля, имеет следующий вид:
j
J
;
'
j
j
'
]
!
j
I
j
|
299
i
v
V.
9
и /
9
и
Существенным отличием выражения (2.24) от решений уравнения турбулентной диффузии с постоянным коэффициентом, например от (2.21), является более медленное падение концентрации примеси по мере удаления от источника. Показатель степени
экспоненты пропорционален у~\
а согласно (2.21) он пропорционален у 2 .
Одновременное влияние процессов вертикальной и горизонтальной турбулентной диффузии на изменение концентрации примеси
от мгновенного точечного источника, помещенного в начале координат в морском потоке, перемещающегося с постоянной скоростью v, будет описываться соответственно выражениями:
а) при Кс — 0, Ксь ~ e'/tfV.
С(х,
У, t)=
+
f<> [
];
(2.25)
б) при Кс = const, Kcl ~ e , / 3 f / a
С<*. У, г, <) = - § , f . [
+
в) при Kc = ku*z, K c L ~ b l h t 4 3
рость, и — постоянная К а р м а н а )
С(х.
z.
] - ф ^ - е х р
(где
(-т^г);(2-26)
и*— динамическая
=
г) при Кс С(х,
ско(2.27)
е / С с 1 . = 0
yt z, t ^ - J L - Ъ [ (x~vtJ
+ y 2
],
(2.28)
где /о и f\ — некоторые универсальные функции.
Рассматриваемые случаи соответствуют самым разнообразным
ситуациям взаимодействия процессов вертикальной и горизонтальной турбулентной диффузии. Первые два режима могут реали-!
зовываться в условиях сильной вертикальной стратификации вод|
когда вертикальный обмен либо полностью подавлен
{Кс—0);
либо ослаблен и развивается лишь в квазиоднородных
слоях
(/Cc = const). Третий режим (Kc = xuJ)
наблюдается в условиях
«пристеночной» турбулентности и нейтральной
стратификации
вод; четвертый (Кс ~
) — в условиях развитой турбулент^
ности.
Как показывают решения (2.25—2.28), скорость падения кон
центрации примеси в центре пятна оказывается пропорциональна
t 3, t~3-5, t~4, t~4-5 соответственно и является значительно боле<
быстрой, чем в случае решения при К с = c o n s t (пропорциональш
f - 1 ) . На рис. 2.5 показано изменение со временем концентрацш;
300:
примеси в центре пятна, рассчитанное для К с = c o n s t и Кс ~
/^g'Af/з. Там ж е точками нанесены экспериментальные данные
наблюдений за диффузией родаминового вещества, полученные
Icf^
-Jr-
-4-
Рис. 2.5. Изменения концентрации в центре _г
пятна примеси. .
1 — зависимость, у ч и т ы в а ю щ а я изменения коэффициентов турбулентной д и ф ф у з и и по закону
«четырех третей», 2, 3 — зависимости, д л я которых коэффициенты диффузии принимаются постоянными (2 — трехмерный случай, 3 — двумерный случай); кружочки обозначают концентрацию - g
флюоресцеииа, по данным
Окубо,
Озмидова
,
(1986).
Окубо. Видно, что данные наблюдений подтверждают зависимость
изменения концентрации примеси, учитывающую переменный коэффициент турбулентной диффузии.
2.3. Численные методы
решения уравнения турбулентной диффузии примеси
в мелком море
1
При изучении процессов формирования поля примеси от мощных источников длительного действия, с учетом сложных полей
течений, невозможно получать аналитические решения основного
уравнения (2.1), а поэтому его необходимо решать с помощью
применения различных численных методов (конечно-разностных,
интегральных и спектральных), с использованием эффективных
численных алгоритмов, обладающих устойчивостью и быстрой
сходимостью.
Рассмотрим решение задачи методом сеток применительно
;к мелкому морю. Как известно, в мелком море вследствие процессов перемешивания по вертикали его термохалинная структура
Достаточно однородна, поэтому можно полагать
градиенты
дС/дг—О. Это позволяет в основном уравнении турбулентной
диффузии (2.1) пренебречь вертикальной адвекцией и вертикальным турбулентным обменом примеси, т. е.
дС .
дС
-дГ + и ~ д Г
.
дС
+0 - w =
„
д2С . „
д°-С
~
*-д^
+ К с у ~ W ~ рС-
Кс
,п
(2 - 29)
Для разработки конечно-разностного аналога уравнения (2.29)
необходимо построить сеточную область с пространственными ша«
301:
гами Ах, А у и наиболее точно аппроксимирующую реальный контур моря (рис. 2.6). Если локальную производную заменить конечно-разностным соотношением с шагом по времени At, вторые
производные выразить через центральные разности, а первые производные — с помощью направленных против потока односторон-
Рис. 2.6. Система координат и сеточная
область в задаче о распространении загрязнений в мелком море.
них разностей, тогда конечно-разностная аппроксимация уравнения (2.29) в явном виде запишется следующим образом:
\Г
дС
dt
>t + At
Си
Щ f&t
-
Г* ЬЛ/
At
ft
At '
(2.30)
= С\,, + vCL A t (Ахх -f- Ауу) с\, f —
[(1 - еи) Atcl,
+ (1 + zu) A 7 C l , ] -
v{, At
^ - [ ( 1 — s 0 ) A j C b + (l
(2.31)
где и,-, /, а , С и — составляющие скорости течения и концентрации примеси в узле сетки с индексом i, j; &и, е» — з н а к и составляющих и и v соответственно; Д.*.*, Ауу— аппроксимация.. вторых
производных; A J , AJ — разность н а з а д по х и у соответственно;
Ал, А у — разность вперед по х и у соответственно; vcl — коэффи:
циент вычислительной вязкости; ••
г - ...
AxxCi. ! — •Ах2 {pi + 1, i —
^yifii, i
AtCi, / =
i ~Ь £i — \, j)i
л
д р - {Ci, j + 1 — 2C ; , j + c , . / - j),
—(Ci+1, / —
Ci,,),
Ay Ci, i = -j^- (Ci, /+1 — Cf, /),
302:
. Ay ci. i = - j f (Ci, i — c 1,1- 0-
Принятая численная схема (2.31) обеспечивает первый порядок точности по времени и второй — по пространству.
Вместе с тем, явная схема (2.31) не является абсолютно устойчивой. Для нее должен удовлетворяться известный критерий
устойчивости- Куранта—Леви (в предположении
Ах=Ау):
. '
A t <
4 v C L + ( U * - M . ) Ах '
(2>32)
Выбор пространственных шагов Ад: и Ау обусловливается размерами, геометрией моря и масштабами, протекающих в нем. гидродинамических процессов. Выбор же временного шага At предопределяётся условием сходимости разностной схемы (2.32). "Разработанная численная модель позволяет рассматривать
формирование: поля любого загрязняющего вещества в море, его
изменения во'времени и пространстве при самых разнообразных
типах источников загрязнений,.. Эта модель дает возможность
проследить за примесью, попавшей в мелкое время, й выявить
неблагоприятные ситуации в зависимости от типа ветров, дукацих
над морем, и; морфометрией морского бассейна.
В качества.; Примера в табл. 2.1 приведены результаты реализации на ЭВМ алгоритма (2.31) для различных типов источников
загрязнений, расположенных в мелководной северной части . Каспийского моря. Расчеты выполнены для господствующего северозападного ветра скоростью 15—20 м/с. Пространственный шаг
выбран равным 20 км, так как он улавливает основные горизонтальные вихри течений в этом районе. При принятом шаге Ах
в соответствии с условием (2.32) временной шаг должен быть
не более 30 мин/. Горизонтальные коэффициенты турбулентной
диффузии приняты равными Ксх—Ксу=1,5-10 2 м 2 /с. Источники
загрязнений расположены в устьях рек Волги и Урала. Получены
картины полей концентрации примеси для различных режимов
источников (мгновенного действия, непрерывного, точечного, объемного и т. п.). Обнаружено, что перенос загрязняющих веществ
в море происходит в основном под действием адвективных факторов (течений). Однако если точечный источник расположен
в зоне вихревых структур поля течений, то вклады адвективных
и диффузионных процессов в распространение загрязнений имеют
одинаковый порядок.
В последнее время явная схема аппроксимации уравнения
типа (2.29) численно решается эффективным методом расщепления. На каждом временном шаге рассматриваются две самостоятельные задачи:
а) на 2"+1/2А^ — изменение концентрации примеси за счет
турбулентной диффузии;
303:
аЯ
s
юч
о
о.
о
S
Е
о
4ж
<и
5
2
S
а.
® ч шя л s si »"
Е- g « S S я 2
i о
-оЧ
яй й Zо я; а. _ _
щ
шЩ
cIu иВВ
0.0.*
on.ffl
р - м
иi g
di
о^ w
saO
gч авo.f,
"Г- о>.* 3g яЙйJ>5
с§
5 gуS -Я I яas
"s sК
О К Ч с; Я
а
g - ^ i s i
X со iе s ^м
О
Н
в
»Я Я ^ 0! Я Э
рг
е
я
а)
л
U
У
а
3 „ i й s1
Р
S
8
S _• 5 « и я я
I> л«У"чЧлS Е
Гл
я=f _ 2й 3я *о
ч 0.&Я
О
§
g-s
£
щ
г я я о « о,ч g US
«s-3
S S nчXЯ a
:я В
е"
"' аS чb sя 5 > >
« ёIs-g»K
° о ^я « г я к ™ о » S
Й°
я
g
к5®
а) О 5 a
яя w~ и
я О Яя« ® ° 5я s®3 § ™-в-0я ®
я 2« cо f e « o g a a , S c ( c a m
ко а> я о ^
I03 я s я CO g S3 я
4 gmаaя.
о
£
о Я * я s gо «оУ S| w5 ^s §В sя
s
«j
й
5
О..-,
оя я § Я Jx Ш
—
я
ьО О
Ч
я eg
д 5 та
а. eftа.яо.
яя
"? « ш £ ю О
к >.« «
I о в m I и аИоо <о с„ е»
eg
оо,о
х им
я "3"»
я о яr
s S
R я
S о а » Я щ-oS'i.
яо аи> Э
я
я
•я
ояя о.
о
о.»
X
f-SSSs
sS®
o Sa «s o fк! о ^"
w
оз
S3 vo
о, с Ч
я "o .nЯeч и
SP. я яя чч я s ч С и' аД* a us О n >><N Я <M S Я
О о о С'З • Л • • <L>х II
« ; - я оs
S
° X
9 мS я" я _ к" sI
* £ о,Я Я ?
к О
3 £•« а
г
S
°ai ^
™
св i^ л о S в я
ST
ч -7X —2' "
в.
я ЯS
9 .м
а« &
яч
я «н о,
в
О
_
Я
« о« ааочот
S'SЯ в-cd W
со
Я -в.и \ яV ОН ип
11
а> ино^ ^ 2 я
CL Я
Й ь. n s X я ° , tS . a« «а я
f
я .чя г л
S
о
S
°
а
Л Л д II I g s
So °
S o 11 CLЯСХ Я
Щ
*Р 5 Я
s
.
CL, ь «
S-s-^f
<
s
>
ч
а
^
в « оР
Ч Я ^ В ет Ч О,
3"
§ § а ^gxg3 g Sr.
v g-Э о Я я
Я
S.3
яЛ но в й-в
О а >2 яs Я щ ^ « « л
т
.о
Е- -З) а " 1 и о «о О1
ЧО 3) f-я
11 'Я,о
К Л . •S
С
я
S
4
j»
Л
я
g ны
вя s о . « 4s i я а;
ч- я Я
a
Я но s-щ
и «> . 11
я
о rT ЛЭ °4 о я Q.iS § о яв4 е«чя |
я
"
ч
О
_
о
®>о
а,
m
ч3
О '—'О
CQ Я я я ю« М » . Siк О
СО «о О Sа 2 я S S SL-S- II
О
R
Ч
Э
О
s я а ч я S% f
«я «в*о «
I"
о
с
я
а я3
о вJ
s
a
s
s
К я 3 £
"
яЯЛS ЯЯ !
. «о я S
ч ои я
S'S в
ак
Ч
а).
о
§
оя 5 Э о
ао .>яо
г^. я
Я
о,
я _, f-я
в Я
як яя41
я яш
&
ая оя
О
в-) о.
О
^CQ оXо оо«о 2с3
О >,в «
11
он
о
а.
в
о
л
о.
ч«3
« ев
« я§
* 5.ъ
ха)
ж
SB
»Я
S
S
а
о.
лх
яя
вг
о
S
«S
ч
вз
304:
й <~ я
8 2 я
<Uая
fe
«w
о
га
sСиs о>
яГ
яЯ «о га
оя «я
аду
si*
X но
га
я о я^
« ° s
ц. я га
и лS
ьu w
и «о.
й
Ои
S яо
=Я о, ч
Чхо |
§§§
2 е.
яй, R с
я .У о
2я 5Я о.
°
2 я о
ч
а
х« М
5я « Я п§
§*§
R Я лВ
^g и
Я
-• я
Я Я я Л n S", я А - - У s i «с? i л j
л v о• а;
ко оа
вн
О
5 ЧК =
м СЯ о-A о О.Я
5 м fi Н S 11
Sошш
m м
«" яя е-о
5 <и
S
О
о
т
с
ш
га га о5о."
^ a jS^ iS^ r_,
и щ с
ко u8S «я £2 51 й8
>>я
09 Ч М с Я Ч « « Ч и К 2 Я a -в.
в
н
о,
Я
£
я
2
в
СО ин 6 е ? о я я к « ь ; qй
s ч Я
Ч
о" о 3 Я 2
о Ч
я NоГs" l i i g j f l t Р-Н
go
<у о.
&я
®у
о счи яя _ о о l яЧl ^
•е- в j г, . «
я
й
м
О.Я
с - fй
н
о
се сп О
01
Si'g'
щ
,
Я
О
§
S
?
Я
со as
Я И
3 яК
я оя
а.
S
^
ч
а
„
0
J
t r ™ О) га s S
СЗ» f j
пВ о
ш
о.оЯ ЯшЯк оо g о» Щ
S
•
о
-.
tr
о
5
в-8
л Й *& я У се ^ я
н
cJ „к *<„ Sа„
5 St.
~ &L2 а о С
5_ 6б-- 5 аЛ*
О-е СО
'
•
й.
в
.
я
я
s
s ка «я
cr вa, * яа И Q.aH S £ • КО2кС яЯ К
о н
я
fc '1 Я- ЯЯ
>
со
~ <U
о е.
я - 5 S в§>
О о п'ше? я с^-га
о
« я Я t, Я u5i Я* о Sи
5 И
ч g
о« « й ч
_ оси©з2£ яо ям
S
aCL,
сe « ¥ о я мчео-Si.®
o o a s > i o i s a s a s « s Сга
j*> Q,
О ЯЮ о « я о
О.ихвисжви'&хндиехцд
g5 Uи Aщ
Я=
О .я я
II
s ^
E лС « я о
—я S «
о 4S =с«
§ я4
щ
Я О a ® СЬ Я
Iе а ? и в
§Й
' 1II1 2S чS ^ S »P ЁГк
f
3
S
а- >, s о- о
о
о я S я м чя 0J
В =п
н
м
«ЯЮ
ЧЙ^
я >>я о е. оi S51xаa „
°
%§
лЭ оО «Si-«- >«щ»аЯ «Ч 8 a , S
ч т я а>о g « а>а. н;
ЙЯ «W 2e Ч!
се
D O к o„Ояa- П.
j iКj S « а
чs &
о
о2 Чу-' а ш
Si
я
ucji-s
03 S 3CJ ч се
к > . а . яо . к5 я
= я• >я
оя ям. gS
5я о 5
5 яял »>,s
е- 5 ч Я. я
хо
v
Ч . (1) Я яжЯ *fр г)
g-O-я
.о 5
4
8 s i 1 i f S A _B О
*)
1 ga caq 2§ -« Я Я
w
a. я
*в Р S Я «•—» и*
МО)
ш о) о я 3 S
Йя
«I
» §-§<щ
оа я о« а.
се щво « Д уы си я g » Я
Й
о tr о о = CJ -в" Я
- Si о
Ч
о-- ч
в
1 s^ яs: «Гя
(- * иё
в- Яу S
г;
VI и
i
.
в
о JJJ-S-C0
он
н я S
z я o,g-e-a,ra
я
"
в
о.
^Г
я т п
£
о . Я н Й с е <аи. оч)'Н"
aj
^°| D,
о
=я
2
си S"я"
ч •в.
ои п я0)
о о
я « оСи
<
и -я
ш
'5ю—
?я я§ яя
к
«ч Ч ЗЙ
« Я
Й г;
«
Я
Я
1 Я
в ех
а- к и
о я я
Е-* ш ^
20
Заказ № 33
/п
а= эа га
а чо о у о,
р. « яв
в
еб ч о ее
ё
о-т
н
ш
S
g £ - «® ш
щ С?в я Ч
£Я
.«
Я о.
si
(В
ш
» О
Я
рр* н" в« .«Я w
^ я
5
^
о
я
х
£Г У я о Ои яя кЯ П
5-ец а
ч
S ^
>3 и
« ^ S h о
Я
оS о 8 о fП а . s
s
В"
сега
trf
>я яо =*>Я я а =я о.
я
Э
щ х я.
я
fь
5
з S
я Яя я о S
S
о
—
tо<и
5 ш
1
S
S 1
5 в в •?з Й 2
оя ^ »я5 О
>.
а ti Я
S
сяо Я
g
S
Я
Я
н
~
«
о
га <и о
я®
и я-^
Я CL"^ яВ" -в* , оЧ » . М
л 3 не л
О н Nri — ¥ о я я И
о /\
я « &
2
ш
а. сия
5о «о
гаv
aj о сйяЛ—
'
'К Я
у га
33
S . ч
га S Swо
s
а-ее sошiS=-9'
S
л
Ь6 Яга
н в
И я И ин
о
Я
™
К -яЯЯЬЯо
oJ>. Л
... яч оУ он
5 C
L о
о*
я s Ч
S я«
tr я х ев га л
aj со ч Ч
ч 1яЧ оящ Ич
о1—
О «• 4) «
яр. 3 я я
га я я я
оЕЙ О') яч но
Sf оч >,«
s- s
га
н
о оос В.О £
'Я О.
Й яв- чо
£ - « г са
о;
к ио .
JJ в 1) Н D.
" fнЯ
»и
»схо6;, н41
Н
ою
305
б) на t-\-At — изменение концентрации примеси за счет адвекции и взаимной адаптации.
А в качестве конечно-разностного аналога расщепленного уравнения (2.29) принимается сумма двух конечно-разностных уравнений:
Cy + ; , / l А ' = С'/ + vCLAt(Axx
+ (1 + е и ) Ы С 1 Г д < ] -
+ Ауу) СЬ, •
Г
/ (2.33)
[(1 - е 0 ) Д + с £ ' +
-t-d+sjA-C^'^l-pC^'^4.
;'.';•'
(2.34)
2.4. Моделирование переноса загрязнений в океане
Изучение процесса формирования поля загрязнений в океане
представляет собой наиболее сложную задачу, поскольку требуется определить процессы распространения и рассеяния .примеси,
принадлежащие к типу мезомасштабных и крупномасштабных
процессов. Поля течений в глубоком море обусловливаются не
только ветровыми условиями, но и термохалинными процессами,
приводящими к неоднородной структуре вод, с учетом морфометрических особенностей океана и моря и условиями на их границах.
В океане и глубоком море важную роль приобретают процессы
вертикальной адвекции и вертикальной турбулентной диффузии.
С учетом сказанного, основное уравнение переноса (2.1) не Допускает упрощений и необходимо решать полную краевую задачу
(2-1) — (2.11).
г
Ограничения Куранта—Леви (2.32), накладываемые в явных
схемах на шаг по времени, часто при их реализации бывают обременительными. Поэтому все более употребительными становятся
неявные конечно-разностные схемы, обладающие
безусловной
устойчивостью и свободные от этих ограничений. В качестве примера приведем неявную схему решения трехмерного адвективнодиффузионного уравнения, использующую эффективный метод чередующихся направлений. Отметим, что этот метод является двухшаговым и записывается в виде
-JJ- (сц — C\j) + (Ai А°х — vCL Ахх) сц +
+ (Bi А° - vCL Ауу) С\, + (Di А° - v c Azz) С\, = 0,
~
(С\Г' - Ctl) + (А3 А* - vCL Ахх) Сц + (В2 А°у - vCL Ауу) С\,+1
+ (£>2 А' - vc Azz) С*ц+1 = —pClf
306:
(2.35)
\
+
(2.36)
где Д°, А°у, Д°—центральные разности по х, у и г соответственно; Ль Л2, В\, В2, D\, D2— аппроксимация составляющих течений и, v и до; Ci, — корректор-предиктор. Значение предиктора
можно рассматривать как аппроксимацию точного решения в момент времени t+\/2M,
если AiA2, Ви В2, D\ и D2— являются
аппроксимациями и, v и w в соответствующие моменты времени:
2W
Рис. 2.7. Распространение пассивйой примеси от береговых источников сброса
и картина тёчений весной в Черном море на глубине 10 М;
Неявная конечно-разностная схема (2.35)—(2.36) имеет второй порядок точности по времени и пространству. •
В качестве примера численной реализации трехмерной задачи
на рис. 2.7 приведено распределение концентрации загрязнений
в Черном море для средних для весны условий, когда над морем
преобладает антициклон, а в море поверхностная циркуляция вод
проявляется в виде: взаимосвязанных друг с другом круговоротов
разной завихренности. -Источники
загрязнений, , расположены
в прибрежной полосе в верхнем слое с концентрацией в условных
единицах, сток примеси из Босфорского пролива задан на глубине
50 м. Примесь распространяется, как: видно из рис. 2.7, на достаточно; большие расстояния и постепенно образует общий фон загрязнения моря. За счет, адвекции и диффузии вод происходит
20*
307
«растаскивание» примеси по акватории моря, загрязненной оказывается зона 150—300 км. Скорость переноса и рассеяния примеси составляет примерно 15—20 см/с.
2.5. Влияние циркуляции вод,
турбулентной диффузии и граничных условий
на результаты расчета
концентрации загрязняющих веществ
В предыдущих параграфах уже говорилось о влиянии динамических процессов (циркуляции вод и турбулентной диффузии),
а также типа источника на формирование поля концентрации загрязняющих. веществ. Здесь более подробно рассмотрим действие указанных факторов на распространение загрязнений в прибрежной зоне моря. Как было показано, характер загрязнения
прибрежной зоны и поступление загрязняющих веществ в открытое море определяются динамическими процессами, происходящими в сравнительно узкой полосе прибрежных вод. Структура
прибрежных течений достаточно сложна. Она имеет ярко выраженный сгонно-нагонный характер в зависимости от действующих
ветров, а также существенно зависит от орографических характеристик (криволинейность берегового контура, резкий перепад
рельефа дна). Эти факторы приводят к появлению в прибрежной
зоне локальных круговоротов вод. Например, как показано на
рис. 2.8, при сгонных и нагонных ветрах формируется поперечная
циркуляция, состоящая из двух круговоротов противоположной
завихренности. При сгонных ветрах в верхнем 4-метровом слое
течение направлено по ветру, глубже течение направлено к берегу, а с глубины 18—20 м вновь имеет место движение от берега (см. рис. 2.8 а). При нагонных ветрах картина течений противоположная (см. рис. 28 б).
Естественно, что и картины распределения концентрации загрязняющих веществ будут существенно меняться. Направляя
ось Оу вдоль берега, ось Ох перпендикулярно к нему, ось 0z вертикально вниз, предполагая, что все характеристики процессов
не зависят от вдольбереговой координаты у, основное уравнение
диффузии примеси (2.1) с учетом ее свойств консервативности и
динамической пассивности запишем в виде
дС
.
дС
,
дС
„
д2С
. „
д*С
,п
Отметим, что, в отличие от аналогичной задачи, рассмотренной в п. 2.2, здесь в анализ вводится вертикальная структура циркуляции вод и турбулентной диффузии. Решение уравнения (2.37)
с граничными условиями (2.5), (2.8) будем искать численно методом расщепления. На каждом временном шаге At рассмотрим
две самостоятельные физические задачи:
а) на t + 1 / 2 ^ t — изменение поля концентрации примеси за счет
адвективного переноса и турбулентной диффузии вдоль оси Ох;
308:
б) на / -f- At влияние процессов вертикальной адвекции и вертикальной турбулентной диффузии на изменение концентрации
примеси.
4
5 5
15
~т г
25
35
Ю
45
5 5
15
25
35
45хкм
-20-10-
10
10
-30-
\
20
-20-
j
30
-0-
С г ~
20 Г . _ _
—
30l
^
—
j
-10-
40
2М
40
6)
5 5
10
15
Z
25
35 х км
J
-20-10- 0 -
20 L
Г
*
]
30
J
Рис. 2.8. Интегральная циркуляция
вод ( Ю - 2 м 2 /с) при сгонном (а, б)
и нагонном (в) ветрах в прибрежной
зоне моря (Белоусова, Латун, 1975).
40
ZM
В качестве конечно-разностного аналога расщепленного уравнения (2.37) примем сумму двух конечно-разностных уравнений
C
t+М
+ (1+е«)ДГС(/],
+ '/гД* .
^ t + i/jAf
А , .
(2.38)
пf
W:: Дt
(2.39)
2
в которых
ДzzCij — д Р " (С и, k+i — 2 Cij, k + Cij, k - 0;
Дг с и =
(Cif,k + i — C ij. fe);
Az Сц =
{Сц, k — Ci!t.k_
i).
2989:
Рассмотрим основные результаты реализации численных алгоритмов (2.38) и (2.39) для различных ветровых условий н а д морем и, следовательно, д л я разных режимов прибрежной циркуляции вод, а т а к ж е д л я различных расположений источника загрязнения.
а)
15
-
25
35
45
О
в)
5 х км
Рис. 2.9. Изменения концентрации загрязняющих веществ во времени при сгонном ветре для поверхностного
(а, б) и глубинного (в, г) источников (Белоусова, Латун, 1975)..
При сгонном ветре структура циркуляции вод соответствует
изображенной на рис. 2.8 а. При сбросе загрязнений в поверхностный слой она достаточно быстро распространяется на большие
расстояния от берега (рис. 2.9) и через 12 ч обнаруживается на
расстоянии 35 км от берега и на глубине 1.6 м. С течением времени
л л о щ а д ь загрязнения увеличивается. Интересные особенности
имеет распределение примеси по вертикали. В верхнем слое (до
12 м) происходит подъем изолиний равной концентрации, а в глубинном слое — их опускание. Это связано с вертикальной структурой циркуляции вод. Апвеллинг, сформированный приповерх•310
ностным круговоротом, обусловливает поднятие изолиний концентрации примеси. Даунвеллинг, сопутствующий глубинному круговороту, вызывает опускание изолиний.
П р и сбросе загрязнений в глубинный слой (источник располож е н на глубине 10 м) примесь не распространяется по горизонтали, а «прижимается» к берегу, о б р а з у я здесь узкую зону интенсивного загрязнения (рис. 2.9) , Распространение примеси в глубину
а) '
о
5 5 15 25
г-т-р г
Oji
I;
• Г\ Г\ 1
35'
В)
5 5
1 Г
15
25
-35 х КМ
Рис. 2.10. Изменения концентраций загрязняющих веществ
во времени при нагонном ветре для поверхностного (а, б) и
глубинного (в, г) источников (Белоусова, Латун, 1975).
происходит достаточно быстро: за 12 ч она проникает до дна. Со
временем концентрация загрязнений в глубинном слое увеличивается.
При нагонном ветре картина циркуляции вод обратна предыдущей и соответствует изображенной на рис. 2.8 б. В случае поверхностного выброса загрязнений течения, направленные к берегу, препятствуют распространению примеси в горизонтальном
направлении: в течение 12 ч примесь у д а л я е т с я от берега на расстояние,; менее 1 км (рис. 2.10). Существенное различие наблюдается и в вертикальном распределении загрязнений: при нагонном
ветре она не проникает г л у б ж е 18 м, а при сгонном ветре — прон и к а е т до дна. Это объясняется тем, что при нагонном режиме
циркуляции глубже 18 м преобладают восходящие движения вод,
препятствующие проникновению загрязнений ко дну. При глубин^
ном выпуске, наоборот, заметные концентрации загрязнений обнаруживаются на большом расстоянии от источника (см. рис. 2.9).
Видно, что через 12 ч на глубине источника примесь подцоверх311:
шостным противотечением относится на расстояение 20 км. Н а
поверхности наблюдаются следы примеси. С течением времени
з а г р я з н е н и е продолжает распространяться преимущественно в промежуточном слое. Восходящие движения препятствуют проникновению загрязнения в придонные слои.
Приведенные примеры показывают большое влияние вертикальшых движений вод на формирование поля загрязнений в узкой
Таблица 2.2
-3
3
Концентрация ( Ю
кг/м ) в центре пятна загрязнений при различных
значениях Kcl и граничных условиях (Филиппов, 1974)
Полное поглощение
Расположение
источника
Частичное
поглощение
Время,
ч
2
2
0 / С С £ = 1 , 5 -10 м /С
Н а берегу
1
6
24
48
90,0
53,0
9,8
1.4
89,0
52,0
9,1
1,3
36,0
4,2
1,2
0,3
97,0
83,0
36,0
8,7
Ш открытом море
1
6
24
48
94,0
71,0
26,0
7,1
88,0=
67,0
51,0
48,0
35,0
8,0
1,7
0,6
83,0
50,0
23,0
10,0
л р и б р е ж н о й полосе моря. З а пределами этой полосы распространение загрязнений определяется процессами горизонтальной адвекц и и и турбулентной диффузии.
И з м е н я я глубину выпуска загрязнений в зависимости от типа
ц и р к у л я ц и и вод, можно получить разные схемы их распространения:
а) перенос примеси поверхностным течением,
б) распространение примеси в слое противотечения,
в) поступление примеси в придонные слои моря.
Кроме рассмотренных факторов на результаты решения уравнения типа (2.37) существенно влияют интенсивность процессов
турбулентной диффузии и форма граничных условий, з а в и с я щ а я
о т расположения источника на берегу или в открытом море.
К а к было показано в п. 2.3, горизонтальная турбулентная диффузия играет значительно меньшую роль в изменении концентрации примеси по сравнению с адвекцией. Вместе с тем, ее «рассеив а ю щ е е » влияние на процесс формирования поля концентрации
загрязняющих веществ существенно и зависит от коэффициентов
•турбулентной диффузии. И з т а б л . 2.2 видно, что при Ксь —
= 1 , 5 - 1 0 2 м 2 / с концентрация загрязнений в центре пятна и его
распространение почти не меняются. Однако при / C c t > 1 0 4 м 2 /с
происходит резкое уменьшение концентрации загрязнений («размывание» п я т н а ) .
312:
2993:
Расположение источника загрязнений предопределяет ф о р м у
граничных условий. В п. 2.1 было показано, что д л я источника, находящегося на берегу или вблизи него, граничные условия н а
контуре включают о т р а ж а ю щ и е или поглощающие свойства грунтов, слагающих берег (уравнения (2.9), (2.10а), (2.106)).
Д л я источника загрязнений, расположенного в открытом море,
принимаются, кроме того, требования убывания концентрации примеси до нуля по мере у д а л е н и я от источника (уравнение (2.10в)).
И з табл. 2.2 видно, что в случае расположения источника
вблизи берега влияние граничных условий на формирование концентрации загрязнений велико. В случае полного поглощения
распространение и рассеяние загрязнений происходит быстро. При=
частичном поглощении этот процесс происходит более медленно,
но п л о щ а д ь загрязнений оказывается большой. Если источник
загрязнений расположен в открытом море, то вид граничных условий не влияет на формирование поля концентрации загрязнений^
В этом случае более существенной оказывается роль горизонтальной турбулентной диффузии.
2.6. Результаты экспериментального изучения
процессов диффузии примеси в океане
Процессы распространения примеси можно изучать не только:
с помощью гидродинамических моделей, но и на основе специальных опытов, проводимых в реальных морских условиях. В ходеэкспериментального изучения диффузии проводятся наблюденияза распределением искусственно вносимого в море вещества и л и
индикатора. Р а з л и ч а ю т дискретные индикаторы (поплавки, листки;
бумаги и т. д.) и непрерывно
распределенные
вещества (флуоресцирующие красители, радиоактивные изотопы и д р . ) . Д и с к р е т н ы е
индикаторы удобны д л я исследования закономерностей горизонтальной диффузии в поверхностном слое моря. Д л я изучения трехмерной турбулентной диффузии более пригодны непрерывные и н д и каторы. Основными требованиями, предъявляемыми к индикаторам, являются их безвредность, дешевизна и возможность обнаруж и в а т ь малые концентрации сравнительно простой аппаратурой..
Этим требованиям отвечают флуоресцирующие красители (родамин, флуоресцеин), низкую концентрацию которых в морской водеможно обнаружить специальным оптическим прибором — флуориметром.
С помощью натурных экспериментов с красителями, выполненных к настоящему времени в различных районах Мирового океана,,
получен достаточно широкий комплекс характеристик диффузии
примеси, позволяющий выявить закономерности этого процесса
в реальных условиях, а т а к ж е подтвердить положения теории.
Интересной особенностью турбулентной диффузии примеси является вытягивание пятна примеси со временем. Последовательные
три съемки пятен родамина, выполненные в Черном море, показали, что вытягивание пятен происходит не только вдоль направ-
Р и с . 2.11. П р и м е р р а с п р е д е л е н и я к о н ц е н т р а ц и и п р и м е с и ( Ю - 6 кг/м3) в д и ф ф у н д и р у ю щ е м пятне красителя в Черном море (Озмидов, 1986).
И н т е р в а л ы в р е м е н и м е ж д у п о с л е д о в а т е л ь н ы м и п о л о ж е н и я м и п я т н а ( а , б, а ) с о с т а в л я ю т о к о л о 2 и 3,5 ч . К о р о т к и е с т р е л к и п о к а з ы в а ю т н а п р а в л е н и е в е т р а , д л и н н ы е
стрелки с римскими цифрами — направление
измерительных
г а л с о в и их
номера
в каждой съемке.
ления течения, но и под некоторым углом к нему (рис. 2.11). П о
истечении 2 ч пятно родамина имело длину 750 м и ширину 160 м;.
через 4 ч — 1650 и 300 м соответственно. А через 8 ч длина пятнапримеси достигала 2200 м при ширине 400 м. Угол наклона продольной оси пятна к оси ОХ, направленной вдоль п а р а л л е л и , также,
менялся со временем. Этот угол о к а з а л с я равным 48° д л я первой
съемки и близким к нулю — д л я двух последующих съемок. Д л я
Рис. 2.12. Осредненные профили концентрации красителя в поперечном сечении струи (ломаные линии) и
теоретические кривые на разных расстояниях от источника 100 м (а), 250 м (б), 300 м (в) в Черном море
(Озмидов, 1986).
объяснения этого факта необходимо учесть совместное влияние
5ертикальной турбулентной диффузии и неоднородность структуры
ю л я течений. Оказалось, что в первый период основным фактором,
шределяющим форму пятна, был вертикальный градиент скорости.
1о достижении пятном типичных размеров горизонтальных неодюродностей поля скорости доминирующим стало влияние этих
шоднородностей, что и привело к повороту оси пятна.
Осредненные поперечные профили распределения
родамина
его струях на разных расстояниях от источника о к а з ы в а ю т с я
.остаточно близкими к гауссовым кривым (рис. 2.12). Это свидеельствует о возможности описания таких распределений уравнен и и турбулентной диффузии с постоянными коэффициентами
к а к было показано в п. 2.2).
Распределение концентрации красителя в самом пятне имеет
олее сложный вид, и при р а з м е р е пятен в сотни метров — кило315:
метры такие распределения не аппроксимируются гауссовыми кривыми. Н а рис. 2.13 приведен сводный график зависимости дисперсии концентрации пятен и струй красителя, по д а н н ы м Окубо. Рисунок ярко свидетельствует о выполнимости кубического закона
у б ы в а н и я дисперсии со временем, ас (t) ~ t~3. Однако по данным
•2 i,г-,/'
<5
10~*м'
юп Г
Рис. 2.13. Сводный график зависимости дисперсий пятен и струй примеси от времени
(Озмидов, 1986).
других экспериментов (табл. 2.3), показатель степени меняется 5
.достаточно широко: от 1,86 до 3,0. Отмечается т а к ж е выполнимость
и квадратичного закона убывания дисперсии концентрации красителя в пятне. Все это свидетельствует о многообразии режимов 1
процесса турбулентной примеси в море и океане. Оказывается, что
кубический закон более типичен для анизотропных форм пятен'
примеси, а квадратичный — д л я радиально-симметричных форм.
Коэффициенты турбулентной диффузии, определенные на основании экспериментов с красителями, достаточно хорошо описываются законом «четырех третей», характерного д л я инерционного!
316:
интервала турбулентности. Н а рис. 2.14 видно, что коэффициенты турбулентной диффузии увеличиваются с ростом масштабов
процесса
диффузии
по К с ь = П1£,/з№ но с разными коэффициентами пропорциональности е на к а ж д о м из участков м а с ш т а б а L
из-за «добавок» энергии в трех основных энергоснабжающих инТаблица 2,3
Вид зависимостей для дисперсий красителя в пятне и коэффициентов
турбулентной диффузии (Зац, Немировский, 1979 г.)
KL
ог
Район
Центральная
акватория Южной
Атлантики
Д а т а эксперимента,
1973 г.
21
дисперсия
2
II
22
III
коэффициент
значение
1,86
Кг С
0,95
2,60
Кхс
1,30
2,00
Ксг
1,25
2,20
К
Сх
1,00
3,00
К
1,34
С ху
<4
<*
Су
3,00
Шельфовая зона
Черного моря
23
VII
Lm
значение
°Сг
а
~
1,37
0,70
2,15
К
1,75
К
Сх
1,07
К
0,65
Сг
Су
Примечание.
Обозначения индексов: г, С — радиально-симметричная
диффузия, х, у — диффузия в направлении оси х и оси у соответственно.
т е р в а л а х спектра. В интервалах ж е энергетических «провалов»
рост коэффициентов турбулентной диффузии с увеличением масш т а б а может либо совсем отсутствовать, либо быть менее интенсивным, чем это следует из з а к о н а «четырех третей».
Спектральные плотности пульсаций концентрации красителя,
построенные по д а н н ы м измерений в прибрежной зоне Балтийского моря (рис. 2.15), т а к ж е обнаруживают, что при больших
значениях пространственного волнового числа k спектр следует
закону «минус пяти третей». При уменьшении k тангенс угла наклона спектра
несколько увеличивается, п р и б л и ж а я с ь к — 1 1 / 5
(почти д в у м ) . Это может быть объяснено особенностями р е ж и м а
турбулентности в прибрежной зоне моря. Снабжение энергией
турбулентности здесь может осуществляться по всему рассматриваемому интервалу масштабов движений.
317:
KCL тг/с
Рис. 2.14. Зависимость коэффициента горизонтальной
турбулентной диффузии Ксь от масштаба явления L,
по сводным данным опытов с диффузией пятен красителя в океане (Окубо и Озмидов, 1986).
•Ес
квг/сме
Рис. 2.15. Пример пространственной спектральной плотности пульсаций концентрации красителя, по данным
опыта с непрерывным точечным источником в Балтийском море (Брозин, Кремзер, Муравьева, 1977).
ГЛАВА 3. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
ЗАГРЯЗНЕННОСТИ ВОД МИРОВОГО ОКЕАНА
j
Многочисленные исследования, выполненные в океане советскими и зарубежными экспедициями, позволили к настоящему времени сформулировать ряд общих выводов о состоянии химического
загрязнения вод Мирового океана (Симонов, 1983, 1985; Израэль,
Цыбань, 1985). Прежде всего установлено, что загрязнение многими компонентами приобретает глобальный характер. Практически все загрязняющие вещества в малых или значительных концентрациях, в тех или иных формах обнаруживаются в любом
районе океана. Выявлена роль основных циркуляционных систем
и относительно застойных зон в перераспределении и накоплении
загрязняющих веществ. Так, воды Гольфстрима и Северо-Атлантического течения, интенсивно загрязняясь у берегов Северной
Америки и Европы, «разгружаются» в Саргассовом, Норвежском
и Баренцевом морях, которые вместе с Арктическим
районом
становятся аккумуляторами вредных веществ. Океанические вихри
циклонического и антициклонического характера, вертикальные
движения вод в дивергенциях, конвергенциях и апвеллингах создают значительные неоднородности в пространственном распределении загрязняющих веществ.
3.1. Нефтяные углеводороды
Поля загрязнения нефтяными углеводородами
формируются
в шельфовых водах, в районах перевозок нефти и интенсивного
судоходства, охватывают обширные акватории океанов.
Наблюдения за поверхностным загрязнением (рис. 3.1) позволяют выявить устойчивые очаги загрязнения. В Атлантическом
океане наиболее часто нефтяные пленки встречаются между 10 и
50° с. ш. В некоторых зонах шельфовых вод частота обнаружения
пленок превышает 1 0 % , выше 1 5 % — в районах африканского
побережья и Карибского бассейна.
По степени покрытия пленками (табл. 3.1) наиболее загрязнены
северная тропическая, центральная субтропическая и канарская
водные массы.
В Тихом океане наибольшая частота обнаружения пленок
(40 % и более) зафиксирована на судовых трассах и на путях пе^
ревозки нефти с Ближнего востока и из Индонезии к Японии,
в удаленных районах она уменьшается до 20 % и менее. Средняя
степень покрытия нефтяными пленками составляет д л я Куросио
13 %, для Японского моря 6 %, для Южно-Китайского моря 21 %.
В Индийском океане нефтяными пленками постоянно покрыты
значительные акватории Красного моря, Аденского и Персидского
заливов.
Нефтяные комочки (агрегаты) обнаруживаются во всех райо-;
нах прямого загрязнения и в открытых районах океанов (рис. 3.2)
320:
Пространственное перераспределение нефтяных агрегатов осуществляется поверхностными течениями в системе циркуляции вод.
В водах Канарского течения концентрация комочков достигает
' . Р и с . 3.1. Р а с п р е д е л е н и е н е ф т я н ы х п л е н о к н а п о в е р х н о с т и М и р о в о г о о к е а н а
м а т е р и а л а м О Г С О О , 1980).
(по
2,5—60,7 мг/м 2 при среднегодовом значении 0,74 мг/м 2 . Отсюда
Северно-Пассатным течением они выносятся на з а п а д и накапливаются в Саргассовом море (до 96 мг/м 2 ). Д а л е е Северо-АтлантиТ а б л и д а 3.1
Степень покрытия ( S 0 ) н е ф т я н ы м и пленками о т д е л ь н ы х р а й о н о в
Северной Атлантики в 1 9 8 1 — 1 9 8 2 гг. ( С и м о н о в , 1984)
Район
S„ = (Si/S 3 )-100 %
Число наблюдений
0,02
0,22
2,21
2,65
5,85
0,01
132
1 900
2 001
1 828
178
209
1,82
6 249
Гольфстрим
Северо-восточный
Канарский
Центральный субтропический
Тропический
Экваториальный
В
среднем
по
Северной
Примечание.
ж в а т о р и и , км2.
Атлантике
Si — п л о щ а д ь
пятна,
2
км ,
S2 — п л о щ а д ь
исследованной
1еским течением они транспортируются в Норвежское и Баренцево
моря, где т а к ж е накапливаются (до 6,8 мг/м 2 .). Субполярный
})ронт является устойчивым барьером д л я проникновения нефтяш х агрегатов в Гренландское море и з а п а д н у ю часть Н о р в е ж 20
З а к а з № 33
321
ского. Здесь так ж е к а к в Экваториальной и Ю ж н о й Атлантике, их
содержание уменьшается до 0,01 мг/м 2 . Высокие концентрации
нефтяных агрегатов (до 100 мг/м 2 ) нередко наблюдаются к югу
от Японии, между Гавайскими островами и районом Сан-Франциско.
Расчеты по данным наблюдений позволили определить общую
массу комочков в Северной Атлантике: 1977 г. — 13 860 т, 1978 г. —
Рис. 3.2. Концентрация нефтяных агрегатов на поверхности Мирового океана
(по материалам ОГСОО, 1980).
1) м е н е е 1 мг/м 2 , 2) 1—10 мг/м 2 , 3) 10—100 мг/м 2 .
16 240 т, 1979 г. — 17 530 т. Анализ временной изменчивости содерж а н и я нефтяных агрегатов в различных зонах Северной Атлантики привел к заключению о том, что максимальное загрязнение
этими веществами приходится на 1980 г. В дальнейшем наметились тенденции к его снижению. Период существования нефтяных
комочков на Поверхности океана оценивается в один год (Михайлов, 1986).
Распределение
концентраций
растворенно-эмульгированных
нефтяных углеводородов в океане носит очаговый неустойчивый
характер, о б н а р у ж и в а я явную связь с источниками загрязнения
и процессами циркуляции вод. В Северном, Средиземном и Красном морях, Персидском, Оманском и Аденском з а л и в а х их максимальные концентрации составляют более 0,05 мг/л, в отдельных
случаях превышают 0,30 мг/л, а иногда достигают 1,00 мг/л. В поверхностных водах Северной Атлантики содержание нефтяных
углеводородов меняется от 0 до 0,6 мг/л (табл. 3.2). Основное загрязнение вод Северной Атлантики ограничено преимущественно!
районом антициклонического круговорота между 20 и 40° с. ш. 3aj
его пределами концентрация нефтяных углеводородов в воде
обычно минимальна. В ряде случаев процесс их накопления отме-:
322:
чается на периферии течений и во фронтальных зонах. Так,
в стрежне Гольфстрима их концентрация составляет 0,01 мг/л,
тогда к а к на периферии потока возрастает в 2—3 р а з а .
Влияние гидродинамических факторов на распределение загрязняющих веществ можно проследить на примере Ньюфаундлендской энергоактивной зоны (43°50'—46°50' с. ш„ 38°20'—50°20'з. д.).
В течение 1984—1985 гг. здесь исследовался режим нефтяных ароТа блица
3.2
Содержание растворенно-эмулъгированных нефтяных углеводородов
в поверхностных водах Северной Атлантики в 1976—1979 гг.
(Кириллова, 1985)
Район
Присредиземноморский
Северо-восточный
Субарктический
Субтропический
Концентрация, м г / л
Год
0—0,40
0—0,60
0—0,16
0—0,40
0—0,06
0—0,04
0—0,19
1978
1976
1976
1979
1977
1977
1977
'матических углеводородов — наиболее растворимой и стабильной
составляющей нефтяного загрязнения (Орлова, Охотниченко, 1988),
В поверхностной воде зоны их концентрация составляла 0,06—
0,37 мкг/л.
В зоне выделяются ю ж н а я граница Л а б р а д о р с к о г о течения,
течение склоновых вод, Северо-Атлантическое течение,
южные
ветви Гольфстрима и квазистационарный
антициклонический
вихрь над центром Ньюфаундлендской котловины. Стадии развитого вихря зимой соответствует более высокий уровень загрязнения вод ароматическими углеводородами, максимальное содержание которых отмечено в зоне субполярного фронта, в области квазистационарного антициклонического вихря и в отдельных потоках
Северо-Атлантического течения. Летом сохраняется аналогичная
ситуация. Период слаборазвитого вихря весной характеризуется
более низкой концентрацией ароматических углеводородов и относительно равномерным их пространственным распределением. Таким образом, по степени развития вихря можно прогнозировать
загрязнение поверхностных вод.
Средняя концентрация нефтяных углеводородов в верхнем слое
:еверо-заПадной части Тихого океана (табл. 3.3) в целом близка
£ фоновому уровню нефтяного загрязнения вод Мирового океана
1 составляет 0—30 мкг/л. Однако в районах основных судоходных
-расс (течения Куросио и Ойясио, Южно-Китайское море) уровень
••агрязнения несколько повышен и может превышать
ПДК
(50 м к г / л ) .
20*
323
Вертикальное распределение нефтяных углеводородов в океане
характеризуется максимумом концентраций в верхнем квазиоднородном слое и быстрым уменьшением с глубиной (см. табл. 3.7).
Глубже 500 м растворенно-эмульгированные нефтяные углеводороды, как правило, не обнаруживаются.
Таблица
Средняя концентрация нефтяных углеводородов в поверхностных
северо-западной части Тихого океана (Ткалин, 1986)
Акватория
3.3
водах
Число
наблюдений
Средняя
концентрация,
мкг/л
Среднеквадратичное о т к л о н е ние, м к г / л
89
143
18
431
268
72
25
17
20
34
28
29
34
18
12
44
33
31
Южно-Китайское море
Филиппинское море
Восточно-Китайское море
Район Куросио
Японское море
Район Ойясио
3.2. Хлорорганические пестициды
В водах океана идентифицированы Д Д Т , его метаболиты Д Д Е
и Д Д Д , 7-ГХЦГ и ПХБ. Распределение хлорорганических пестицидов (ХОП) в океане неравномерно. Отмечается чередование зон
повышенных, низких и нулевых концентраций. Локальные участки
присутствия ХОП обнаруживаются не только в зонах, подверженТаблица
3.4
Средние концентрации хлорорганических пестицидов и диапазон
изменчивости (дан в скобках) (нг/л) в поверхностном слое вод
Северной Атлантики (Орлова, 1985)
Год
ддт
ДДЕ+ДДД
7-ГХЦГ
1977
1978
1979
1980
1,2(0—19,2)
0,8(0—42,4)
0,9(0—2410)
0,8(0—17,6)
0,6(0—3,8)
0,2(0—3,6)
0,6(0—6,1)
0,3(0—1,8)
0,5(0—2,8)
0,3(0—5,2)
0,2(0—4,2)
0,1(0-4,9)
1
1
[
ных загрязнению, но и в открытых районах океана, что является
следствием атмосферного переноса и динамического рассеяния
Поэтому концентрация ХОП в поверхностном слое океана довольно сильно изменяется как в пространстве, т а к и во времена
(табл. 3.4, 3.5).
Как и в случае с нефтепродуктами, процесс накопления ХОГ
отмечается на периферии водных потоков и во фронтальных зо
нах. Так, в 1977 г. на периферии северной ветви Северо-Атлантиче
324:
ского течения содержание Д Д Т было в три р а з а больше, чем
в стрежне течения. Отношение Д Д Т / м е т а б о л и т , которое может
служить показателем процессов накопления и деструкции ХОП,
максимально в средиземноморском и субтропическом районах
(2,3 и 5,0) что можно объяснить преобладанием процесса накопления над процессом деградации Д Д Т . Минимальные значения этого
Таблица 3.5
Концентрация хлорорганических пестицидов й нефтяных ароматических
углеводородов (АУВ) в отдельных районах Северной Атлантики
(поверхностный слой, 1983—1984 гг.) (Орлова, 1986)
Район наблюдений
Канарский
Гольфстрим
Норвежская ЭАЗО
С т а н ц и я «С»
ДДТ + ДДЕ + ДДД
0,80+0,19
0,48+0,19
0,48+0,12
0,35+0,06
нг/л
ПХБ нг/л
АУВ м к г / л
5,08+1,20
5,04+1,15
1,66+0,42
1,42+0,37
0,44+0,09
0,35+0,05
0,30+0,05
0,26+0,04
отношения (0,8—1,3) в тропической зоне Атлантики обусловлены
большей интенсивностью распада Д Д Т при удалении от источников загрязнения.
Н а акватории Норвежской Э А З О летом 1982 г. (Михайлов,
Орлова, Симонов, 1987) минимальное (около 0,2 нг/л) содержание
суммы Д Д Т и его метаболитов наблюдалось в дивергентной зоне
между 43 й 45° с. ш. Повышенные
(до 1,0—1,5 н г / л )
значения
этмечены в районах фронтальной зоны, севернее субполярного
фронта и в центре антицйклонического круговорота. Здесь Д Д Т
тревалирует над его метаболитами. Более чем в 50 % случаев отюшение Д Д Т / ( Д Д Т + Д Д Е ) превышает единицу.
Несмотря на значительное концентрирование в поверхностных
фганических пленках, П М С и живых организмах, ХОП проникают
I в глубины океана. При этом, как правило, содержание их в слое
1—100 м довольно однородно, а на глубине 500 м уменьшается
д в о е (см. табл. 3.7). В глубинных водах наиболее распространен
ИДЕ — основной продукт метаболизма Д Д Т .
3.3. Синтетические поверхностно-активные вещества
Концентрация синтетических поверхностно-активных веществ
С П А В ) в среднем по океану составляет 27—30 мкг/л в поверхостном слое и 8—9 мкг/л на глубине 500 м. В поверхностном
-метровом слое Северной Атлантики концентрация, равная 30—
0 мкг/л, н а б л ю д а л а с ь с повторяемостью около 70 %.
Пространственное распределение С П А В характеризуется локаизацией полей загрязнения (более 100 мкг/л) в шельфовых зонах
Неверной Америки, З а п а д н о й Европы и Африки. В открытом
океане их содержание снижается до 20—30 мкг/л и отличается
неравномерностью распределения по акватории.
Физико-химические свойства С П А В обусловливают их тяготение к поверхностному микрослою, однако заметная растворимость
и вертикальные движения вод позволяют им проникать и в глуТаблица 3.6
Средняя концентрация детергентов (мкг/л) в водах Северной Атлантики
(в скобках дан диапазон изменчивости) (Михайлов, 1985)
Горизонт, м
1976-1977 гг.
1978 г.
1979 г.
0
10
50
100
500
28 (0—190)
22(0—128)
16(0—107)
11 ( 0 — 1 4 2 )
8 (0—58)
30 (0—100)
27 (0—70)
19 ( 0 - 7 6 )
16 ( 0 — 8 5 )
6 (0-54)
27(0—125)
22 (0—72)
23 (0—78)
16 ( 0 — 6 7 )
9 (0—67)
бинные слои. Б л а г о д а р я процессам биодеградации, вертикальное
распределение С П А В имеет четкую направленность к уменьшению
концентраций с глубиной (табл. 3.6 и 3.7). В период 1976—1982 гг.'
верхний предел изменчивости концентраций С П А В по слоям в AT-J
Т а б л и ц а 3.<
Вертикальное распределение средних концентраций нефтяных углеводородов i
(1979 г.), ХОП (1982 г.) и СПАВ (1982 г.) в водах Северной Атлантики
(в скобках дан диапазон изменчивости) (Симонов, 1984, 1985)
I
Горизонт, м
НУ, м г / л
Д Д Т , Д Д Д , Д Д Е , нг/л
СПАВ, м к г / л
0
10
50
100
500
0,02 (0—0,11)
0,02(0—0,12)
0,02(0—0,10)
0,01 (0—0,09)
0,01 (0—0,05)
0,49(0—2,45)
0,48 (0—1,76)
0,31 (0—0,81)
0,38(0—1,11)
0,24(0—0,66)
32(0—112)
27 ( 0 — 7 7 )
17 ( 0 — 6 8 )
10(0—41)
7 (0—28)
1
!
1
i
лантике проявлял тенденцию к уменьшению, то ж е можно отме
тить и д л я средних концентраций на глубинах после 1979 г.
В бассейне Тихого океана наибольшая загрязненность СПА1
наблюдается в Южно-Китайском и Восточно-Китайском морях, гд
средняя концентрация С П А В в отдельные годы превышает 3 0 40 мкг/л. В Японском море — д о 25—35 мкг/л. В районах Куроси,
и Ойясио пространственное распределение СПАВ достаточно однс|
родно, средняя концентрация составляет около 30 мкг/л (табл. 3.8}
Постоянно прослеживается ярко выраженное уменьшение соде]з
ж а н и я С П А В с глубиной и их устойчивое накопление в поверх
ностном микрослое.
326:
Таблица 3.13
Средняя концентрация СПАВ в северо-западной части Тихого океана
(Ткалин, 1986)
Акватория
Куросио и
Горизонт
Средняя концентрация, мкг/л
14
13
94
30
16
пмс
1 м
10 м
Ойясио
Филиппинское
Число наблюдений
25
ПМС
1 м
10 м
море
66
18
6
5
11
5
3.4. Фоновые концентрации загрязняющих
органичеаких веществ в водах Северной Атлантики
Фоновые концентрации загрязняющих веществ
изучались
5 точке «С» (52° с. ш., 35° з. д.), наиболее удаленной от главных
источников загрязнения и основных циркуляционных систем. РасТаблица 3.9
Распределение среднегодовых концентраций нефтяных углеводородов (мкг/л)
по глубине в районе точки «С» (Кириллова, 1985)
Глубина, м
1977 г.
1978 г.
1979 г.
1980 г.
Диапазон изменчивости
0
10
50
100
500
24
30
31
22
10
26
30
24
20
17
25
21
30
20
17
19
33
2?
23
9
0—70
0—50
0—30
0—28
0—20
ределение среднегодовых концентраций загрязняющих веществ
э глубинам за период наблюдений 1976—1980 гг. представлены
табл. 3.9—3.12.
Как можно видеть, от поверхности до глубины 500 м концентра1Я нефтяных углеводородов и СПАВ снижается, а хлорорганичеТаблица
З.Ю
Распределение среднегодовых концентраций ХОП (нг/л)
по глубине в районе точки «С» (Орлова, 1985)
j
Глубина, м
ддт
ддд
ДДЕ
V-ГХЦГ
0
10
100
500
0,35
0,50
0,24
0,48
0,16
0,05
0,02
0,11
0,08
0,02
0,06
0,08
0,01
0,01
0,00
0,00
1
327
ских пестицидов за исключением ?-ГХЦГ, близка к постоянной.
Среднегодовые значения фоновых концентраций
загрязняющих
веществ в водной толще практически не меняются год от года, что
свидетельствует об устойчивом уровне загрязнения океана. В то
Таблица
3.1}
Среднегодовые концентрации (в скобках даны доверительные интервалы)
ХОП (нг/л) в поверхностном слое в районе точки «С» (Орлова, 1985)
1979 г.
1980 г.
0,27(0,26+0,014)
0,19(0,19+0,045)
0,09 (0,09+0,032)
0,08 (0,08+0,041)
0,15(0,15+0,035)
0,16 (0,16+0,045)
0,06 (0,06+0,017)
0,03 (0,03+0,019)
ХОП
•
ДДТ
ДДЕ
ДДД
Y-ГХЦГ
ж е время наблюдаемые концентрации и пределы их изменчивости не превышают предельно допустимые значения. Присутствие'
ХОП отмечено и в приводном слое атмосферы над точкой «С». Это1
доказывает их поступление в отдаленные районы океана эоловым
Т а б л и ц а 3.15
Распределение среднегодовых концентраций СПАВ (мкг/л) по глубине
в районе точки «С» (Орлова, 1985)
Глубина, м
1976—1977 г .
1978 г.
1979 г.
1980 г.
Диапазон изменчивости
0
10
50
100
500
30
24
20
15
8
22
26
15
15
11
22
25
19
11
7
35
27
20
И
8
0—87
0—72
0—87
0—49
0-61
путем. Однако в воздухе обнаружен только Д Д Т , тогда как в вод;
найдены и все его метаболиты. Отношение ДДТ/метаболиты сс
с-тавляет 0,92 для 1979 г. и 0,54 для 1980 г.
3.5. Токсичные металлы
Наблюдаемые пределы изменчивости концентраций некоторы
токсичных металлов в воде различных районов океана (табл. 3.13
показывают увеличение их содержания от открытых районов ок(
ана к шельфам и внутренним морям.
Загрязнение морской воды ртутью в основном ограничиваете
прибрежными зонами и шельфами с тяготением к индустриальный
районам. Низкие концентрации растворенной ртути затрудняй
их химико-аналитическое определение, поэтому закономерное!
пространственного распределения и временной изменчивости ко!
центрации ртути в объеме океана еще не установлены.
328:
Таблица 3.13
Концентрация некоторых металлов в водах океана
(Израэль, Цыбань, 1981; Герлах, 1985)
Район
Концентрация, мкг/л
Ртуть
Атлантический океан
Северо-Восточная Атлантика
Северо-Западная Атлантика
Северное море
Балтийское море
0,01—0,15
0,01—0,02
0,01—0,110
0,01—0,07
0,01—0,04
Свинец
Атлантический океан
Северное море
Балтийское море
0,002—0,110
0,02—0,8
0,5—2,0
Кадмий
Северная Атлантика
Ю ж н а я Атлантика
Северное море
Балтийское море
0,04—0,30
0,03—0,17
0,01—0,28
0,005—0,30
Медь
Ю ж н а я Атлантика
Северное море
Балтийское море
0,4—3,8
0,3—4,4
0,5—4,5
Цинк
Ю ж н а я Атлантика
Северо-западная часть Тихого
океана
0,9—5,2
2—18
Элемент
О
!
10
1
20
1
30
1—:
40
1
мк.чтЩ/л
1
Р и с . 3.3. В е р т и к а л ь н о е р а с п р е д е л е н и е к а д м и я , ф о с фатов и нитратов у побережья Калифорнии в апреле
1 9 7 7 г. ( Б р у л а н д и д р . , 1 9 7 9 ) .
329
Поступление свинца с аэрозолями в поверхностные воды Атлантического и Тихого океанов существенно увеличило его концентрацию в слое 0—500 м. В морских прибрежных водах северного
полушария средняя концентрация свинца составляет 0,07 мкг/л,
тогда к а к до использования свинца в качестве антидетонатора
моторного топлива она не превышала 0,01—0,02 мкг/л.
Концентрация кадмия в водах океана колеблется от 0,03 до
0,3 мкг/л при среднем значении 0,15 мкг/л и обнаруживает хорошую корреляционную связь с концентрацией фосфатов и нитратов
(рис. 3.3). Если учесть, что концентрация кадмия в верхнем квазиоднородном слое океана в несколько раз больше его мирового
производства, то на общем фоне не представляется возможным
надежно выявйть антропогенные тенденции изменения концентрации кадмия. Более надежным индикатором уровня загрязнения
морской среды металлами выглядит анализ их накопления в гидробионтах или во взвешенных веществах.
3.6. З а г р я з н е н и е п о в е р х н о с т н о г о м и к р о с л о я о к е а н а
Л о к а л и з а ц и я загрязняющих веществ в поверхностном микрослое (толщиной до 300 мкм) обусловлена физико-химическими и
экологическими особенностями тонкой поверхностной пленки на
Т а б л и ц а 3.14
Распределение некоторых токсичных веществ между поверхностным
микрослоем (60—100 мкм) и морской водой (Патин, 1979)
Средняя концентрация, м к г / л
Токсичное вещество
Анионный детергент
ДДТ+ДДД
ДДЕ
Лин дан
ПХБ
Ртуть
Свинец
Кадмий
Медь
Цинк
Коэффициент
накопления в П М С
ПМС
на г л у б и н е 50 с м
850+75
10+1
85
95+10
86+9
44+8
105+15
2 750+110
2 920+180
120+35
•235+15
1 020+45
0,10+0,02
0,1+0,02
0,07+0,02
0,10+0,02
0,5+0,1
13,5+3,5
0,4+0,1
0,3+0,1
22+4
950
860
630
1 050
550
2200
300
800
470
границе раздела океан—атмосфера, на которой концентрируются
многие природные и привнесенные органические соединения с гидрофобными и поверхностно-активными свойствами. Концентрирующие свойства поверхностного микрослоя ( П М С ) иллюстрируются
данными непосредственных наблюдений в Бискайском заливе
летом 1973 г. (табл. 3.14).
•330
Наблюдения, проведенные Государственным океанографическим институтом в Атлантическом океане в 70-е годы — в период
наиболее интенсивного загрязнения, — позволили получить детальные представления о характере распределения и изменчивости загрязняющих веществ в ПМС. Из табл. 3.15 видно, что диапазон
Таблица 3.15
Характеристики нефтяных углеводородов в ПМС и на горизонте 1 м
в различных районах Северной Атлантики (Симонов, Михайлов, 1979)
Ч и с л о определений
Горизонт
Среднеквадратическое о т к л о нение, м г / л
Средняя концентрация, м г / л
Диапазон концентраций, м г / л
Район Канарского течения, август 1976 г.
ПМС
1 м
I
|
38
38
I
I
1,2—15,0
0,0—0,20
I
I
5,49
0,06
I
|
0,04
0,001
Район Северного Пассатного течения, зима 1975 г.
ПМС
1 м
I
I
121
121
I
I
0,2—2,60
0,0—0,15
I
I
1,40
0,03
0,08
0,001
Северо-восточный район Северной Атлантики, зима 1977 г.
ПМС
1м
99
99
0,20—2,87
0,00—0,05
0,95
0,001
0,06
0,0001
изменений концентрации нефтяных углеводородов в П М С достаточно широк: от десятых долей до 15 мг/л (рыбохозяйственная
П Д К = 0,05 мг/л) при коэффициенте их накопления порядка
47—95. Дальнейшие наблюдения привели к важному выводу
о формах содержания нефтяных углеводородов в ПМС: с удалением от берегов, шельфов и других каналов их поступления в морскую среду происходит снижение суммарной концентрации нефтяных углеводородов в П М С (в среднем с 3,1 мг/л на шельфе до
1,7 мг/л в удалении от берега) с одновременным относительным
возрастанием взвешенной фракции с 17 % на шельфе до 75 %
в открытом море (Симонов, 1979).
Распределение концентраций нефтяных углеводородов на поверхности Северо-Восточной Атлантики (рис. 3.4) наглядно иллюстрирует их накопление в ПМС.
В Тихом океане, где общий уровень нефтяного загрязнения
ниже атлантического, коэффициент накопления нефтяных углеводородов в П М С т а к ж е достигает значительных величин (табл. 3.16).
По данным А. И. Симонова (1983), зная массу нефтяных углеводородов в П М С и приняв скорость притока нефти в океан равной 5,5 млн. т/год, можно рассчитать ориентировочное время пребывания нефтяных углеводородов в этом
слое. Предположительно оно составляет от одного до пяти месяцев, что близко к периоду полураспада растворенной и диспергированной нефти при
331:
температуре поверхностной воды 10—20 °С. Следовательно, при
низких температурах только около половины нефтяных углеводородов, находящихся в ПМС, уходит во взвешенной и растворенной
форме в воду, а легколетучие компоненты — в атмосферу, другая
Р и с . 3.4. Р а с п р е д е л е н и е н е ф т я н ы х у г л е в о д о р о д о в ( м г / л ) в с е в е р о - в о с т о ч н о й
сти А т л а н т и ч е с к о г о о к е а н а в п о в е р х н о с т н о м м и к р о с л о е (а) и в с л о е 0 — 1 м
(Нестерова, Симонов, 1979).
ча(б)
половина деградирует в этом слое. П р и высокой
температуре
воды еще более значительная доля нефтяных углеводородов, за
исключением легколетучих компонентов, может деградировать непосредственно в ПМС. Это положение вполне объясняет уменьТаблица
3.16
Концентрация нефтяных углеводородов в ПМС северо-западной части
Тихого океана (Ткалин, 1986)
Акватория
Южно-Китайское море
Филиппинское море
Японское море
Район Куросио
Число наблюдений
Концентрация,
мкг/л
Средний коэффициент накопления
14
17
18
42
94+80
78+64
121 + 116
253+163
2,6
2,8
4,6
6,3
шение
концентраций нефтяных углеводородов в П М С по мере
удаления от шельфов. Подобное их поведение в П М С позволяет
представить этот слой не только к а к концентратор, но и к а к мощный фильтр, в значительной мере предохраняющий водную толщу
от интенсивного загрязнения.
Повышение концентраций хлорорганических пестицидов на 1—
2 порядка в П М С по сравнению с таковой в подстилающей водной
массе (см. табл. 3.14) обусловлено их преимущественным поступ332:
лением в океан из атмосферы и адсорбцией нефтяными и естественными поверхностными пленками. Подобно нефтяным углеводородам, распределение ХОВ в пространстве т а к ж е неоднородно и
имеет тенденцию к качественным изменениям. Например, концентрация Д Д Т уменьшается по мере удаления от берегов, а его метаболитов ( Д Д Д , Д Д Е и др.) увеличивается в этом ж е направлении. Соотношение между содержаниями Д Д Т и его метаболитов
могут быть использованы для выяснения времени нахождения
Таблица
3.17
Отношение ДДТ/метаболит в ПМС различных районов Северной-Атлантики
(Михайлов, 1985)
»
Район
Год
ДДТ/ДДЕ
ддт/ддд
М е ж д у К а н а р с к и м и о с т р о в а м и и островами Зеленого Мыса
Северо-восточная часть
Р а з р е з п о 30° з. д .
1977
30,7
19,4
1977
1978
1979
1980
1981
4,3
3,1
3,0
2,0
1,5
4,4
3,2
3,3
2,5
1,7
Х О П в океане. Чем больше значение этого отношения, тем более
свежим является загрязнение вод хлорорганическими пестицидами
(табл. 3.17).
Максимальные среднегодовые концентрации Х О П в П М С сдвинуты к шельфовым районам и составляют например, м е ж д у Канарскими островами и островами Зеленого мыса около 220 нг/л
д л я Д Д Т и 13,7 нг/л д л я у-ГХЦГ, а на 36° с. ш. значительно
ниже: Д Д Т — 3 9 , 8 нг/л, Д Д Е — 2 2 , 1 нг/л, Д Д Т — 1 2 , 8 нг/л,
7 - Г Х Ц Г — 6,2 нг/л.
В П М С обнаружена тесная п р я м а я связь между концентрацией хлорорганических пестицидов и нефтяных углеводородов
с коэффициентом корреляции 0,78 dz 0,06.
Исследования показали устойчивый х а р а к т е р
накопления
С П А В в П М С , концентрация которых может достигать 1200 мкг/л,
а коэффициент накопления 80 и более. М е ж д у концентрациями
нефтяных углеводородов ХОП и С П А В в шельфовой зоне Африки
о б н а р у ж е н а тесная связь с коэффициентом множественной корреляции 0,876. С удалением от источников загрязнения значения
этого коэффициента уменьшаются (табл. 3.18).
Накопление т я ж е л ы х металлов в П М С (см. т а б л . 3.14), вероятнее всего, обусловлено возможностью их поступления из атмосферы в составе аэрозолей (ртуть, свинец) и способностью металлов к образованию металлоорганических комплексов, растворимых
в поверхностных органических пленках. Аналогичные закономерности были отмечены и в Тихом океане (табл. 3.19).
333:
Механизм поглощения металлов нефтяными пленками нашел
объяснение в работах Осипова, Ч а р ы к о в а (1985, 1987). Помимо
углеводородов различных классов, в состав нефти входят и многочисленные органические кислоты (жирные, нафтеновые, гуминовые
Таблица
3.18
Корреляционная зависимость между концентрациями нефтяных углеводородов,
ХОП и СПАВ в ПМС Северной Атлантики (Михайлов, 1985)
Коэффициент множественной корреляции
Район
Тропический
северо-восточная часть
у северо-западного побережья Африки
Субтропическая зона
между Канарскими и Багамскими
островами
центральная часть
Т о ч к а О С С А ( 5 2 ° 4 5 ' с. ш „ 3 5 ° 3 0 ' з . д . )
Северо-восточный
0,560
0,876
0,641
0,508
0,502
0,541
и др.), способные образовать труднорастворимые в воде соли с катионами многих металлов. Эти соли хорошо растворяются в малополярных органических растворителях (бензол, изооктан, гексан,
четыреххлористый углерод), содержащихся в нефти и не смешиТаблица
3.19
Концентрация (мкг/л) микроэлементов (в скобках дан предел изменчивости)
в поверхностных водах северо-западной части Тихого океана летом 1980 г.
(Беленький, Головакина, Ткалин, Фельдман, 1985)
Элемент
ПМС
1 м
Fe
Си
Zn
Мп
14(6—47)
0,7(0,3—1,1)
11 ( 6 — 2 2 )
1,0(0,3—6,4)
6 (3—10)
0,3 (0,2—0,6)
8 (2—18)
0,4(0,3—1,2)
П р и м е ч а н и е .
Число проб
18—20.
вающихся с водой. Отсюда можно полагать, что в естественных
условиях контакта нефтяной пленки с морской водой реализуется
экстракционная система, в которой распределяются металлы. Движущей силой экстракции является ионообменный процесс в гетерогенной системе типа M e воды + n H R 0 p r = ( M e R „ ) 0 P r + « Н Е ' 0 д ы ,
состояние равновесия которого характеризуется
коэффициентом
распределения К = Сме(орг)/Сме(водн), где С — концентрация.
Н а основное равновесие накладываются дополнительные процессы сольватации и полимеризации экстрагируемых комплексов
в органической фазе, а т а к ж е гидролиз и образование смешанных
334:
комплексов в водной фазе, что приводит к увеличению коэффициентов распределения. Кроме того, высокая минерализация морской
воды, у с и л и в а ю щ а я эффект «высаливания», и относительно высокие значения рН, которые благоприятствуют образованию солей
органических кислот, способствуют переходу ионов металлов в органическую фазу. По своей способности к переходу в органическую
фазу металлы располагаются в следующий р я д селективности:
Sn4+ > Bi3+ > Fe3+ > Ti3+ > S b 2 + > P b 2 + > G a 3 + > C r 3 +
>In
>Ca
3+
2+
> Cu
>Ba
2+
2+
> Al
> Ni
2+
3+
> Y
> Cs
3+
+
>Ce
>Rb
+
3+
> Ag
>K
+
+
>Cd
>Co
2+
3+
>Zn
>Mn
2+
>
2 +
>
>Na+.
Емкость различных нефтепродуктов по отношению к м е т а л л а м
позволяет оценить максимально возможное содержание металла
Таблица 3.20
Емкость нефтепродуктов (ммоль-экв/л) относительно металлов
(рН = 8,0; 5 = 3 5 «/оо, 20±1 °С) (Осипов, Чарыков, 1987)
Нефтепродукты
Железо
Медь
Свинец
Кадмий
Нефть (печерская)
Дизельное топливо
Дизельное масло
Авиамасло
Искусственная нефть
(смесь изооктана, гексана, декана и бензола)
Время насыщения, мин
ПДК
0,96
0,79
0,59
0,75
0,54
0,23
0,18
0,08
0,10
0,07
0,20
0,19
0,17
0,16
0,10
0,09
0,08
0,08
5
2,7 • Ю-3
45
3,1 • 10"4
30
2,9 • 10~4
25
8,9 • 10"5
в поверхностной пленке. Измеренные значения емкостей ряда нефтепродуктов по отношению к некоторым м е т а л л а м приведены
в табл. 3.20.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что способность
к абсорбции металлов у различных нефтепродуктов убывает в последовательности н а т у р а л ь н а я нефть — дизельное топливо — дизельное масло или авиамасло — искусственная нефть, поскольку
в такой ж е последовательности возрастает степень очистки нефтепродуктов. Экспериментальным путем т а к ж е установлено, что
с возрастанием солености и р Н воды емкость нефтепродуктов относительно металлов значительно увеличивается.
Выводы о накоплении загрязняющих веществ в П М С приводят
к важному заключению о влиянии этого процесса на физические
характеристики поверхности океана (Симонов, Михайлов, Катыхин, 1982): поверхностное н а т я ж е н и е воды в П М С уменьшается
на 19 °/о, динамическая вязкость повышается на 5 — 1 0 % , температура П М С понижается на 0,2—0,6°С и температура з а м е р з а н и я
падает до —5 °С и ниже по сравнению с соответствующими х а р а к теристиками подстилающей воды.
335:
3.7. Канцерогенные вещества
Современными исследованиями показана активная циркуляция
бенз (а)пирена (БП) в морской среде и атмосфере, его накопление
в поверхностном микрослое океана, морской биоте и донных осадках. Б е н з ( а ) п и р е н обнаруживается повсеместно, а его концентрация изменяется в широких пределах.
Изучение распределения ПАУ в воздухе и других природных
средах СССР проводилось в течение 1976—1985 гг. по программе
фонового мониторинга ПАУ (Ф. Я. Ровинский и др., 1988) в приТ а б л и ц а 3.21
Распределение БП в поверхностном слое некоторых районов Мирового океана
в 1983 г. (Аникиев, 1987)
Район наблюдений
Атлантический
океан
Средиземное море
Красное море
Аравийское море
Индийский
океан
(экваториальный
район
Шельф Южно-Китайского моря
Горизонт, см
0,03
15
0,03
15
0,03
15
0,03
15
15
Средняя
концентрация,
нг/л
0,35
0,28
0,41
0,07
0,51
2,05
0,38
0,2
0,62
родных средах районов, удаленных от источников локального загрязнения. Концентрация Б П в поверхностных водах фоновых
районов европейской части СССР составляла 0,3—15,3 нг/л, в почвах 0,1—7,2 нг/г, в воздухе 0,04—3,14 нг/м 3 и в атмосферных осадках 0,4—28 нг/л.
Д л я сравнения, в приводном слое воздуха над океаном концентрация Б П в среднем составляет около 0,01 нг/м 3 , а по мере
приближения к портам она возрастает до нескольких нг/м 3 . У побережья Антарктиды концентрация Б П составляет 2 - Ю - 4 нг/м 3 ,
в экваториальной области Атлантики повышается до 0,1—0,2 нг/м 3 .
По данным наблюдений в 1978—1979 гг. в Северной Атлантике
(Цыбань, Володович, Панов, 1985) минимальная (2—3 нг/л) концентрация Б П найдена в окрестностях станции «С» и восточной
части Гольфстрима. На остальной части акватории севернее
30° с. ш. концентрация, составляла 5—10 нг/л, что близко к фоновой. Несколько меньшее содержание Б П в поверхностной воде
некоторых районов Мирового океана было установлено В. В. Аникиевым, хотя оно бесспорно свидетельствует
о
значительной
степени обогащения ПМС полиароматическими соединениями
(табл. 3.21).
Вертикальное распределение Б П в водной толще Берингова
моря, наиболее чистого района Тихого океана, характеризуется
336:
постепенным
уменьшением
концентраций
от
максимальных
(60 нг/л) в П М С до фоновых (0,2—1,0 нг/л) в глубинных водных
массах (рис. 3.5). Распределение концентрации Б П по акватории
Берингова моря, так ж е к а к и Балтийского, неоднородно, что связ а н о с неравномерностью источников загрязнения, атмосферных
выпадений и биологических факторов. Если концентрация Б П
Р и с . 3.5. В е р т и к а л ь н о е р а с п р е д е л е н и е б е н з ( а ) п и р е н а
д а х Б е р и н г о в а м о р я л е т о м 1 9 8 1 г.
в
во-
в водной т о л щ е Берингова моря наблюдается в пределах 0,2—
34 нг/л, то в более загрязненном Балтийском море она возрастает до 10—150 нг/л ( И з р а э л ь , Ц ы б а н ь , 1981).
Коэффициент накопления Б П в планктоне Берингова моря равен примерно 2900. Это в 5 раз меньше, чем в Средиземном море
(15 000), и в 17 раз меньше, чем в Балтийском море (51 000).
Содержание Б П в донных осадках океана и морей зависит от
местных условий. Так, по данным наблюдений Н И С «Витязь» в начале 70-х годов в Тихом океане содержание Б П в донных осадках
бухты о-ва Манус (северо-восточнее Новой Гвинеи) на глубине
30—50 м составляло около 100 нг/кг. В открытом океане содержание Б П в грунтах на глубине 3000 м повышалось до 180 нг/кг и
на глубине 2300 м до 570 нг/кг ( Ш а б а д , 1973). Эти данные свидетельствуют о возрастании концентраций Б П в донных осадках
по сравнению с фоновой под влиянием вулканогенных и антропогенных факторов. Связь между загрязненностью водной толщи и
грунтов хорошо видна на примере морей. Так, в донных осадках
Берингова моря концентрация 3,4-бензпирена составляет 0,5—
5,1 мкг/кг, а в Балтийском море она увеличивается
до
9,8—
134 мкг/кг.
20
Заказ № 33
337
3.8. Радиоактивное загрязнение океана
З а счет многочисленных ядерных взрывов радиоактивное загрязнение Тихого океана существенно превышает уровень загрязненности Атлантического океана. При атомных испытаниях 1954—
1958 гг. на атоллах Бикини и Эниветок в центральной части Тихого океана возникла пестрая динамическая картина поверхностного и глубинного распределения 9 0 Sr с преимущественным выносом радионуклидов из экваториальных областей в северо-западную
Таблица
Концентрация
90
3.22
Sr в поверхностных водах Атлантического океана
(Громов и др., 1985)
Район
П р и б р е ж н а я зона Северной Америки
Центральная часть Северной Атлантики
Северная и Ю ж н а я Атлантика
Северо-Восточная Атлантика
Год
Концентрация,
мБк/л
1954
1959—1960
1975
1960—1961
1969
1973
1975
3,0—18,5
2,6—3,7
2,6—5,9
1,5—3,0
2,6—3,7
2,2—5,5
3,7—33,3
часть океана, где отмечен широкий диапазон концентраций 9 0 Sr
(0,022—0,115 Б к / л ) . В это время насчитывалось множество случаев вылова сильно з а р а ж е н н о й рыбы в приэкваториальной зоне
северо-западной части Тихого океана и особенно много — в квад р а т е 20—30° с. ш., 120—135° в. д. К осени 1967 г. содержание
90
Sr и 137 Cs в Тихом океане выравнялось и уменьшилось соответственно до 1,2—2,1 и 2,2—20 мБк/л.
В поверхностных водах Индийского океана содержание 9Q Sr
составляет 2,3—8,2 мБк/л, причем здесь не выявляется четкая
зависимость содержания 9 0 Sr от географической широты в пределах области 20° с. ш. — 40° ю. ш., хотя отмечается некоторое повышение активности 9 0 Sr до 5,5—6,8 м Б к / л в Аденском заливе. В Индийском океане содержание радионуклидов в среднем выше, чем
в Атлантическом и Тихом. Это объясняется тропосферным переносом продуктов ядерных взрывов из Тихого океана и поступлением
тихоокеанских вод из экваториальной зоны.
Удельная активность поверхностного слоя Атлантического
океана в 1954 г. на разных участках акватории составляла 3,0—
18,9 мБк/л. Средняя концентрация 9 0 Sr на поверхности океана
с 1954 по 1961 г. оставалась практически постоянной, поскольку
поступление из атмосферы здесь уравновешивалось диффузией
в глубины океана. Пределы изменчивости концентрации 9 0 Sr, наблюдаемые в разных районах Атлантики, показаны в табл. 3.22.;
С ними можно сопоставить среднюю активность природных радио-!
нуклидов в Мировом океане (табл. 3.23).
338:
Значительный в к л а д в радиоактивность вод Северо-Восточной
Атлантики вносят отходы, сбрасываемые Великобританией в Ирландское море, причем поля радиоактивности здесь хорошо коррелируют с полями течений. Так, в 1970 г. содержание 9 0 Sr в Д а т ском проливе менялось в пределах 1,7—11,2 мБк/л, между Гебридскими и Шетландскими островами достигало 12,7 мБк/л, между
Исландией и Гебридскими островами 1,5—6,3 мБк/л, в И р л а н д ском море 16,2 мБк/л, а в экваториальной части Атлантики 0,5—
5,3 мБк/л.
Таблица
3.23
Средняя концентрация и радиоактивность природных радионуклидов в воде
Мирового океана (Перцов, 1978; Вудхед, 1973)
Радионуклид
З
,0
н
Ве
|4С
40К
87
Rb
по- 1 п
138
La
2ioPo
226
Ra
Средняя
концентрация. мг/л
Радиоактивность, мБк/л
5 • 10-,s
1,8
0,05
5,2
11800
137
3,3 • ю-3
7,4 • Ю-4
7,4
3,7
1 • io-'°
3 • 10""
4 , 6 • 10"2
5,6 • Ю-2
2 • 10"s
5,4 • 10""
8 • 10"T
1 • io-'°
Радионуклид
227Th
Ас
228Ra
228Th
230Io
227
23
'Pa
232Th
235JJ
238[J
Средняя
концентрация, мг/л
7. 1 0 "
17
2 - 10-,в
1 • ю-'4
7 • 10"15
5 • lO"'0
5 • Ю"11
1 • Ю-5
2 , 2 • 10~ 5
3 • Ю-3
Радиоактивность, мБк/л
0,81
5 , 5 • 10"4
0,96 •
0,22
0,35
0,085
0,04
1,74
37
По данным наблюдений осенью 1985 г. (Стыро и др., 1988),
в поверхностной воде Балтийского моря концентрации 137 Cs, 90 Sr
и U 4 C e составляли соответственно 10—15, 20—35, 5—20 мБк/л.
В Северном море они возрастали до 300—350 , 60—70 и 70—
80 м Б к / л у северо-восточного побережья Англии. Минимальные
концентрации этих радионуклидов (менее 15, 20 и 10 м Б к / л ) отмечались в центральной части Балтийского моря.
Наблюдения 1975—1976 гг. в Атлантическом океане показали
повышенную концентрацию 90 Sr и 137 Cs на 20° с. ш. (2,0—7,0 и 3,0—
12,0 м Б к / л соответственно) по сравнению с таковой на экваторе и
в южных широтах (менее 3,0 мБк/л^. И з сравнения с ранними
определениями следует, что северная часть Атлантики остается
более загрязненной, чем ю ж н а я , но концентрации радионуклидов
в поверхностном слое открытого океана уменьшились в 2—3 р а з а .
Сбросы радиоактивных отходов заводами по переработке ядерного
топлива обусловили повышение радиоактивности Северного моря
в 1979 г. по сравнению с 1971 г. ( 9 0 Sr до 33,0 м Б к / л и 137 Cs до
280 м Б к / л ) . Из Северного моря в Балтийское поступают воды
с относительно повышенным содержанием 9 0 Sr и I 3 7 Cs. В 1979 г.
концентрации этих нуклидов составляли в южной части Б а л т и к и
соответственно 18,5—28,0 и 16,5—20,0 мБк/л.
20*
339
Океан является основным резервуаром накопления трития, громадное количество которого было выброшено в атмосферу при
ядерных испытаниях. В 1960—1961 гг. концентрация 3 Н в поверхностных водах северной части Тихого океана составляла в среднем 9 Т. Е. (тритиевая единица : 1 атом 3 Н на 108 атомов ' Н ) . Д л я
поверхностного слоя вод Тихого и Атлантического океанов х а р а к терно присутствие максимума 3 Н на средних широтах северного
полушария с заметными широтными градиентами и приближением
к естественному уровню на экваторе. Подобное распределение
обусловлено особенностями атмосферных выпадений. Среднее сод е р ж а н и е 3 Н в поверхностных водах Северной Атлантики уменьшилось с 8,3 в 1969 г. до 4,5 Т. Е. в 1975 г.
Концентрация плутония в поверхностных водах морей и океанов, за исключением районов локальных загрязнений, обычно
менее 37 мкБк/л. Типичная концентрация Ри в морской воде составляет 26 м к Б к / л , что в 30 раз ниже таковой 2 1 0 Ро и более чем на три
порядка ниже концентрации изотопов урана. Вблизи мест удаления радиоактивных отходов, например в северо-восточной части
Ирландского моря (1973-—1974 гг.), концентрация 2 3 9 Ри, возрастала до 37 м к Б к / л , но на расстоянии 75—100 км убывала в 10—•
15 раз. По данным наблюдений 1976—1979 гг., концентрация
изотопов плутония в поверхностных водах северо-западной зоны
Тихого океана меняется в пределах 11,1—22 мкБк/л, в Южном
океане 0,7—11,1 мкБк/л.
Вертикальное распределение радионуклидов в океанах имеет
сложный характер (рис. 3.6). Минимум концентрации 9 0 Sr и Р и
наблюдается в поверхностном слое, максимум — на глубине 100—
700 м, затем концентрация быстро уменьшается до дна. Поверхностный минимум связывают с биогенным захватом и уменьшением атмосферных выпадений в 70-е годы. Промежуточный максимум можно объяснить насыщением радионуклидами подповерхностных вод, которые были на поверхности океана в период максимального загрязнения атмосферы и океана продуктами взрывов
атомных бомб, а т а к ж е выделением нуклидов в раствор при минерализации детрита. Аналогичные закономерности свойственны и
вертикальному распределению 137 Cs. Н а основании изменения
соотношений Pu/ 1 3 7 Cs и P u / 9 0 S r с глубиной установлено, что Р и
оседает быстрее других нуклидов благодаря лучшей сорбируемости на поверхности автохтонных взвесей.
Формы содержания радионуклидов в водных массах океана
имеют много общего с формами их стабильных аналогов. Щелочные и щелочноземельные элементы подвижны и легко образуют
ионные растворы. И з них 137 Cs проявляет слабую способность!
к сорбции взвесями, a 9 0 Sr вместе с Са входит в скелеты и рако-;
вины многих организмов. Д о 60—80 % общего количества 144 Ce,i
91
1, 95 Zr, 95 Nb, 1 4 7 Pm находятся во взвешенной фракции, состоящей!
из коллоидных частиц гидролизованных форм типа М и ( О Н ) т или?
М „ О т ( О Н ) г , а т а к ж е соединений с фосфатными и силикатными!
ионами. Биологически активные индуцированные
радионуклиды!
340:
группы железа ( 55 Fe, 5 4 Mn, 63 Ni, 60 Co, 51 Cr, 6 5 Zn) многократно вовлекаются в пищевые цепи. Д л я них характерны формы различных
гидроксиионов типа М ( О Н ) п + и комплексных соединений с хло«*»Рц/*8г 1<Гг
Ю~г
Р и с . 3.6. С р а в н и т е л ь н о е р а с п р е д е л е н и е 2 3 9 . 2 4 0 P u ( 1 ) , 9 0 S r (2) и и х с о о т н о ш е н и я
(3) в з а в и с и м о с т и от г л у б и н ы в А т л а н т и ч е с к о м (а, б) и Т и х о м (в, г) о к е а н а х
(Громов и др., 1985).
ридными, сульфатными и карбонатными ионами. Значительная
часть радионуклидов существует в форме металлоорганических соединений.
ГЛАВА 4. ПРОЦЕССЫ САМООЧИЩЕНИЯ
МОРСКОЙ СРЕДЫ ОТ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
Под самоочищением понимается совокупность физических, химических, микробиологических и гидробиологических процессов,
)бусловливающих разложение, утилизацию загрязняющих веществ
341:
и ведущих к восстановлению естественных характеристик морских
вод, свойственных их незагрязненному состоянию (Симонов, 1973).
Аналогично, по ГОСТ . 17403—72, «самоочищением» называется
совокупность всех природных процессов в загрязненных водах, направленных на восстановление первоначальных свойств и состава
воды.
С а м о о ч и щ а ю щ а я способность водоемов зависит от целого ряда
факторов, в первую очередь таких, к а к физические, физико-химические, биохимические и биологические. Гидродинамческие факторы, не являясь по существу факторами самоочищения, могут способствовать ускорению или торможению самоочищения.
Главным фактором самоочищения природных вод от комплекса
з а г р я з н я ю щ и х органических веществ выступает прежде всего жизнедеятельность микроорганизмов-деструкторов, способных трансформировать органические вещества и переводить их в минеральное состояние. Некоторое значение в этом плане имеют и физикохимические факторы.
Проблема общего описания и количественной оценки всех факторов самоочищения очень сложна и еще д а л е к а от окончательного
решения.
Здесь рассматриваются механизмы самоочищения воды от отдельных групп органических веществ, когда биохимические воздействия в ы р а ж е н ы наиболее ярко.
4.1. Деградация нефти в море
Фракционирование и суммарное действие различных факторов
после попадания нефти в море показано на рис. 1.2.
В а ж н о е место в процессе разрушения нефтяных сликов принадл е ж и т испарению. Углеводороды с длиной цепочки атомов углерода в молекуле менее Q s (температура кипения до 250 °С) улетучиваются с водной поверхности в течение 10 сут, углеводороды
в диапазоне С15—С25 (250—400 °С) удерживаются намного дольше,
а фракции т я ж е л е е С25 практически не испаряются. В целом одно
испарение может удалить до 50 % углеводородов сырой нефти, до
10 % тяжелой нефти и до 75 % легкой топливной нефти (Миронов, 1985).
Исследования в Каспийском море (Затучная, 1975) показали,
что некоторая часть нефтяных углеводородов может разлагаться
в* процессе физико-химического автокаталитического
окисления,
аппроксимируемого кинетическим уравнением первого порядка.
Процесс предполагает протекание свободнорадикальной цепной
реакции, завершающейся образованием гидроперекисей. Продукты
р а з л о ж е н и я гидроперекисей с л у ж а т инициаторами
дальнейших
окислительных воздействий на углеводороды. Автоокисление нефти
ингибируется белками, фенолами и серосодержащими соединениями. В то ж е время процесс стимулируется металлоорганиче-|
скими соединениями и инициируется фотохимическим действием
342:
солнечной радиации. В ясную погоду и? нефтяного слика м о ж е т
окислиться нефти до 2 т / ( к м 2 - с у т ) .
Точное соотношение всех факторов, способствующих у д а л е н и ю
нефти из морской среды, еще не известно. Однако установлено, что
именно активность микроорганизмов определяет окончательную
судьбу нефти в море. К. 1987 г. было описано 70 родов микроорганизмов, включая 28 родов бактерий (свыше 100 видов), 30 видовгрибов и 12 видов д р о ж ж е й , окисляющих один или несколько
углеводородов. В прибрежных районах моря, подверженных хроническому загрязнению нефтью, углеводородоокисляющие бактерии наиболее многочисленны и достигают 10 3 —10 5 кл/мл (до
10 % ) , а вдали от источников поступления нефти они составляют
1—0,01 % от численности всего микробного ценоза (Артюхова,
Носов, 1987).
- Основную роль в деструкции нефтяных углеводородов играют
микроорганизмы, способные использовать углеводороды в качестве единственного источника углерода и энергии. Окисление
углеводородов происходит за счет оксидаз смешанных функций
или монооксидаз по схеме:
R • СН 2 СН 3 + восстановленный коэнзим - >
R • СН 2 СН 2 ОН + окисленный коэнзим.
При этом к а ж д ы й бактериальный ш т а м м может о б л а д а т ь специфическим набором ферментов (Миронов, 1985).
Высокой способностью к окислению алифатических углеводородов и нефтепродуктов обладают бактерии рода
Mycobacterium
и Arthrobacter.
В лабораторных условиях они окисляли 50—80 %
нефти в зависимости от ш т а м м а и состава нефти. Увеличение
солености, к а к правило, не препятствовало развитию этих микроорганизмов (Гусев, Коронелли, Сенцова, 1985).
Микроорганизмы, содержащиеся в морской воде, потребляют
сначала к - а л к а н ы . Это приводит к относительному увеличению
содержания в воде разветвленных алканов и ароматических соединений (Миронов, 1985). З а т е м происходит перестройка бактериальных сообществ и начинается предпочтительное использование ароматических соединений.
При разрушении нефти в морской среде накапливаются продукты неполного окисления некоторых углеводородов, которые
в свою очередь являются субстратом д л я дальнейшего воздействия
микрофлоры. Это гидроперекиси, спирты, кетоны, альдегиды, липиды, органические кислоты, аминокислоты, пигменты, сахара, полисахариды, фенолы.
В а ж н ы м типом метаболизма, широко распространенным в микробном мире, является соокисление или ко-метаболизм. Микроорганизмы моря функционируют к а к элементы сложного ценоза,
реагирующего на внедрение чужеродных веществ как единое
целое. Это определяется наличием разнообразных связей и взаимодействий между организмами и разными субстратами. Слож343:
ность состава нефтей и нефтепродуктов требует разнообразия микроорганизмов, способных атаковать к а к компоненты нефти, т а к
и продукты метаболизма. Поэтому сырые нефти и индивидуальные
углеводороды более эффективно разрушаются смешанным бактериальным населением, чем отдельными изолированными
штаммами. В загрязненных акваториях помимо углеводородоокисляющих микроорганизмов широко распространены
липолитические,
яротолитические, фенолокисляющие, денитрифицирующие и другие
бактерии, И чем больше видов в этом ценозе, тем шире возможности их энзиматических аппаратов, катализирующих окисление
различных органических веществ.
Процессы микробного окисления нефтяных
углеводородов
в море ускоряются или замедляются воздействием различных факторов среды. Подсчитано, что д л я полного окисления 1 л нефти
требуется 3300 г кислорода. Поэтому ускоренное окисление нефтяных углеводородов будет происходить при условии хорошего насыщения воды кислородом, а наиболее благоприятные условия создаются на границе раздела море — атмосфера.
Д л я роста углеводородоокисляющей микрофлоры необходимы
источники связанных форм неорганических азота и фосфора, поэтому обогащение воды биогенными веществами способствует ускорению
бактериального
окисления
нефтяных
углеводородов.
Зо Б е л л (1964) показал, что для полного окисления 1 мг нефти
необходимо около 4 мг нитратов, а для достижения оптимальной
скорости биодеградации нефти д о л ж н о быть соблюдено соотношение N : Р — 14 : 1. Бактериальное окисление нефти в присутствии
аммиачной формы азота происходит лучше, чем в присутствии нитратной, причем в первом случае скорость окисления в 1,5—
2,0 раза выше.
Экспериментальные исследования на пробах воды Каспийского
моря с применением образцов сырой нефти и нефтепродуктов
(Затучная, 1978) показали, что с у м м а р н а я деградация нефти
в морской воде протекает по закону мономолекулярной реакции
первого порядка:
.
Ct = C0e~Kt,
(4.1)
где С и Со — конечная и начальная концентрация вещества, t —
время превращения и К — константа скорости реакции.
В таких реакциях
/С = In 2/т,
(4.2)
где г — период полураспада вещества.
Температурный фактор является определяющим в кинетике
р а с п а д а . Изменение скорости микробного распада (окисления)
обычно в ы р а ж а ю т через Qio — кратность ускорения реакции при
повышении температуры на 10°С (или обратно). По различным
определениям эта величина составляет 2,7—3,0
344:
Проявляется и влияние солености воды. В Каспийском море
с повышением солености на 1 °/00 период полураспада нефти удлиняется на 22 ч.
Менее выражено влияние рН: при повышении рН на 1,0 период,
полураспада нефти уменьшается в среднем на 24 ч.
Обобщая результаты многих экспериментальных исследований,
можно показать, что доля окисления нефтяных углеводородов,
морскими микроорганизмами составляет в среднем 50—60 % с колебаниями от 20 до 98 %.
При недостатке связанного азота, содержании кислорода менее
0,5 мг/л и р Н ниже 6,0 активность грибов и дрожжей преобладает
над активностью бактерий, причем их наибольшая численность
наблюдается в прибрежных районах.
Общие масштабы биодеградации нефти в море оцениваются
из следующих данных. Например, в Каспийском море (Цыбань.
и др., 1977) скорость потребления нефти микроорганизмами
Pseudomonas
и Mycobacterium,
изолированных из поверхностных
микрогоризонтов, составляла 0,7—30 мг/(л-сут) при 22—24°С.
Смешанное бактериальное население за сутки разрушало 160 мг
нефти, содержащейся в 1 л. При оптимальном термическом и
газовом режиме скорость микробного окисления нефтяных углеводородов достигала 2,5 мг/м 2 за сутки или 240 мг/м 2 за вегетационный сезон. В целом по морю это дает 9000 т за лето. По.
результатам исследований в Балтийском море (Цыбань, 1976),.
удельная деструкция нефти, рассчитанная для углеводородоокисляющих бактерий нейстона, составляет (1,2—5)-Ю - 1 0 мг/ч. Отсюда
после пересчета на общую численность бактерий с учетом времени
их генерации оказывается, что за лето бактерионейстон Б а л т и к и
способен минерализовать 3—12 мг нефти под 1 м 2 поверхности
моря или в целом по морю 1200—5000 т.
В арктических морях (Измайлов, 1988) соотношение между
процессами самоочищения от нефтяных углеводородов в ы г л я д и т
несколько иным. Более 30 серий натурных экспериментальных
наблюдений во всех сезонах 1978—1984 гг. показали, что основнуюроль в механизме самоочищения играют испарение (50—70 %),.
фотоокисление (15—30 %) и биологическая утилизация (2—7 %).
Указанные оценки относятся к весенне-летним периодам в Ц е н тральной Арктике и к границе контакта атмосферы с водой
и льдом. При экспонировании в этих условиях происходила трансформация 50—60 % общей массы пленок сырой нефти за 40 сут.
Зимой интегральная эффективность механизма
самоочищения
уменьшается примерно в три раза по сравнению с таковой летом..
4.2. Биодеградация синтетических
поверхностно-активных веществ
По степени устойчивости к биохимическому окислению в водевсе СПАВ делятся на мягкие (алкилсульфаты и алкилсульфонаты), 50 % которых разлагается в течение нескольких суток, и
345'.
жесткие (алкилбензолсульфонаты, неионогенные и катионоактивные вещества), д л я распада которых требуется два месяца и более.
При биохимическом окислении, анионных СПАВ имеют место
реакции: 1) гидролиза, 2) а-окисления (окисление конечной метальной группы), 3) р-окисление (окисление жирных кислот),
4) окисление (расщепление) ароматического кольца.
Биохимическое окисление СПАВ протекает посредством последовательности ферментных реакций, причем если одна реакция
останавливается, то р а з л о ж е н и е вещества не идет до конца и промежуточные продукты распада накапливаются (Черняева и др.,
1982).
Поскольку молекула кислорода присоединяется к окисляемому
веществу без расщепления на отдельные атомы, в первый момент
образуются промежуточные соединения типа перекисей. З а т е м
перекисная группа переходит в спиртовую, которая при дальнейшем окислении через альдегидную превращается в карбоксильную
группу. При окислении метальной группы появляется карбоновая
кислота, а она в свою очередь подвергается |3-окислению, очень
распространенному в живых клетках. Следовательно, окисление
С П А В идет через ряд таких промежуточных продуктов, как
спирты, кислоты, карбонильные соединения, фенолы и сульфаты.
Первой стадией расщепления алкилсульфатов является простой
гидролиз с образованием спирта и серной кислоты. Спирт легко
окисляется многими бактериями до углекислоты и воды.
Степень биохимического окисления
алкилбензолсульфонатов
зависит от длины и х а р а к т е р а разветвленной алкильной группы
и свойств атома углерода, присоединяющего бензольное кольцо
к алкильной группе. Разветвленность алкильной группы, а т а к ж е
присутствие гомологов и изомеров тормозят процесс биохимического окисления. При биохимическом окислении алкилбензолсульфонатов сначала окисляется наиболее удаленная от бензольного
кольца метильная группа, затем алкильные цепи и наконец расщепляется бензольное кольцо. Алкилбензолсульфонаты с длинными
неразветвленными алкильными цепями окисляются быстрее, чем
с короткими неразветвленными алкильными цепями.
Экспериментальные исследования биодеградации
препарата
C M C «Новость», наиболее распространенного СПАВ на основе
алкилсульфатов, в морской воде различной солености (Афанасьева,
1978) показали, что процесс деструкции СПАВ соответствует реакции первого порядка, когда константа скорости реакции выраж а е т с я уравнением
(4.3)
где t — время.
Уравнениями реакции первого порядка можно описать и процессы биохимического окисления многих других типов СПАВ (Черняева и др., 1982).
346:
К а к можно ожидать, скорость самоочищения природных в о д
от С П А В определяется целым набором факторов: химическим
строением СПАВ, их начальной концентрацией, соленостью, температурой и р Н воды, содержанием растворенного кислорода
Таблица
4.1
Константы скорости окисления СПАВ в природных водах в статических
условиях (Долженко, 1971)
Вещество
«Новость» ( а л к и л с у л ь ф а т ы из природных спиртов)
«Прогресс» ( а л к и л с у л ь ф а т ы из искусственных первичных и вторичных
спиртов)
АС-1 (алкилсульфонаты)
НП-1
(алкилбензолсульфонаты)
Исходная концентрация, м г / л
К сут-1
2,0
13,0
1,0
9,1
0,64
0,58
0,50
0,46
1,8
16,5
0,95
11,4
0,13
0,10
0,01
0,02
и присутствием в воде других з а г р я з н я ю щ и х веществ. Д о в о л ь н о
быстро уменьшается концентрация алкилсульфатов, медленнее —
алкилсульфонатов и очень медленно — алкилбензолсульфонатов
(табл. 4.1).
Таблица 4.2
Зависимость констант скорости деструкции СПАВ от солености и типа вод
(Афанасьева, 1978)
К
Типы в о д
У с т ь е р. Д а у г а в ы
У с т ь е в о е в з м о р ь е р. Д а у г а в ы
Рижский залив
Черное море
Средиземное море
А т л а н т и ч е с к и й о к е а н (у К а н а р с к и х
островов)
Соленость,
%о
Пресная
5,12
7,06
18,34
36,99
36,99
алкилсульфаты
2,56
2,90
2,49
2,04
1,58
1,91
сут-1
алкилбензолсульфонаты
—
—
2,86
2,56
1,86
С увеличением солености воды константы распада СПАВ, к а к
правило, уменьшаются (табл. 4.2), однако в водах с близкой соленостью определенную роль играет загрязненность среды, требующ а я приспособленности микрофлоры к потреблению данных з а грязняющих веществ. В присутствии нефтепродуктов биохимическое
окисление
детергентов
замедляется,
поскольку
при
концентрации нефтяных углеводородов более 0,05 мг,/л они в первую очередь используются микроорганизмами к а к источник пита347:
ния, лишь при снижении их концентрации до 0,03 м г / л начинается
утилизация СПАВ.
Зависимость константы скорости от температуры в ы р а ж а е т с я
формулой
КТ = К М о
2 3
(Г 1 10)
(-^--1).
(4-4)
где
Q — температурный
коэффициент
Вант-Гоффа
( : —3,2),
Т — температура, К, цифры 283,
293 — значения
температуры
в кельвинах.
Т а б л и ц а 4.3
Константы скорости реакции окисления детергентов в зависимости
от среднемесячной температуры Балтийского моря (Афанасьева, 1978)
Месяц
Температура,
Январь
Март
Май
Август
°С
К
0,7
2,3
8,2
17,7
сут-1
0,0283
0,0320
0,0474
0,1617
Влияние температуры можно проследить на примере Балтийского моря (табл. 4.3). В отношении рН воды наиболее благоприятной является слабощелочная среда, свойственная морской
воде. В кислой и щелочной средах скорость реакции окисления
С П А В замедляется в 2—3 р а з а .
Т а б л и ц а 4.4
Константы скорости превращения анионных СПАВ в аэробных
и анаэробных условиях (сут- 1 ) (Каплин, Фесенко, 1975)
Условия
Вещество
«Новость»
«Прогресс»
Хлорный сульфонол
АС-1
Сульфонол НП-3
Сульфонол НП-1
аэробные
анаэробные
0,59
0,45
0,14
0,10
0,12
0,02
0,12
0,10
0,04
0,02
0,002
0,001
Биохимическое окисление СПАВ протекает с потреблением
кислорода, поэтому с уменьшением его содержания в воде скорость деструкции СПАВ замедляется. Эта закономерность проявляется при сопоставлении скоростей превращения различных СПАВ
в аэробных и анаэробных условиях (табл. 4.4).
348:
Деструкция СПАВ в морской воде осуществляется главным
образом микроорганизмами. Решающими факторами в этом процессе выступают температура воды и особенности гидрохимического режима. В то ж е время удаление детергентов из природных
вод существенно ускоряется и адсорбционными процессами, поскольку около 20 % от массы растворенных в воде СПАВ сорбируется взвесями и уходит в грунт при седиментации. В мелководных районах моря сорбированные СПАВ могут служить источником вторичного загрязнения водной среды.
4.3. Самоочищение от фенолов
В зависимости от химической природы фенолов процесс их
окисления может протекать биохимическим и физико-химическим
путем.
Биохимическое окисление осуществляется под влиянием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами. В расщеплении молекулы фенола участвуют ферменты оксигеназного и кислород-трансферазного типов. Д л я выработки ферментов, катализирующих
разрыв ароматического кольца (индуцированные ферменты), важен
процесс адаптации микроорганизмов к фенольному загрязнению.
Т а к а я микрофлора появляется в местах хронического загрязнения
вод фенолами.
При условии наличия не менее двух оксигрупп в ядре молекулы фенол гидроксилируется до пирокатехина, а последний подвергается расщеплению. Расщепление фенольных
соединений
выполняется железосодержащими ферментами, которые стимулируются Fe 2 + . Они катализируют присоединение к субстрату двух
атомов кислорода по двойной связи субстрат + 0 г - ^ с у б с т р а т 0 2
и проявляют свою активность в аэробных условиях.
В естественных условиях все процессы окисления фенолов
идут одновременно, дополняя и развивая друг друга. При этом
окисление фенолов сопровождается реакциями конденсации и
полимеризации с образованием гуминовых кислот.
Важную роль играет число и расположение групп О Н в молекулах фенолов. Исследованиями В. Т. Каплина (1966) установлено, что из одноатомных фенолов максимальной скоростью
распада обладает оксибензол, с меньшей скоростью окисляются
крезолы и ксиленолы. Чем больше атомов водорода в бензольном кольце замещено алкильными группами, тем большую стойкость к биохимическому окислению проявляют фенолы.
Интенсивность распада фенолов в морских водах зависит от
(солености, рН, биогенных и взвешенных веществ.
Наиболее резко, примерно в два раза, константы скорости
распада уменьшаются с ростом солености от минимальной до
4—6 %о. Далее, в диапазоне солености от 6 до 10—12 % константы уменьшаются лишь в 1,5 раза.
С увеличением рН воды скорость распада фенолов возрастает.
Периоды полураспада фенола при рН равной 7,45; 8,56 и 8,85,
349:
составляют соответственно 1000, 200 и 100 ч (Симонов, Лыкова,
1972).
Резкое возрастание скорости распада фенола наблюдаются при
добавлении в воду питательных веществ (фосфатов и солей железа). Это свидетельствует об увеличении численности микрофлоры, активно утилизирующей фенол, при достаточном содержании биогенных веществ.
Отмечается, что скорость распада фенола существенно зависит
от его исходной концентрации. Наиболее оптимальным является
диапазон концентраций 0,03—3,0 мг/л, для которого период полураспада близок к 100 ч. При других концентрациях период
полураспада фенола увеличивается. Объясняется это тем, что
в случае низких концентраций фенол перестает играть роль энергетического источника для фенолокисляющих микроорганизмов,
а при, больших концентрациях становится антисептиком.
Наличие нефтяного загрязнения замедляет распад фенола,
поскольку в процессе биодеградации нефтяных углеводородов
образуются собственные фенолы, повышающие общую степень
загрязнения. Наоборот, органические вещества (белки, жиры,
углеводы), присутствующие в некоторых бытовых и промышленных сточных водах, увеличивают скорость распада фенола.
Большое значение имеет присутствие свободного кислорода
в растворе, поскольку распад фенола в морских водах протекает
преимущественно по окислительному механизму. Так, в воде соленостью 4 и 10 °/оо расход кислорода на окисление фенола, рассчитанный по его убыли, составил в среднем 138,1 мг 0 2 на 1 ммоль
фенола. Д л я полного окисления фенола вместе с промежуточными
и остаточными продуктами его распада требуется 4 4 5 , 6 мг 0 2 на
1 ммоль фенола (Лыкова, Симонов, 1 9 7 8 ) .
4.4. Биораспад полиароматических углеводородов
Р а с п а д канцерогенов в водной среде возможен под действием
физико-химических факторов биотопа и живых организмов.
Молекулы полиароматических углеводородов (ПАУ) обладают
значительной стабильностью к окислению благодаря повышенной
прочности внутримолекулярных связей за счет сопряжения я-электронов в ароматических кольцах. Из-за низких концентраций ПАУ
в воде процесс их автоокисления способен идти лишь крайне медленно, но благодаря присутствию в воде кислорода, следов 0 3 и
Н 2 0 2 , действию ультрафиолетового облучения возникает процесс
фотоокисления, действующий примерно в 10 раз эффективнее автоокисления. Следовательно, фотоокисление может оказаться
одним из составляющих комплекса самоочищения водной среды
от ПАУ (Кирсо и др., 1988).
В море наиболее в а ж н а роль микробиологического окисления
бенз (а)пирена. Экспедиционные работы в Балтийском море (Цыбань и др., 1980) выявили широкое распространение БП-толерантной микрофлоры численностью от десятков до тысяч клеток в 1 мл'
350:
воды. Наибольшее их содержание установлено в приповерхностном и верхнем полуметровом слоях моря. Максимальное содержание клеток найдено в южной части Готландского моря, в районах Каттегата, Арконской и Борнхольмской впадин. Там ж е
обнаружено и повышенное содержание Б П в планктоне и донных
осадках. Такие пределы численности БП-толерантной и БП-окисляющей микрофлоры были установлены во многих районах Атлантики севернее 10° с. ш. в экспедиционных работах 1978—1979 гг. (Цыбань, Володкович, Панов, 1985).
В модельных экспериментах in situ с последующим химическим анализом получено, что скорость разрушения Б П бактериями составляет 2,3—5,5 м к г / л за 10 сут, т. е. подвергается
биодеградации на 10—20 %. В присутствии глюкозы разрушение
Б П достигает 45 %. Это говорит о возможности соокисления Б П
с другими органическими веществами.
По оценке Ю. А. И з р а э л я (1984), бактерионейстон Мирового
океана способен разрушать до 400 т Б П в год.
4.5. Биоседиментация загрязняющих веществ
Процессы биологического извлечения, биоаккумуляции и биоседиментации загрязняющих веществ* тесно связаны с интенсивностью фотосинтеза и передачей пищи по звеньям трофических
сетей. Совокупность этих процессов обеспечивает аккумуляцию
Т а б л и ц а 4.5
Скорость поступления и выведения некоторых металлов (т/год)
на глубине 400 м, а также скорость их накопления в донных осадках
Мирового океана (Израэль, Цыбань, 1985)
Процесс
Ртуть
Свинец
Кадмий
Поступление извне
Биоседиментация на глубине
4Q0 м
Накопление в донных осадках
( 7 — 1 1 ) • 10 3
3 , 2 • 10 3
( 3 — 4 0 ) • 10 5
8 , 5 • 10 4
( 1 , 5 — 3 4 ) • 10 3
2 , 6 • 10 4
5 , 4 • 10 2
1 , 4 • 10 4
4 , 3 • 10 3
токсичных веществ в биоте, циркуляцию в экосистемах и частичное удаление в донные осадки. По современным представлениям,
ж о л о 50 % синтезируемого органического вещества с включе1иями токсичных веществ удаляются из фотического слоя. В зависимости от глубины, 2—10 % массы этого материала достигает
щ а , остальная часть минерализуется в водной толще и вновь
вовлекается в биогеохимические циклы.
В качестве примера можно рассмотреть биоседиментацию некоторых тяжелых металлов. Оценка потока металлов с биогенной
взвесью из слоя 0—400 м дана в табл. 4.5. м
351:
Несмотря на приближенность имеющихся данных, видно, что
массы металлов, выводимые взвесями из деятельного слоя океана,
значительно меньше масс, поступающих в океан от естественных
и антропогенных источников. Это свидетельствует о тенденции
накопления металлов в водных массах океана и, к а к следствие,
о постоянном усилении потока металлов с осадочным материалом
в донные отложения. Так, в котловине С а н т а - Б а р б а р а у Калифорнийского побережья на глубине 580 м содержание ртути в донных осадках, образовавшихся после 1960 г., почти в два р а з а
больше ее содержания в осадках, накопившихся до 1920 г. (Герлах, 1985). Аналогично содержание ртути, свинца, кадмия и цинка
в кернах современных донных осадков Финского залива и северной части Балтийского моря возросло в 3—5 раз по сравнению
с тем, что наблюдалось в начале XX в. (Войпио, 1981).
Количественная оценка биоседиментации нефтяных углеводородов, хлорорганических пестицидов и других загрязняющих веществ пока еще затруднительна.
ГЛАВА 5. БАЛАНС ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
В ОКЕАНЕ
Результаты изучения баланса з а г р я з н я ю щ и х веществ д а ю т
основу, на которой возможно прогнозировать динамику загрязнений морских и океанических бассейнов по заданным значениям
сброса загрязняющих веществ, р а з р а б а т ы в а т ь рекомендации д л я
оптимального режима этих сбросов и определять предельно допустимые уровни нагрузки или ассимиляционной емкости морей ;
загрязняющими веществами.
5.1. Модель баланса загрязняющих веществ
Качественно б а л а н с з а г р я з н я ю щ и х веществ, по А. И. Симонов^
(1973), д л я моря в целом может быть в ы р а ж е н следующей;
схемой:
I
д с = ( с 6 + с р + с м + с в + с г + с а ) - {с'ъ + с рх + с р 6 + с ; + С'а).
(5.l{
Здесь АС — приращение концентрации загрязняющего вещества
за время At, Сg — сброс с берега, С р — вынос речным стоком;
С ы — сброс непосредственно в море с судов, эстакад и т. д., С в и
С'в — п р и т о к (отток) при водообмене, Срх — р а з л о ж е н и е химическое, Срб — разложение биохимическое,- С а , С а — приток (отток)!
на границе фаз вода
атмосфера, С г , С г — п р и т о к (отток) на гра-;
нице ф а з вода — грунты.
.
.
i
352:
Сохранение нормального состояния
н а л о ж е н и я ограничивающих условий:
0<С<ПДК
морской
среды
и АС<0,
требует
(5.2)
где П Д К — предельно допустимая концентрация з а г р я з н я ю щ и х
веществ.
Р а з р а б о т к а общей модели расчета динамики уровней з а г р я з нения выполнена А. И . Симоновым с коллегами (1978, 1985).
Уравнение д л я расчета средней концентрации з а г р я з н я ю щ и х
веществ в море на момент времени t-\-\ имеет следующий в и д :
Ct + l = Ct + AC = Ct + Mt + l/Vt + i -
Mt/Vt
или
Ct + 1 = Ct(l-AVt/Vi
+ l) +
AMt/Vt
+ u
(5.3)
где Ct и Ct+i — концентрации вещества, Mt и Mt+\ — массы вещества, Vt и VVM — объем моря на моменты времени <t и tf-f-1, AMt
и AVt — приращение массы вещества и объема- моря за период
времени от t до а!+1.
Первый член правой части уравнения учитывается при изменении объема внутреннего моря за счет уменьшения речного
стока. В окраинных морях в ы р а ж е н и е ( 1 — A V t l V t + i ) . близко
к единице, поэтому уравнение (5.3) примет вид
Ct + l=Ct
+ AMtlVi
+ l.
Уравнение баланса можно выразить через изменение
з а г р я з н я ю щ и х веществ за расчетный период
ДМ=£МПР-£?ЛГрасх,
(5.4)
массы
(5.5)
где 2-Мпр — сумма приходных статей, £-М р а сх — сумма расходных
статей баланса з а г р я з н я ю щ и х веществ.
Если массу з а г р я з н я ю щ и х веществ, изменяющуюся в море со
в р е м е н е м , обозначить через Mt, а исходную массу через Mq, ТО
получится следующий вариант уравнения б а л а н с а :
AMt = M t — М 0 .
(5.6)
Скорость поступления з а г р я з н я ю щ и х веществ в море за единицу времени будет
qt = Mnv/t.
(5.7)
Одновременно с поступлением з а г р я з н я ю щ и х Веществ в море
происходит их распад, переход в грунты, атмосферу и при. водообмене в соседние акватории. К а ж д ы й из этих процессов х а р а к теризуется своим коэффициентом скорости К, принимаемым постоянным за расчетный промежуток времени. Сумма коэффици20
Заказ № 33
353
ентов обозначается через 27<С. В таком случае баланс загрязняющих веществ можно описать дифференциальным уравнением
dM = qidt—'Z
К • Mdt,
(5.8)
из которого после разделения переменных и интегрирования от
Мо до Mt и от t—0 до t получим:
Mt = q t / Z К - ( W Z К - М 0 ) > - а
(5.9)
П р и постоянных qt и Х К и f-voo масса Mt асимптотически
стремится к величине qt/J^ К и достигает конечного установившегося значения с некоторым запаздыванием, которое характеризуется членом (<7t/SK — Л1о)ехр ( — Т , К • t) и определяет динамические свойства происходящих в море процессов.
, Путем р а з л о ж е н и я в р я д уравнение (5.9) приводится к рабочему виду:
Mt = Mo + [(2qt - 2Мо £
K)/(2 + Z К • 0 1 М-
(5.10)
Формула (5.10) пригодна д л я расчета баланса з а г р я з н я ю щ и х
веществ в однослойных и многослойных системах при выполнении
следующих условий: расчет проводится по средневзвешенным
концентрациям з а г р я з н я ю щ и х веществ и средним месячным темпер а т у р а м д л я всего избранного пространства моря, допускается
непрерывность и однородность полей загрязнения во всем море
или его районе, принимается равномерность притока загрязняющих веществ во времени от различных источников по всей акватории, поток з а г р я з н я ю щ и х веществ на нижней границе поверхностного слоя принимается пропорциональным вертикальному 1
градиенту концентраций и осуществляется в сезоны развития вертикальных конвекций. В случае концентрирования з а г р я з н я ю щ и х
веществ в пленках и поверхностном микрослое, расчет их баланса
проводится для пленок, П М С и подстилающих слоев воды в отдельности из предположения, что большая часть з а г р я з н я ю щ и х I
веществ проходит стадию концентрирования в П М С или пленке.
Распределение и миграцию з а г р я з н я ю щ и х веществ в многослойной системе можно характеризовать временем их пребывания;
в к а ж д о м слое:
Т = M / Z Vm,
(5.11)
где Г — в р е м я пребывания, М — масса з а г р я з н я ю щ и х веществ
в слое в данный момент времени, £FOT — с у м м а р н а я скорость о т тока з а г р я з н я ю щ и х веществ по различным к а н а л а м , т / с у т .
j
5.2. Элементы баланса загрязняющих веществ
Сброс з а г р я з н я ю щ и х веществ в море со сточными промышленными и коммунальными водами вычисляется по формуле
m 6 = QC,
354:
(5.12)
где Q — суммарный объем сточных вод за расчетный период, С —
концентрация з а г р я з н я ю щ и х веществ в сточных водах.
Сброс з а г р я з н я ю щ и х веществ с речным стоком оценивается по
данным натурных наблюдений:
.
m p = CQ,
(5.13)
где Q — водный сток за период At, С — средняя концентрация загрязняющих веществ в сечении к а ж д о й реки за период At.
Схема расчета речного выноса з а г р я з н я ю щ и х веществ, по
Е. Д . Иголкиной (1982), следующая.
1. По результатам к а ж д о й гидрохимической съемки подйчитывается среднее арифметическое значение концентраций заг]рязняющих веществ в сечении реки
,
"с
(5.14)
"с 1=1
2. П о средней концентрации в сечении реки определяется средняя арифметическая концентрация за весь расчетный период
C
=
f
Z C c
к» ]=i
>
-
(5.15)
3. По формуле (5.13) рассчитывается вынос з а г р я з н я ю щ и х
веществ за установленный период.
Неравномерность распределения загрязнений в сечении реки,
неравномерность их поступления, отсутствие связи между их концентрацией и расходом воды в реке, а т а к ж е наличие многих
трудноучитываемых факторов требуют применения методов вариационной статистики, когда рассматривается вероятность появления той или иной концентрации з а г р я з н я ю щ и х веществ в потоке
и д л я расчета выбирается период водного р е ж и м а реки, статистически обеспеченный результатами систематических наблюдений.
Аналогично определяется и речной вынос пленочных нефтепродуктов:
тпл
=
CBF,
(5.16)
где С в — средняя концентрация нефтяных углеводородов в пленке
за расчетный период, кг/м 2 ; F—BV,
где F — площадь з е р к а л а
реки, п р о ш е д ш а я через створ в течение расчетного периода,
км 2 /год; В — средняя ширина реки в створе, км; V — средняя скорость течения реки за расчетный период.
Д л я оценки сброса з а г р я з н я ю щ и х веществ в море с судов необходимы данные об объеме сбросных вод и о концентрации загрязняющих веществ в них. Например, из статистических обобщений известно, что потери при перевозках составляют около
0,35 % всей транспортируемой нефти.
Приток з а г р я з н я ю щ и х веществ при водообмене с соседним
морем:
m a — C\Yi.
'
(5.17)
20*
355
З д е с ь С1 — средняя концентрация з а г р я з н я ю щ и х веществ в предпроливном пространстве соседнего моря, V\ — средний приток
воды из соседнего моря при водообмене за период At.
Если имеются данные наблюдений за содержанием загрязняющих веществ в атмосферных осадках, то при равномерном
распределении осадков над морем их приход из атмосферы рассчитывается по формуле
m , = CocFoc
(5.18)
за период At.
При недостаточной полноте данных о поступлении загрязняющих веществ в море можно воспользоваться среднестатистическими сведениями о характерных д л я многих морей соотношениях
между их приходом через разные к а н а л ы : сбросы с судов в море
и потери при к а т а с т р о ф а х — 28 %, сбросы с судов в портах —
14 %, сбросы с б е р е г а — 16 %, приток с речными водами — 28 %,
из а т м о с ф е р ы — 10 %, по иным к а н а л а м (водообмен, разработки
на шельфах) — 4 % от общего притока. Точно з н а я одну из приходных составляющих, можно рассчитать суммарное поступление
з а г р я з н я ю щ и х веществ за определенный период.
Влияние грунтов проявляется в мелководных и прибрежных
районах морей. Приток з а г р я з н я ю щ и х веществ из донных отложений при взмучивании дает увеличение концентраций растворенных и эмульгированных нефтепродуктов в поверхностном
слое':
тг = (С ш т — Сд 0 Шт) hS At,
(5.19)
где : С ш т и Сдошт — концентрации З В в воде в период шторма и до
шторма, h и 5 — средняя глубина и п л о щ а д ь района моря, At —
число штормовых суток за расчетный период.
. П р и штормовом взмучивании донных осадков в воду переходит 40—60 % общего количества СПАВ, сорбированных грунтами, что составляет 10—16 % суммарного притока от разных
источников.
Отток з а г р я з н я ю щ и х веществ при водообмене с соседними
а к в а т о р и я м и рассчитывается по формуле
т ;
= С#2,
(5.20)
где С2 и Уг — соответственно средняя концентрация загрязняющих
веществ в предпроливном пространстве моря и средний отток
воды при водообмене за период At.
Расход з а г р я з н я ю щ и х веществ при химическом и биохимическом разложении (т р х +?Прб) можно ориентировочно рассчитать
по уравнению (5.10), з н а я начальную массу веществ, среднемесячную температуру воды и соответствующие температуре суммарные константы скоростей реакций (табл. 5.1). Эти константы
в наибольшей мере зависят от температуры воды при незначительном влиянии солености и рН.
356:
Р о л ь сорбционных процессов на взвесях и грунтах выявляется
из соотношения масс з а г р я з н я ю щ и х веществ, поступающих в море
и сорбированных грунтами:
Кг = Ат'1(М0 + М пр ), = DmaShC (1 - z) А Ц(М0 + Мпр),
(5.21)
где Dm — коэффициент молекулярной диффузии, Ю - 5 см 2 /с; 5 —
п л о щ а д ь дна, м 2 ; h — т о л щ и н а придонного слоя воды, включаюТаблица 5.1
Зависимость Лрх+рв (сут- 1 ) от температуры воды для нефтепродуктов
и детергентов (Симонов, 1985)
Константы разложения
Константы разложения
Температура. °С
—1
0
2
4
6
8
10
12
14
16
для нефтепродуктов
для д е т е р гентов
0,0023
0,0026
0,0029
0,0034
0,0039
0,0045
0,0052
0,0061
0,0070
0,0081
0,0195
0,0214
0,0263
0,0309
0,0398
0,0501
0,0683
0,0776
0,0955
0,1202
Температура, °С
18
20
22
24
26
28
30
32
34
для нефтепродуктов
для детергентов
0,0095
0,0109
0,0128
0,0147
0,0169
0,0193
0,0227
0,0261
0,0307
0,1514
0,1862
0,2291
0,2884
0,3548
0,4467
0,5495
0,6761
0,8511
щ а я толщину диффузионного слоя, м; С — концентрация загрязняющих веществ в придонном слое воды; 2 — эмпирическая величина, п о к а з ы в а ю щ а я соотношение м е ж д у С в придонном слое
воды и тонком диффузионном слое; а — коэффициент сорбции,
учитывающий разные сорбционные свойства донных отложений.
Значение z составляет 0,50 д л я соединений ртути; 0,2 — для
анионоактивных СПАВ; 0 , 1 — д л я
нефтепродуктов;
0,2 — д л я
фенолов.
Если имеются сведения о количестве и радиусах нефтяных
комочков на поверхности водыу то средняя скорость их осаждения описывается следующим уравнением:
F = - f - g Ар - L o ? [ е х р ( 5 , 3 o r ) - 1],
3
И-1
(5.22)
где g — ускорение свободного падения, Ар — разность плотностей
нефтяных комочков и морской воды; [х — кинематический коэффициент вязкости; о г — среднеквадратическое отклонение радиусов
комочков.
П р и оценке переноса з а г р я з н я ю щ и х веществ из моря в атмосферу следует учитывать их перенос из водной массы в поверхностный микрослой ( П М С ) и из П М С в атмосферу. В общем случае
357:
эти ступени отражаются в форме уравнения для
скорости оттока Ка-
коэффициента
Ка = yDTShC [(1 - a)fl] М/(Мо + £ Мщ>)и
(5.23)
где у — коэффициент скорости переноса загрязняющих веществ
из ПМС в атмосферу, м - 2 ; DT — коэффициент турбулентной диффузии; S — площадь поверхности моря; h — глубина отбора поверхностных проб воды; С — средняя концентрация загрязняющих
веществ в поверхностном слое воды; a — коэффициент переноса
как частное от деления весовой концентрации загрязняющих
веществ в воздухе на его концентрацию в ПМС; I — отношение
массы загрязняющих веществ в поверхностном водном слое толщиной 1 м к массе веществ в ПМС. По эмпирическим данным,
значения а и / для нефтяных углеводородов составляют соответственно 0,002 и 0,05.
Расчет оттока загрязняющих веществ из верхнего слоя воды :
в подстилающие слои выполняется для сезонов года с развитой
вертикальной конвекцией, а их поток принимается пропорциональным вертикальному градиенту концентраций. Формула коэффициента скорости конвективного переноса имеет вид:
Кв = 10~ 4 [(Со - Ch)/h] S At/{M0 + £ M j t ,
(5.24)
-4
где Ю — скорость конвективного переноса, см/с; Со и Ch — концентрации загрязняющих веществ в верхнем и подстилающем
слоях воды соответственно; h — толщина слоя градиентов концентраций; 5 — п л о щ а д ь моря (района); At — период времени,
в течение которого развивается конвекция.
Практическое приложение моделей баланса и динамики уров-|
ней загрязнения морских вод сопровождается рядом затруднений,;
поскольку многие необходимые для расчета параметры к настоящему времени еще слабо изучены и определены недостаточно;
точно.
5.3. Баланс и прогноз динамики уровня загрязнения
океанических вод нефтяными углеводородами
Разработка модели баланса загрязняющих веществ позволила
на основе натурных наблюдений рассчитать приходные и расход-:
ные статьи баланса нефтяных углеводородов для некоторых акваторий Атлантического и Тихого океанов, а т а к ж е получить прогностические представления о динамике нефтяного загрязнения этих
акваторий до 1990 г. (Симонов, 1985) и 2005 г. (Симонов и др.,
1986). Здесь приводятся результаты расчетов для Северной Атлантики (0—60° с. ш.).
По статистическим данным, страны
Североатлантического;
бассейна в 1975 г. потребили 754-10® т нефти. Поступление
в океан составило 0,23 %, или 1,73-10 6 т нефтяных углеводородов;
358:
в год. Э т о т о б ъ е м нефтяных у г л е в о д о р о д о в д о л ж е н
распределиться и д е г р а д и р о в а т ь в поверхностных пленках, П М С и слое
О—100 м с частичным переходом в глубинный слой.
Р а с ч е т проводится по средневзвешенным концентрациям нефтяных у г л е в о д о р о д о в и среднемесячным т е м п е р а т у р а м воды д л я
всей а к в а т о р и и С е в е р н о й А т л а н т и к и . Д о п у с к а е т с я , что за один
год слой 0 — 1 0 0 м полностью перемешивается, приток нефтяных
у г л е в о д о р о д о в из различных к а н а л о в р а в н о м е р е н по всей а к в а тории, а распределение концентраций монотонно с м а к с и м а л ь ными значениями в ш е л ь ф о в ы х зонах. П р и н и м а е т с я , что на северной границе бассейна (60° с. ш.) происходит только их вынос
С е в е р о - А т л а н т и ч е с к и м течением, полный поток через э к в а т о р равен н у л ю , на нижней границе слоя (100 м) поток пропорционален
г р а д и е н т у концентраций и о с у щ е с т в л я е т с я при скорости вертикальной конвекции около Ю - 4 см/с.
П о д а н н ы м наблюдений, 3 % общей п л о щ а д и а к в а т о р и и пок р ы т ы нефтяными пленками, в которых постоянно сосредоточено
около 4 8 - Ю 3 т нефти, время пребывания которой в пленке с о с т а в л я е т 17 сут. И з пленки испаряется 50 % о б щ е й м а с с ы нефтяных
у г л е в о д о р о д о в . С р е д н я я к о н с т а н т а скорости их деструкции в пленке р а в н а 0,008 с у т - 1 (0,007—0,0137 с у т - 1 в зависимости от темпер а т у р ы воды).
Т о л щ и н а П М С принимается равной 500 мкм, средняя концент р а ц и я нефтяных у г л е в о д о р о д о в в П М С — 3 мг/л, время их пребывания в П М С — 9 сут, средневзвешенный по п л о щ а д и эмпррический коэффициент испарения нефтяных у г л е в о д о р о д о в — 0,007,
константа
скорости
их
деструкции
в
среднем
составляет
0,024 с у т - 1 .
В т о л щ е вод Северной А т л а н т и к и ( 0 — 1 0 0 м) средняя концент р а ц и я нефтяных у г л е в о д о р о д о в с о с т а в л я е т 0,010 мг/л, вертикальн ы й градиент концентрации 0,0001 мг/л и время их п р е б ы в а н и я
в этом слое — 241 сут.
У ч и т ы в а е т с я т а к ж е о б ъ е м в о д ы в с л о я х , скорость ее д в и ж е н и я
и о б ъ е м выноса воды С е в е р о - А т л а н т и ч е с к и м течением в Арктичес к и й район.
Р а с с ч и т а н н ы е с т а т ь и б а л а н с а нефтяных у г л е в о д о р о д о в в С е верной А т л а н т и к е (табл. 5.2) имеют свои особенности. В р а с х о д ной части б а л а н с а р е ш а ю щ е е значение имеют испарение и деструкция (83 % от о б щ е г о поступления на п о в е р х н о с т ь ) . Д л я П М С
iB основном х а р а к т е р н ы д е с т р у к ц и я (около 64 % ) и отток в подс т и л а ю щ и й слой (около 26 % от о б щ е г о притока в П М С ) при
значительном уменьшении доли испарения. В слое 0 — 1 0 0 м наибольший р а с х о д д а ю т отток в п о д с т и л а ю щ и е слои (42 % ) и дестр у к ц и я (26 % ) . В о всех т р е х слоях, с учетом п е р е х о д а части нефтяных у г л е в о д о р о д о в в водные м а с с ы г л у б ж е 100 м, о с т а е т с я е щ е
10,32-10 6 т (18,5 % от их о б щ е г о прихода в С е в е р н у ю А т л а н т и к у ) .
Слой 0 — 1 0 0 м а к к у м у л и р у е т лишь 39,3-10 3 т нефтяных у г л е в о д о родов, что с о с т а в л я е т н е б о л ь ш у ю д о л ю от с у м м а р н о г о г о д о в о г о
притока ( 1 , 7 3 4 - 1 0 6 т). О т с ю д а видна значительная э к р а н и р у ю щ а я
359:
р о л ь п о в е р х н о с т и и П М С о к е а н о в на п у т и н е ф т я н ы х у г л е в о д о р о дов в водную толщу.
Д л я составления прогноза уровня загрязнения Северной Атл а н т и к и на п е р с п е к т и в у у ч и т ы в а е т с я , что при м и р о в о м п р о и з в о д с т в е н е ф т и 2,48 м л р д . т в 1 9 7 1 г. в С е в е р н у ю А т л а н т и к у п о с т у п и л о
1,73 млн. т нефти, в 1980 г. — 42 млрд. т и 3,05 млн. т с о о т в е т Таблица 5.2
Баланс нефтяных углеводородов в Северной Атлантике на 1975 г.
(Симонов, 1985)
Расход
Слой
Приход,
10 3 т
Испарение
Отток в
Арктический
бассейн
Деструкция
103 т
10® т
103 т
Отток в нижележащий слой
Остается
в слое
(пленке)
103 т
%
103 т
%
50
Поверхност- 1120,0 560
25,3 2,3 369,0 33
ная пленка
621,1 0 , 4 0 , 7 0,05 0,01 402
63,9
ПМС
154,7 —
10,3 6,8
38,6 25,6
0—100' м
—
6,9
0,6 158,8 14,1
%
%
158,9*
62,7
25,8
41,6
%
60,0 9,59
39,3 26
* Из них около 4 • l C т уходит в виде комочков.
с т в е н н о , а в 2000 г. по п р о г н о з у (при у с л о в и и с о х р а н е н и я с л о ж и в ш и х с я т е н д е н ц и й ) — д о 6,5 м л р д . т и 4,53 млн. т. С и с п о л ь з о в а нием 5 — 9 - л е т н е г о м а с с и в а н а б л ю д е н и й д л я о т д е л ь н ы х р а й о н о в
Северной А т л а н т и к и были построены зависимости м е ж д у поступлением нефти в м о р с к у ю с р е д у и с о д е р ж а н и е м ее в пленке, П М С
и в о д н о й т о л щ е , а з а т е м с о с т а в л е н п р о г н о з на 2005 г. П р о г н о з
р а с с ч и т а н м е т о д о м б а л а н с а по у р а в н е н и ю (5.9).
П р и н я т ы с л е д у ю щ и е с о с т а в л я ю щ и е : п о с т у п л е н и е из а т м о с ф е р ы — 40 % от с у м м а р н о г о п р и х о д а , о т т о к в а т м о с ф е р у — 40 %
от с о д е р ж а н и я н е ф т я н ы х у г л е в о д о р о д о в в п л е н к е и 1,5 % о т их
с о д е р ж а н и я в П М С . П р е д в а р и т е л ь н о п о л у ч е н ы э м п и р и ч е с к и е коэ ф ф и ц и е н т ы по р а с п р е д е л е н и ю н е ф т я н ы х у г л е в о д о р о д о в в т о л щ е
в о д ы и у т о ч н е н их з а п а с (М 0 ) в с л о е 0 — 1 0 0 м. Р е з у л ь т а т ы оценочного п р о г н о з а п р е д с т а в л е н ы в т а б л . 5.3.
К а к м о ж н о в и д е т ь , н е с м о т р я на м е ж г о д о в у ю
изменчивость
н е ф т я н о г о з а г р я з н е н и я в 80-х г о д а х , п р о с л е ж и в а е т с я т е н д е н ц и я
к у в е л и ч е н и ю с о д е р ж а н и я нефти в о т д е л ь н ы х р а й о н а х С е в е р н о й
А т л а н т и к и и в ц е л о м по о к е а н у . П о с р а в н е н и ю с 1980 г. в целом
п о С е в е р н о й А т л а н т и к е з а г р я з н е н и е пленочной н е ф т ь ю повысится
на 1,16 % , а с о д е р ж а н и е р а с т в о р е н н о - э м у л ь г и р о в а н н ы х нефтяных
у г л е в о д о р о д о в по с р а в н е н и ю с 1975 г. д о л ж н о в о з р а с т и на 0,012
и 0,008 м г / л с о о т в е т с т в е н н о в с л о я х 0 — 1 и 0 — 1 0 0 м. Н а и б о л ы
ш е г о п р и р о с т а у р о в н я з а г р я з н е н и я с л е д у е т о ж и д а т ь д л я централь-!
ного субтропического и канарского районов.
I
360:
Таблица 5.3
Прогноз уровня загрязненности отдельных районов Северной Атлантики
на перспективу до 2005 г. (Симонов и др., 1986)
Год
Район
Площадь нефтяных пленок, %
1980
1984
2005
Северо-восточный
—
Северный центральный
субтропический
1980
1983
2005
0,30
Канарский
1980
1983
1984
2005
0,59
1,02
1975
1984
2005
1975
1980
1983
1984
2005
Гольфстрим
Северная Атлантика
в целом
0,51
1,40
—
2,20
—
—
—
—
0,44
0,62
—
1,60
Содержани е нефтяных
у г л е в о д о р одов, м г / л
0—1 м
0—100 м
0,023
0,019
0,029
0,022
0,017
0,050
0,034
0,018
0,042
0,059
0,030
0,039
0,046
0,013
0,024
0,015
0,018
0,025
0,018
0,014.
0,022
0,017
0,013
0,034
0,026
0,013
0,033
0,045
'
0,023
0,030
0,035
0,010
0,019
0,012
0,013
0,018
ГЛАВА 6. ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
НА ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ МОРСКИХ ОРГАНИЗМОВ
Г
Л
г'
* ,4- •••"•А
В
результате
целенаправленных
эколого-токсикологических
исследований к н а с т о я щ е м у времени с л о ж и л и с ь д о с т а т о ч н о уверенные представления о х а р а к т е р е токсических и физиологических воздействий з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в на ж и з н е д е я т е л ь н о с т ь
различных видов г и д р о б и о н т о в ^ Э т и воздействия полезно р а с с м а т р и в а т ь на примере отдельных групп м о р с к и х организмов.
\
6.1. Загрязняющие вещества в фитоценозах
! ' " О д н о к л е т о ч н ы е водоросли о б р а з у ю т первое звено в пищевых
цепях океана, ф о р м и р у я биопродукционные х а р а к т е р и с т и к и морских экосистем. П о э т о м у отрицательное влияние загрязнения морской с р е д ы м о ж е т в ы р а ж а т ь с я в изменении о б ъ е м а первичной
продукции и в нарушении с т р у к т у р ы с о о б щ е с т в а , когда чувствительные виды п о г и б а ю т и з а м е щ а ю т с я трофически менее ценными. П о с л е д н е е с о п р о в о ж д а е т с я н а р у ш е н и я м и переноса энергии
361
и вещества в высшие трофические уровниДПрактически все виды
морского фитопланктона отличаются « « с а к о й чувствительностью
к з а г р я з н я ю щ и м в е щ е с т в а м и п р о я в л я ю т с п о с о б н о с т ь к интенсивн о м у н а к о п л е н и ю х и м и ч е с к и х а г е н т о в . О т м е ч е н а с п о с о б н о с т ь нек о т о р ы х т я ж е л ы х м е т а л л о в н а р у ш а т ь с т р у к т у р у х р о м о с о м и под а в л я т ь синтез х л о р о ф и л л а .
Хлорорганические соединения о к а з ы в а ю т ингибирующее влияние на ф е р м е н т н ы е с и с т е м ы в м е м б р а н а х , о т в е т с т в е н н ы х з а м е т а -
0
1
ю
f
20
1
30
I
1
4-0 С мкг/л
Рис. 6.1. Зависимость интенсивности фотосинтеза от воздействия токсичных веществ в Куршском заливе в весенне-летний период (Шуляковский, ,1985).
Н П — нефтепродукты
льяльной
воды.
б о л и з м а з о т а в к л е т к а х , и на с т р у к т у р у х л о р о п л а с т о в в о д о р о с л е й .
Гидрофобность
хлорорганических
пестицидов
способствует
их
локализации в фосфоглицеридах двойного липидного слоя клеточн ы х м е м б р а н , что п р и в о д и т к н а р у ш е н и ю п е р е н о с а б и о г е н н ы х элементов в клетку.
г~
Отрицательное влияние нефтяных углеводородов и детергентов
о б ъ я с н я е т с я их л и п о ф и л ь н о й п р и р о д о й , б л а г о д а р я к о т о р о й они
л е г к о п р о н и к а ю т через л и п о п р о т е и д н ы е к л е т о ч н ы е б а р ь е р ы в о д о рослей, вызывая р а з б у х а н и е липидного слоя, разрыв
клеточной!
/ оболочки, нарушения метаболизма и морфологии клеток.
Х а р а к т е р н о й чертой р е а г и р о в а н и я в о д о р о с л е й на п р и с у т с т в и е
^ з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в я в л я е т с я с т и м у л я ц и я ф о т о с и н т е з а при
1 н и з к и х к о н ц е н т р а ц и я х т о к с и ч н ы х в е щ е с т в или его и н г и б и р о в а н и е
J при п о в ы ш е н и и к о н ц е н т р а ц и и . С т и м у л и р у ю щ и й э ф ф е к т отмеча-j
i е т с я при к о н ц е н т р а ц и и р т у т и д о 0,1 м к г / л , к а д м и я 2 5 — 1 0 0 мкг/л,j
I цинка
10—15
мкг/л,
тафтяных удяавппорпяпв
1 — 100 мкг/л;
5 (рис. 6.1 и 6.2), п о л и х л ф б и ф е н и л о в — д о 0,2 мкг/л. П о в ы ш е н и е !
скорости фотосинтеза и деления растительных клеток объясняется к а к общей активизацией регуляторных физиолого-биохими; ч е с к и х м е х а н и з м о в при м а л ы х д о з а х я д о в , т а к и н а р у ш е н и е м сим•362
биотических взаимоотношений между клеткой и проживающими
н а ее п о в е р х н о с т и б а к т е р и я м и , к о т о р ы е и с п о л ь з у ю т в н е к л е т о ч н ы е
п р о д у к т ы м е т а б о л и з м а ф и т о п л а н к т о н а в к а ч е с т в е и с т о ч н и к а пит а н и я . С т и м у л и р у ю щ е е д е й с т в и е н е ф т е п р о д у к т о в м о ж е т б ы т ь связ а н о с п р и с у т с т в и е м в них н е к о т о р ы х м е т а л л о о р г а н и ч е с к и х с о е д и нений, и г р а ю щ и х р о л ь с т и м у л я т о р о в р о с т а к л е т о к ( Ц в ы л е в , Т к а ченко, 1985).
<р%
—як///
\
\
V
V/
1
1
1
10
i •
100
1000
. 1
С мкг/л
Рис. 6.2. Зависимость интенсивности фотосинтеза природного фитопланктона
I от воздействия нефтепродуктов льяльной воды в Северо-Западной Атлантике
по группам станции (I—VI) в зависимости от видового состава водорослей
(Шуляковский, 1985).
С у в е л и ч е н и е м к о н ц е н т р а ц и и р т у т и в с р е д е от 1 д о 100 м к г / л
токсический эффект нарастает и вызывает полное прекращение
жизнедеятельности клеток. Замечено более сильное подавление
скорости ассимиляции углерода в присутствии метилированных
с о е д и н е н и й р т у т и по с р а в н е н и ю с ионной ф о р м о й : и н г и б и р у ю щ и й
э ф ф е к т п р о я в л я е т с я при к о н ц е н т р а ц и и 1 — 1 0 м к г / л . Д л я м е д и
(выявлено о б р а т н о е с о о т н о ш е н и е : ионы м е д и б о л е е т о к с и ч н ы , чем
iee о р г а н и ч е с к и е ф о р м ы с о д е р ж а н и я . И н г и б и р у ю щ е е д е й с т в и е подов м е д и о б н а р у ж и в а е т с я при к о н ц е н т р а ц и и м е н е е 10 м к г / л ,
,а о р г а н и ч е с к и х ф о р м — п р и
концентрации
1 0 — 5 0 мкг/л. При.знаки о с т р о й т о к с и ч н о с т и д е й с т в и я с в и н ц а и к а д м и я ( у м е н ь ш е н и е
с к о р о с т и д е л е н и я и ф о т о с и н т е з а на 5 0 — 1 0 0 % по с р а в н е н и ю
с к о н т р о л е м ) в д л и т е л ь н ы х о п ы т а х п р о я в л я ю т с я при к о н ц е н т р а ц и и 100 м к г / л , а с ее у в е л и ч е н и е м д о 1000 м к г / л ж и з н е д е я т е л ь н о с т ь к л е т о к через 1 5 — 2 0 с у т п р а к т и ч е с к и п р е к р а щ а е т с я . К о н ц е н т р а ц и я м е т а л л о в б о л е е 100 м к г / л и н г и б и р у е т ж и з н е д е я т е л ь н о с т ь
в с е х видов водорослей. В порядке повышения устойчивости водорослей к воздействию металлов, концентрация которых составл я е т 1 0 0 — 1 0 0 0 м к г / л , их м о ж н о р а с п о л о ж и т ь в с л е д у ю щ и й р я д :
д и а т о м о в ы е — п е р и д и н и е в ы е — з е л е н ы е м о р с к и е — з е л е н ы е преснов о д н ы е . П о с т е п е н и в о з д е й с т в и я на п р и р о д н ы й ф и т о п л а н к т о н и
363:
эффективным * концентрациям (мкг/л) основные металлы т а к ж е
подчиняются
определенному
соотношению:
Hg(<l,0)>Cu(<
< 5 , 0 ) > Z n ( > 2 5 , 0 ) > C d ( < 4 0 , 0 ) > N i ( > 6 0 , 0 ) > P b ( < 100).
Е с л и с р а в н и т ь э ф ф е к т и в н ы е и р е а л ь н ы е к о н ц е н т р а ц и и основн ы х т я ж е л ы х м е т а л л о в в о к е а н е (рис. 6.3), то по р а з н о с т и м е ж д у
ними м о ж н о о ц е н и т ь с т е п е н ь о п а с н о с т и к а ж д о г о м е т а л л а д л я
фитопланктона и составить соответствующие ряды потенциальмкг/л
Рис. 6.3. Эффективные и реальные концентрации основных тяжелых металлов:
в Мировом океане, характеризующие степень их биологического риска (Цвылев,
1985).
1 — максимальные концентрации в загрязненных районах, 2 — эффективные
концентрации
д л я природного ф и т о п л а н к т о н а , 3 — средние к о н ц е н т р а ц и и во внутренних морях, 4 — средние
концентрации в открытых районах океана.
|
п о г о р и с к а : д л я ч и с т ы х р а й о н о в C u > H g > Z n > N i > C d > P b , дл5|
загрязненных
районов
Hg> Cu> Zn>Cd>Ni>Pb
(Ткаченко
1985).
К о н ц е н т р а ц и я х л о р о р г а н и ч е с к и х в е щ е с т в ( Д Д Т , его м е т а б о
л и т ы , П Х Б и др.), при к о т о р о й они и н г и б и р у ю т ф о т о с и н т е з , со
ставляет 1 — 1 0 0 0 мкг/л, пороговые концентрации 0 , 1 — 1 , 0 мкг/л
П о р е з у л ь т а т а м с у т о ч н ы х о п ы т о в , у м е н ь ш е н и е интеисивност1
ф о т о с и н т е з а на 30 % по с р а в н е н и ю с к о н т р о л е м н а ч и н а е т с я у ж |
при к о н ц е н т р а ц и и Д Д Т , Д Д Д и П Х Б , р а в н о й 1 м к г / л . Наиболь!
ш е й т о к с и ч н о с т ь ю д л я в о д о р о с л е й о б л а д а ю т (по степени убыва;
нид) П Х Б , Д Д Т , Д Д Е , д и е л д р и н и эндрин.
Н е ф т е п р о д у к т ы в токсикологическом отношении менее опаснь
п о с к о л ь к у ч у в с т в и т е л ь н о с т ь г и д р о б и о н т о в к ним на 2 — 3 п о р я д к
н и ж е , чем к х л о р о р г а н и ч е с к и м п е с т и ц и д а м и т я ж е л ы м металлам*
В о п ы т а х д л и т е л ь н о с т ь ю д о 50 с у т с н и ж е н и е с к о р о с т и а с с и м и л *
:ции у г л е р о д а д о 40 % от к о н т р о л я н а б л ю д а е т с я при к о н ц е н т р а
ц и и н е ф т я н ы х у г л е в о д о р о д о в 0,05 м г / л .
* Эффективными называются концентрации, вызывающие достоверный инп
бирующий или стимулирующий эффект.
364:
Д е й с т в и е детергентов на в о д о р о с л и г р у п п ы х л о р е л л ы начинается с концентраций, п р е в ы ш а ю щ и х 50 мг/л. П о р о г о в ы е концент р а ц и и э м у л ь г а т о р о в нефти (детергентов типа берол-02, -198,
Э П Н - 5 ) по отношению к различным в и д а м водорослей отмечаются в п р е д е л а х 8 — 8 0 мг/л и д а ж е д о 500 мг/л.
{ ' В р е а л ь н ы х у с л о в и я х загрязнения природных экосистем всег д а п р и с у т с т в у е т и д е й с т в у е т несколько токсичных веществ. П р и
этом нередко в о з н и к а ю т э ф ф е к т ы синергизма, когда совместный
токсический э ф ф е к т превосходит аналогичные э ф ф е к т ы воздействия к а ж д о г о в е щ е с т в а в отдельности. Т а к , э ф ф е к т с о в м е с т н о г о
действия Д Д Т и нефти во много раз превосходит их р а з д е л ь н о е
действие на скорость деления д и а т о м о в ы х в о д о р о с л е й ^ С о в м е с т ное действие т я ж е л ы х м е т а л л о в м о ж е т п р о я в л я т ь с я через гидроо к с и д ж е л е з а , который с л у ж и т к о л л е к т о р о м а д с о р б и р о в а н н ы х на
нем м е т а л л о в . К о н ц е н т р а ц и я ртути 10 мкг/л при концентрации
ж е л е з а 100—1500 мкг/л приводит к с н и ж е н и ю численности клет о к зеленых водорослей на 2 0 — 5 0 % .
И н г и б и р у ю щ а я роль ртути, свинца и к а д м и я з а м е т н о усилив а е т с я в присутствии д е т е р г е н т а . Н а п р и м е р , концентрация детергента 0,5 мг/л несколько с т и м у л и р у е т развитие водорослей, а токсическое действие м е т а л л о в в присутствии этого ж е количества
д е т е р г е н т а у с и л и в а е т с я на 2 0 — 3 0 % . Причина явления состоит
в том, что м е т а л л ы (особенно р т у т ь ) о б р а з у ю т комплексные соединения с д е т е р г е н т о м , в процессе д е г р а д а ц и и которых возникают
в е щ е с т в а более токсичные, чем исходные
( В . Н.
Ткаченко,
О . П. Ц в ы л е в , 1985).
П р и м е р о м одновременного присутствия разных групп загрязняющих в е щ е с т в я в л я ю т с я промышленные, б ы т о в ы е и сельскохозяйственные сточные воды. С и л ь н о р а з б а в л е н н ы е сточные в о д ы
с т и м у л и р у ю т рост водорослей, о д н а к о если концентрация загрязн я ю щ и х в е щ е с т в в них велика, они п о д а в л я ю т их рост. Д а н н ы е
л а б о р а т о р н ы х опытов и полевых н а б л ю д е н и й
свидетельствуют
0 том, что в основе биологического э ф ф е к т а сточных вод л е ж и т
в з а и м о д е й с т в и е м е ж д у многочисленными составными элементами.
В ы б р о с ы сточных вод м о г у т приводить к н а р у ш е н и ю видового
с о с т а в а и у м е н ь ш е н и ю р а з м е р а к л е т о к фитопланктона. Т а к , у поб е р е ж ь я Л и в а н а на расстоянии ДО км от сточных к о л л е к т о р о в
н а б л ю д а л о с ь з а м е щ е н и е д и а т о м о в ы х водорослей, типичных д л я
чистых районов моря, сине-зелеными и д и н о ф л а г е л л а т а м и . Одновременно произошли сукцессионные аномалии, когда весенний
и осенний м а к с и м у м ы плотности фитопланктона сместились к од1 ному л е т н е м у пику ( П у ш е р - П е т к о в и ч ,
1976).
6.2. З а г р я з н я ю щ и е в е щ е с т в а в трофических цепях
м о р с к и х биоценозов
|
Д а н н ы е э к с п е р и м е н т а л ь н ы х исследований п о к а з а л и в ы с о к у ю
'чувствительность зоопланктона к з а г р я з н я ю щ и м в е щ е с т в а м . П р и
наличии с у б л е т а л ь н ы х концентраций л ю б ы х токсичных в е щ е с т в
365:
в среде н а р у ш а е т с я трофическая активность рачков-Фильтраторов:
с н и ж а ю т с я скорости биофильтрации и потребления" пищи. Р а к о о б р а з н ы е на ранних с т а д и я х онтогенеза ( н а у п л и у с ы и личинки
разного в о з р а с т а ) о б л а д а ю т значительно меньшей у с т о й ч и в о с т ь ю
к воздействию токсичных в е щ е с т в по сравнению с половозрелыми
особямиJ
П р й с р а в н и т е л ь н о м анализе биологического действия на организмы зоопланктона у с т а н о в л е н х р я д уменьшения
токсичности
Эмульгаторы
нефти
Растворенные и эмульгированные
нефтепродукты
Диспергенты
Хлорорганические вещестба
(ДДТ, ПХБ и 8р.)
Металлы
i
10's
/
.
i
.
1С'3
I
Ю'1
L_
10°
101
I
I
/О3
:
I
1
С нг/л
Рис. 6.4. Диапазоны действующих концентраций различных загрязняющих веществ для ракообразных (Патин,
1979).
металлов: м е т и л р т у т ь — р т у т ь — медь — цинк — свинец — к а д м и й — хром. О б о б щ е н н ы е д е й с т в у ю щ и е концентрации различных
з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в на группу р а к о о б р а з н ы х ( в к л ю ч а я зоопланктонных) представлены на рис. 6.4. О т с ю д а видно, что наибольшей токсичностью д л я данной группы организмов о б л а д а ю т
хлорорганические пестициды и т я ж е л ы е м е т а л л ы , поскольку диапазон их токсичного действия сдвинут в стороны меньших концентраций.
Н е к о т о р ы е т я ж е л ы е м е т а л л ы и микрокомпоненты химического
с о с т а в а морских вод, хлорорганические пестициды и р а д и о а к т и в ные элементы, несмотря на их малое с о д е р ж а н и е в воде, интенсивно концентрируются гидробионтами разных трофических у р о в ней. Д и а п а з о н ы изменчивости коэффициентов накопления некот о р ы х т я ж е л ы х м е т а л л о в морскими организмами очень широк
(табл. 6.1): от незначительных до огромных (Ю 6 ). Коэффициенты
накопления хлорорганических пестицидов в м о р с к и х м о л л ю с к а х
и р ы б а х о б н а р у ж и в а ю т ч е т к у ю корреляционную связь с раствор и м о с т ь ю Х О П в в о д е (рис. 6.5) и п р о я в л я ю т тенденцию к возр а с т а н и ю с повышением трофического уровня (табл. 6.2).
О д н а к о распределение коэффициентов накопления т я ж е л ы х
м е т а л л о в и Х О П по трофическим уровням имеет сложный х а р а к тер. А к к у м у л я ц и я токсичных в е щ е с т в зависит от их химических
366:
367:
с в о й с т в и ф о р м с о д е р ж а н и я в в о д е ( р а с т в о р , в з в е с и ) , от с п о с о б о в
питания организмов (планктонное, детритное, хищное), а т а к ж е
о т м е х а н и з м о в а д а п т а ц и и и в ы в е д е н и я т о к с и ч н ы х в е щ е с т в из орг а н и з м о в , И м е е т з н а ч е н и е их и с х о д н а я к о н ц е н т р а ц и я в в о д е
:и в р е м я п р е б ы в а н и я г и д р о б и о н т о в в з а г р я з н е н н о й с р е д е .
юоооо
\ V , 4,5}2',h',5!- гексахлорбисренил
2,3,4,2'б'-пентахлорби/ренил
юооо
Ж
SJ
I 1000
й
13:
Е
а
sr
з
2,4,5,2,5 - пентахлорбисренил
^Р
2,5,2','с'
5'-тетрахлорбисренил
ХБ
2,5,2'- трихлорбшренил
Алдрин\
Делдрин
<$S">3ндрин
K V Гептахлорэпоксид
Метоксихлор V^v
„ ,
ддд
ДД 7
,
\^Эндрин
ос - зндосулыран «\
У
• Х
\
\
\
./7*9»
\
сс-ГХЦГ»
у 'ГХЦГ^
100
8-
\ Тетрахлорзтилсн
О 1
10
Карботетрахлорид
• 2
_L
0,001 0,01
0,1
1
10
Растборимость
100
1000 мг/л
Рис. 6.5. Коэффициенты накопления различных хлорорганических
веществ в массе сырого вещества морских моллюсков (2) и рыб (1)
в зависимости от растворимости ХОВ в воде (Эрнст, 1980).
Так, а к к у м у л я ц и я ртути личинками кижуча усиливается с возр а с т а н и е м к о н ц е н т р а ц и и р т у т и в в о д е , но н а ч и н а я с 9 - й — 1 0 - й нед е л и и н т е н с и в н о с т ь э т о г о п р о ц е с с а н а ч и н а е т с н и ж а т ь с я (рис. 6.6).
С 9 - й — 10-й н е д е л и р е з к о в о з р а с т а е т т е м п р о с т а личинок, п о э т о м у
относительное с о д е р ж а н и е ртути в личинке уменьшается, хотя
а б с о л ю т н ы й п р и р о с т п р о д о л ж а е т с я . З а счет в о з д е й с т в и я р т у т и
постоянно наблюдается отставание темпов роста мальков лососей
в з а г р я з н е н н о й с р е д е по с р а в н е н и ю с к о н т р о л ь н ы м и в а р и а н т а м и .
Отмечается повышенное накопление свинца и кадмия в покровных
и костных с т р у к т у р а х рыб (скелет, голова, плавники, к о ж а , ж а б ры) по с р а в н е н и ю с н а к о п л е н и е м в м ы ш е ч н ы х т к а н я х . Р т у т ь и м е е т
368:
тенденцию к концентрированию в м ы ш ц а х и печени, поскольку
о б л а д а е т способностью о б р а з о в ы в а т ь прочные комплексы с функциональными г р у п п а м и белков.
-
Таблица 6.2
Накопление пестицидов (метаболитов ДДТ и дильдрина) в биот
р. Гудзон (Кнейп и др., 1972)
Компонент экосистемы
Вода
Планктон
Водоросли
Моллюски
Рыбы
Птицы
Концентрация, 10-* г / г
Коэффициент накопления
0—0,02
20—150
30—100
30—100
30—100
1000-3000
1 000—7 500
1 500—5 000
1 500—5 000
1 500—5 000
50 000—150 000
У с т а н о в л е н а способность хлорорганических в е щ е с т в раствор я т ь с я и н е о б р а т и м о н а к а п л и в а т ь с я в липидных ф р а к ц и я х биом а с с ы гидробионтов (рыбий ж и р , печень), поэтому
существует
п о л о ж и т е л ь н а я корреляция м е ж д у с о д е р ж а н и е м хлорорганических
Рис. 6.6. Относительное (а) и абсолютное (б) накопление ртути молодью кижуча (Сторожук, 1985).
Цифры
у
кривых — концентрация
ртути,
мкг/л.
в е щ е с т в и ж и р н о с т ь ю гидробионтов, которое в о р г а н и з м а х нарас т а е т в с л е д у ю щ е м порядке: м ы ш ц ы — семенники — почки — яичн и к и — печень — ж и р о в а я
ткань. Коэффициенты накопления сос т а в л я ю т 1 0 3 — 10 4 и выше. Н а и б о л ь ш у ю опасность п р е д с т а в л я ю т
24
Заказ № 33
369
П Х Б , крайне медленно биодеградирующие, и дильдрин, о б л а д а ю щ и й п о в ы ш е н н о й т о к с и ч н о с т ь ю . П о д а н н ы м и с с л е д о в а н и й 1981 г.,
концентрация Д Д Т и П Х Б в камбале, выловленной в западной
ч а с т и Б а л т и к и , с о с т а в л я л а 0,005—0,73 м г / к г в печени и 0 , 0 5 —
0 , 3 1 7 м г / к г ( с ы р о е в е щ е с т в о ) в я и ч н и к а х . К а к с л е д с т в и е , при инк у б а ц и и и к р ы п о л у ч и л а с ь в ы с о к а я с м е р т н о с т ь личинок. Э т о свид е т е л ь с т в у е т о т о м , что н е к о т о р ы е с а м к и р ы б н а к а п л и в а ю т в с в о и х
Таблица 6.3
Концентрация синтетических поверхностно-активных веществ (мг/л),
приводящая к 50 %-ной смертности типичных морских беспозвоночных
(Нельсон-Смит, 1977)
Анионактивные СПАВ
Неионогенные СПАВ
48 ч
96 ч
48 ч
96 ч
1,0—10
1,0—5,0
1,0—5,0
0,1—2,5
10—25
0,1—1,0
0,5—5,0
0,1—2,5
100
—
33—100
Вид беспозвоночных
Полихета Capitella
capltata
Полихета Scolelepis
fuliginosa
Креветка Crangon
crangoti
Изопода Sphaeroma
serratum
Мидия Mytilus
gallaprovincialis
800
10—25
10—100
5,0—50
800
5,0—25
1,0—25
0,5—50
о р г а н а х ч р е з м е р н о е к о л и ч е с т в о Х О П , т о к с и ч н о е д л я их п о т о м с т в а .
Накоплением этих веществ в ворвани балтийских тюленей можно
р б ъ я с н и т ь о с л а б л е н и е их р е п р о д у к т и в н ы х с п о с о б н о с т е й . В 1980 г.
с т а д о к о л ь ч а т о й нерпы, о б и т а ю щ е й в Б о т н и ч е с к о м з а л и в е , и м е л о
т о л ь к о 27 % б е р е м е н н ы х с а м о к , в ж и р е к о т о р ы х с о д е р ж а н и е Д Д Т
и П Х Б с о с т а в л я л о с о о т в е т с т в е н н о 88 и 73 м г / к г . О с т а л ь н ы е с а м к и
р е п р о д у к т и в н о г о в о з р а с т а не имели п о т о м с т в а , п о с к о л ь к у их ж и р о в ы е т к а н и н а к о п и л и Д Д Т и П Х Б в 1,5 р а з а б о л ь ш е . С о д е р ж а ние Д Д Т в я й ц а х н и д е р л а н д с к и х б а к л а н о в ( 1 9 7 1 г.) с т о л щ и н о й
с к о р л у п ы 0,45 мм с о с т а в л я л о 2 м г / к г и д и е л д р и н а 0 , 3 — 0 , 5 м г / к г
с ы р о й м а с с ы , в я й ц а х ж е с т о л щ и н о й с к о р л у п ы 0,35 мм оно б ы л о
в 6 и 10 р а з б о л ь ш е с о о т в е т с т в е н н о . З а счет э т о г о ф а к т о р а в 60-х —
70-х г о д а х во многих к о л о н и я х п р и б р е ж н ы х птиц с и л ь н о у м е н ь ш и л а с ь их ч и с л е н н о с т ь ( Г е р л а х , 1985).
Л а б о р а т о р н ы е испытания д а ю т возможность оценить токсичн о с т ь С П А В на м о р с к и х б е с п о з в о н о ч н ы х ( т а б л . 6.3). О т с ю д а видно, что н е и о н о г е н н ы е С П А В б о л е е т о к с и ч н ы , чем а н и о н о а к т и в н ы е .
По заключению С. А. Патина (1979), органические компоненты
химического загрязнения в порядке снижения токсичности образуют следующий ряд: хлорорганические вещества — растворенные
и э м у л ь г и р о в а н н ы е н е ф т е п р о д у к т ы —- п о в е р х н о с т н о - а к т и в н ы е вещества
( д е т е р г е н т ы и э м у л ь г а т о р ы нефти). Д и а п а з о н ы мини370:
мальных пороговых и токсичных концентраций для этих трех
групп веществ составляют соответственно 1 0 - 5 — Ю - 2 ,
Ю-2—Ю-1
и Ю - 1 — 10° м г / л по о т н о ш е н и ю к с о в о к у п н о с т и н а и б о л е е ч у в с т в и тельных видов и форм основных групп морских организмов.
В ц е л о м по М и р о в о м у о к е а н у о т м е ч а е т с я о б щ а я т е н д е н ц и я повышения в 2 — 4 раза средних концентраций т я ж е л ы х металлов
в р ы б а х в н у т р е н н и х м о р е й по с р а в н е н и ю с о к е а н и ч е с к и м и в и д а м и ,
соответствующая крупномасштабной закономерности
повышения
уровня загрязнения морской среды и направленности естественных г е о х и м и ч е с к и х п р о ц е с с о в .
Загрязнение
ихтиофауны
хлорорганическими
, веществами
( Д Д Т и П Х Б ) также закономерно нарастает в ряду: пелагиаль —
н е р и т и ч е с к а я з о н а — в н у т р е н н и е моря. С о д е р ж а н и е Д Д Т и П Х Б
в м о р с к и х в и д а х , к а к п р а в и л о , на п о р я д о к и б о л е е п р е в ы ш а е т их
содержание в океанических рыбах.
О б щ е е с о д е р ж а н и е ртути, свинца и кадмия в океанических
м о р е п р о д у к т а х не д о с т и г а е т у р о в н е й , о п а с н ы х д л я
здоровья
ч е л о в е к а . Н а п р и м е р , при с р е д н е м е ж е д н е в н о м п о т р е б л е н и и р ы б ы
во Ф р а н ц и и , р а в н о м 232 г на 1 ч е л о в е к а , п о г л о щ е н и е р т у т и сос т а в л я е т 3 1 , 3 м к г / с у т , что з н а ч и т е л ь н о м е н ь ш е д о п у с т и м о г о потребления общей ртути, установленного экспертами В О З и равн о г о 300 м к г в н е д е л ю . О д н а к о в о т д е л ь н ы х с и т у а ц и я х л о к а л ь н о г о
загрязнения уровни концентрирования токсичных металлов в рыбе
м о г у т д о с т и г а т ь о п а с н ы х значений, с в и д е т е л ь с т в о м ч е м у я в л я ются неоднократные случаи появления болезни М и н а м а т а .
6.3. Н а к о п л е н и е р а д и о н у к л и д о в г и д р о б и о н т а м и
Биологическое действие различных радиоизотопов зависит от
в и д а и с п у с к а е м о г о ими и з л у ч е н и я . А л ь ф а - ч а с т и ц ы
проникают
в н е п о в р е ж д е н н ы е т к а н и д о г л у б и н ы 0,06 мм, б е т а - и з л у ч е н и е —
д о -20 мм, г а м м а - л у ч и п р о х о д я т с к в о з ь л ю б ы е т к а н и п р а к т и ч е с к и
беспрепятственно. Радиооблучение морских организмов вызывают
т а к ж е и и з о т о п ы , в к л ю ч а ю щ и е с я в их т к а н и . П о э т о м у о р г а н и з м ы
разных форм и размеров по-разному переносят действие радиации. Р а д и о а к т и в н о е и з л у ч е н и е о к а з ы в а е т н е б л а г о п р и я т н о е возд е й с т в и е на р а з л и ч н ы е ф и з и о л о г и ч е с к и е п р о ц е с с ы , а т а к ж е н а
гены в хромосомах живых клеток (мутагенный эффект).
У с в о е н и е г и д р о б и о н т а м и р а д и о н у к л и д о в из в о д н о й с р е д ы о с у щ е с т в л я е т с я через п о к р о в н ы е т к а н и , ж а б е р н ы й а п п а р а т или пищев а р и т е л ь н ы й т р а к т , причем а с с и м и л я ц и я их п р о и с х о д и т к а к пассивно, т а к и а к т и в н о ( П е р ц о в , 1 9 7 8 ) . П а с с и в н ы й о б м е н с в я з а н
с выравниванием градиентов концентраций солей в воде и тканях и представляет собой поверхностную адсорбцию, эффективн о с т ь к о т о р о й во м н о г о м з а в и с и т от п л о щ а д и п о к р о в н ы х т к а н е й .
Последнее обусловливает исключительно интенсивное накопление
р а д и о н у к л и д о в о р г а н и з м а м и с р а з в и т о й п о в е р х н о с т ь ю т е л а (фит о п л а н к т о н , рачки, г у б к и и др.). А к т и в н ы й п р о ц е с с н а к о п л е н и я
с в я з а н со с п о с о б н о с т ь ю б и о л о г и ч е с к и х м е м б р а н к п о г л о щ е н и ю
24*
371
р а д и о н у к л и д о в из в о д н о й с р е д ы . П р и в ы с о к о й р а д и о а к т и в н о с т и
морской воды в гидробионтах преобладает адсорбционный путь
з а х в а т а р а д и о н у к л и д о в . П р и низкой а к т и в н о с т и с р е д ы о с н о в н у ю
роль в загрязнении организмов могут играть трофические связи
с п е р е д а ч е й н у к л и д о в по з в е н ь я м п и щ е в ы х цепей. П л а н к т о н н ы е
о р г а н и з м ы н а к а п л и в а ю т р а д и о н у к л и д ы из с р е д ы при б и о а с с и м и ляции, адсорбции и биофильтрации.
Таблица 6.4
Коэффициенты накопления радионуклидов в морских организмах
(Поликарпов, 1964)
Организм
Динофлагеллята
Зеленые водоросли
Диатомовые водоросли
Бурые водоросли
Кишечнополостные
Ракообразные
Моллюски (раковина)
Моллюски (тело)
Рыбы (икра)
•°Sr
6
1—4
1—17
14—40
1
0,1—8
10
0,9
0,8
'«Cs
1— 2
27— 30
7
2— 15
0
6— 12
soy
630—900
—
220
40
100—110
250
12
100—1000
'«Се
340
340—2 400
2 000—3 300
350
140
180—220
40
360
—
К о э ф ф и ц и е н т ы н а к о п л е н и я * 55 > 59 Fe и 6 0 С о в в е щ е с т в е фитоп л а н к т о н а ( д и а т о м о в ы е в о д о р о с л и ) очень в е л и к и и с о с т а в л я ю т
десятки и сотни тысяч. Значения коэффициентов накопления для
9 0 S r с о с т а в л я ю т 7 0 — 1 5 0 0 , д л я 1 4 4 С е — о к о л о 200 и д л я 1 3 7 C s т о л ь к о
1 — 2 . С к о р о с т ь а к к у м у л я ц и и д о в о л ь н о з н а ч и т е л ь н а : от н е с к о л ь к и х минут до нескольких суток. Т а к ж е быстро накапливаются
S 0 C o , 6 5 Z n , 1 0 6 Ru, 1 3 1 Y и д р у г и е о с к о л о ч н ы е
радионуклиды.
П о г л о щ е н и е р а д и о н у к л и д о в м о р с к и м и о р г а н и з м а м и идет пар а л л е л ь н о у с в о е н и ю ими т о г о или иного с т а б и л ь н о г о
аналога,
который в обычных условиях накапливается данным организмом.
Например, было о б н а р у ж е н о повышенное содержание 54Мп в пластинчато-жаберных моллюсках и кольчатых червях,
аккумулирующих и стабильный марганец. Поведение плутония в морской
б и о т е т а к ж е з а в и с и т от т р о ф и ч е с к о г о у р о в н я о р г а н и з м о в , причем
организмы более высоких уровней накапливают Ри в меньшем
о б ъ е м е . К з д л я Ри" в р ы б а х в 2 5 — 3 0 р а з м е н ь ш е , чем в в о д о р о с л я х . В ц е л о м по р е з у л ь т а т а м о б о б щ е н и я д а н н ы х н а б л ю д е н и й ,
п р я м а я с в я з ь м е ж д у Кн и т р о ф и ч е с к и м у р о в н е м о р г а н и з м о в не
о б н а р у ж и в а е т с я ( т а б л . 6.4).
Н а к о п л е н и е 9 0 S r и 1 3 7 C s в г и д р о б и о н т а х з а в и с и т от с о л е н о с т и
в о д ы и от к о н ц е н т р а ц и и х и м и ч е с к и х а н а л о г о в э т и х р а д и о н у к л и д о в — к а л ь ц и я и к а л и я . С у м е н ь ш е н и е м с о л е н о с т и Кп э т и х р а д и о * Коэффициент накопления Ка токсичных веществ — отношение концентрации токсичного вещества в единице массы живого вещества к концентрации
в такой же массе окружающей воды.
372:
нуклидов обычно возрастают. Концентрации 9 0 Sr и 137 Cs возрастают в рыбах и воде в направлении от ю ж н ы х акваторий океанов
к северным и достигают максимальных значений во внутренних
мелководных морях северного полушария.
6.4. Воздействие теплового загрязнения водной среды
Тепловое загрязнение поверхностных водоемов и прибрежных
морских акваторий возникает в результате сброса нагретых сточных вод электростанциями и некоторыми промышленными производствами.
Таблица 6.5
Оценки потребления пресной воды атомными электростанциями США
с 1980 по 2000 г. (Белтер, 1975)
Год
Предполагаемая
мощность, тыс. Мвт
Объем воды, необходимой для охлаждения, м 5 /с
Потери на испарение, м 3 /т
1980
1985
1990
2000
102000
250 000
475 000
1 090 0 0 0
1 685
3 741
8 227
20 4 3 7
53
184
416
1 050
В конце 60-х годов в Великобритании д л я о х л а ж д е н и я конденсаторов на электростанциях использовалось 18-10 9 м 3 /год. По
прогнозам, в течение 90-х годов XX в. более 40 .% речного стока
С Ш А (табл. 6.5) будет поступать на охлаждение установок, хотя
и предполагается две трети всех конденсаторов перевести на
о х л а ж д е н и е по замкнутому циклу.
Сброс нагретых вод во многих случаях обусловливает повышение температуры воды в водоемах на 6—8° С. П л о щ а д ь пятен
нагретых вод в прибрежных районах моря может достигать
30 км 2 . Б о л е е устойчивая т е м п е р а т у р н а я стратификация препятствует нормальному водообмену м е ж д у поверхностным и подстил а ю щ и м слоями. Растворимость кислорода уменьшается, а потребление его возрастает, поскольку с ростом температуры
усиливается активность аэробных бактерий, р а з л а г а ю щ и х органическое вещество. П о н и ж а е т с я концентрация и других газов.
Например, при уменьшении содержания азота в воде наблюдались случаи гибели рыб от газовой эмболии (появление микропузырьков азота в крови рыб).
В экосистемах, загрязненных теплом, значительно меняется
метаболизм сообществ. Усиливается клеточная активность и интенсивность дыхания всего биоценоза. Уменьшается видовое разнообразие фитопланктона и всей флоры водорослей. Например,
при повышении температуры на 10 °С видовое разнообразие диатомей уменьшается в 2,5 р а з а . Тепловое загрязнение стимулирует
373:
с у к ц е с с и ю р а с т и т е л ь н ы х видов. Отмечено, что при 25 °С д и а т о мовые водоросли с м е н я ю т с я зелеными (хлорофитами), к о т о р ы е
при 3 3 — 3 5 °С у с т у п а ю т место сине-зеленым (цианофитам). А н о мальное увеличение м а с с ы сине-зеленых о к а з ы в а е т о т р и ц а т е л ь ное воздействие на водных р а с т и т е л ь н о я д н ы х беспозвоночных и
позвоночных, поскольку пищевые свойства сине-зеленых х у ж е , чем
у х л о р о ф и т о в и диатомей. К р о м е того, сине-зеленые
содержат
токсины, способные а к к у м у л и р о в а т ь с я в пищевых цепях. К тепл о в о м у загрязнению очень чувствительны многие члены зооценозов: зоопланктон у м е н ь ш а е т видовое разнообразие, п а д а е т численность личинок различных насекомых, с л у ж а щ и х пищей д л я
рыб. Н е р е д к о с т р а д а ю т моллюски. Т а к , повышение т е м п е р а т у р ы
воды на 10 °С в р. С в я т о г о Л а в р е н т и я в районе К в е б е к а привело
к полному уничтожению ф а у н ы моллюсков на акватории б о л е е
40 га.
К а ж д ы й вид рыб можно х а р а к т е р и з о в а т ь нижней л е т а л ь н о й
т е м п е р а т у р о й Г н -л, ниже которой вид не м о ж е т с у щ е с т в о в а т ь , и
верхней летальной т е м п е р а т у р о й Тв. л , выше которой р ы б ы г и б н у т
от избытка тепла. Д л я эвритермных видов рыб, т а к и х , к а к карповые, х а р а к т е р е н широкий д и а п а з о н т е м п е р а т у р среды обитания
и высокие Г в . л- В течение годового цикла рыбы приспосабливаются к изменениям т е м п е р а т у р ы воды. Л е т о м Тв. л у них п о в ы ш а ется, а зимой понижается. В целом ж е д л я костных рыб, имеющих большое промысловое значение, л ю б о е повышение температ у р ы чревато ослаблением пищевого ритма, замедлением прироста
биомассы, более ранним созреванием и выметом икры, меньшей
п р о д о л ж и т е л ь н о с т ь ю жизни.
Э к с п е р т а м и В с е м и р н о й продовольственной организации ( Ф А О )
для континентальных вод у с т а н о в л е н ы с л е д у ю щ и е нормативы: зимой At не более 5 — 6 °С, летом т е м п е р а т у р а не д о л ж н а превыш а т ь д л я сиговых 23 °С и д л я л о с о с е в ы х 21 °С, д л я к а р п о в ы х
At не более 9 °С при максимальной т е м п е р а т у р е 30 °С. Н о р м а тивы, принятые в С С С Р , д о п у с к а ю т летнее At не более 3 °С.
С о б л ю д е н и е необходимых т р е б о в а н и й в о з м о ж н о д в у м я п у т я м и :
1) ускорение процесса смешения с б р а с ы в а е м ы х теплых вод со
всей массой воды водоема (например, сброс в придонные слои),
2) л о к а л и з а ц и я теплых вод в р а й о н а х возникновения и их автономное о х л а ж д е н и е , не связанное с в о д о е м а м и , за счет устройс т в а з а м к н у т ы х оборотных систем в о д о с н а б ж е н и я .
6.5. Загрязнение нейстонного
и плейстонного биоценозов
З а г р я з н я ю щ и е в е щ е с т в а , т я г о т е ю щ и е к поверхностному микро-;
слою, в х о д я т в прямой контакт с организмами, н а с е л я ю щ и м и приповерхностный водный биотоп о к е а н а . В с о с т а в приповерхностных
биоценозов в х о д я т личинки и м а л ь к и многих ценных промысло-;
вых гидробионтов, многие виды фитопланктона, а т а к ж е микробное население, и г р а ю щ е е в а ж н у ю роль в п р о ц е с с а х окисления и
374:
трансформации органического вещества на поверхности океана.
Поэтому загрязнение П М С вызывает наиболее опасные экологические последствия загрязнения океана (Израэль, Цыбань, 1985).
Плейстонные организмы связаны с поверхностной пленкой
океана. Основные виды плейстоцена (физалия, велелла, поркита)
отличаются большой репродуктивной способностью. Н а обширных п л о щ а д я х океана их численность и биомасса довольно высоки
(1 г / м 2 и более).
Нейстонные или гипонейстонные организмы обитают под пленкой поверхностного н а т я ж е н и я в слое воды толщиной 2—5 см.
Видовой состав очень разнообразен: ихтиопланктон, беспозвоночные животные, яйца, личинки и мальки гастропод, двустворчатых
моллюсков, копепод, декапод, сифонофор, полихет. Одни виды
организмов проводят в приповерхностном слое весь жизненный
цикл, другие — только ранние стадии развития (несколько месяд е в ) , третьи — л и ш ь темное в р е м я
суток.
Общая
биомасса
составляет, к а к правило, 2—3 т/км 3 подповерхностных
н е й с т о н и плейстон выступают связующим звеном между сообществами внутри моря. Через них проходят потоки вещества
и энергии, направленные в сопредельные биотопы. Высокие концентрации нефтяных углеводородов, ПХБ, Д Д Т , ПАУ и других
токсичных веществ в поверхностных пленках свидетельствуют
о возможностях накопления нейстоном этих з а г р я з н я ю щ и х веществ в опасных д л я его жизнедеятельности дозах и активного
переноса их в другие биотопы. Наиболее остро реагируют^ на сублетальные концентрации тотеичных. веществ ю в щ и л ы ш е (мрлодйё) '
. р ^ г а в и з м в в ^ ^ о приводит к резко негативным последствиям вплоть до полного нарушения функционирования
сообщества. Так, нефтяные пленки губительно воздействуют на
личинки, рыб, не позволяя им з а г л а т ы в а т ь атмосферный воздух
д л я первичного заполнения плавательного пузыря.
Острому воздействию з а г р я з н я ю щ и х веществ в приповерхностных экосистемах океана подвергается бактерионейстон, основная
экологическая специализация которого состоит в разрушении и
т р а н с ф о р м а ц и и органических' веществ, оседающих из атмосферы
и приходящих из подстилающих слоев. Бактериопланктон представляет собой своеобразный бактериальный ценоз, который характеризуется большой численностью и высокой биомассой, высокой продукцией бактериальной массы, большим разнообразием
I таксонов с преимущественным развитием родов Psedomonas
и
I Achromobacter,
наличием представителей разных физиологических
I групп — протеолитических, липолитических, углеводородоокисляющих, фенолокисляющих и других — в динамических сочетаниях,
о т р а ж а ю щ и х особенности среды их обитания. В единице объема
воды приповерхностного микробиотопа скапливается бактерий
в сотни и тысячи р а з больше, чем в водной толще.
Вследствие воздействия з а г р я з н я ю щ и х веществ на бактерионейстон происходит изменение состава микробиоценозов и нако375:
пление индикаторных форм, угнетение ферментативных с в о й с т в
микробной клетки, з а м е д л е н и е скорости размножения и продуцирования бактерий.
6.6. Экологические последствия загрязнения океана
Н а основании о б о б щ е н и я обширного экспериментального м а т е р и а л а (Израэль, Ц ы б а н ь , 1986) м о ж н о с д е л а т ь вывод, что эфф е к т ы антропогенного воздействия п р о я в л я ю т с я на и н д и в и д у а л ь ном (биологические последствия) и популяционно-биоценотическом
(экологические последствия) у р о в н я х . Биологические п о с л е д с т в и я
в к л ю ч а ю т изменения в о р г а н и з м а х биохимического, морфологического, физиологического и генетического х а р а к т е р а
(Цыбань,.
1979). Н а индивидуальном уровне токсичные вещества п р и в о д я т
к изменениям химического с о с т а в а клетки, х а р а к т е р а ферментативных систем, процессов д ы х а н и я , осмотической регуляции, р о с т а
и размножения, к возникновению мутаций, канцерогенеза, п а т о логических форм, изменению размеров клетки, н а р у ш е н и я м д в и жения и ориентации организмов в пространстве. В о з д е й с т в и я з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в у с и л и в а ю т с я при концентрировании (биоакк у м у л я ц и и ) токсичных в е щ е с т в (некоторые м е т а л л ы , Х О П , П А У ,
р а д и о н у к л и д ы ) в т к а н я х гидробионтов и особенно при п е р е х о д е
энергии пищи с одного трофического уровня на другой.
Н а р у ш е н и я популяционно-биоценотического х а р а к т е р а проявл я ю т с я в изменений средней б и о м а с с ы популяций планктонных
и бентосных организмов, уменьшении числа родов или с е м е й с т в
гидробионтов, появлении новых организмов (например, патогенная м и к р о ф л о р а ) , изменении соотношения м е ж д у п р о ц е с с а м и
продукции и д е с т р у к ц и и органического в е щ е с т в а , нарушении процессов экологического м е т а б о л и з м а , появлении
индикаторных
организмов. Загрязнение морской с р е д ы приводит к у п р о щ е н и ю
с т р у к т у р ы экосистем с заменой высокоспециализированных в и д о в
резистентными (устойчивыми) видами и к снижению р а з н о о б р а з и я
экосистем.
П р и м е р о м последствий длительного воздействия сбросов загрязнений могут с л у ж и т ь изменения, происходящие в э к о с и с т е м е
Черного моря (Миронов, 1987). Только в 1984 г. а к в а т о р и я моря
приняла 68 тыс. т. нефти, 4189 т органических веществ, 40 692 т
взвешенных веществ, 129 тыс. т фосфора и 130 тыс. т а з о т а . Е ж е годно в море с б р а с ы в а е т с я около 3,9 км 3 промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод. З а г р я з н е н и е абиотической с р е д ы
вызывает с у щ е с т в е н н ы е изменения в состоянии ф а у н ы и флоры.
В п р и б р е ж н ы х р а й о н а х моря с т а л о обычным м а с с о в о е р а з в и т и е
одноклеточных водорослей, после отмирания которых у дна возникает дефицит кислорода, в ы з ы в а ю щ и й з а м о р ы рыб. В биологических р е с у р с а х моря происходит с о к р а щ е н и е численности прикрепленных
форм и постепенное омоложение
их популяций.;
В биоценозах бентали северо-западного ш е л ь ф а изменились соотношения экологических групп. Т а к , с 1964 по 1963 г. площадь;
376:
поселений, п о к а з а т е л и б и о м а с с ы и з а п а с о в донного м о л л ю с к а м и дии снизились почти вдвое. В к а т а с т р о ф и ч е с к о м состоянии н а х о д и т с я биоценоз ф и л л о ф л о р ы северо-западной части моря. Запасы?
донных рыб, например к а м б а л ы - к а л к а н а , с о к р а т и л и с ь
за это>
время в 15 раз. Значительно у м е н ь ш и л а с ь численность бычков,,
к а м б а л ы - г л о с с ы и д р у г и х рыб.
Рис. 6.7. Экологические последствия загрязнения океана (Израэль, 1984).
П о д о б н ы е э ф ф е к т ы м о г у т иметь место и в э к о с и с т е м а х о т к р ы того океана, п о с к о л ь к у они строго о т р е г у л и р о в а н ы и более ч у в ствительны к загрязнению. О с о б е н н о р а н и м ы экосистемы, н а х о д я щ и е с я на ранних с т а д и я х сукцессии
(например, экосистемы»апвеллингов), и полярные экосистемы, где снижена скорость процессов биодеградации.
О б щ а я с х е м а экологических последствий загрязнения о к е а н а
п о к а з а н а на рис. 6.7.
В н а с т о я щ е е время океанические биоценозы начинают испытывать постоянное воздействие ф а к т о р о в малой интенсивности —•
низких д о з токсичных в е щ е с т в ( И з р а э л ь , Ц ы б а н ь , 1986). Биохимически устойчивые токсичные в е щ е с т в а в к л ю ч а ю т с я в биологические циклы и активно а к к у м у л и р у ю т с я морскими г и д р о б и о н 377
т а м и . Д л и т е л ь н о е воздействие м а л ы х доз веществ, способных оказ ы в а т ь мутагенный и токсический эффекты, м о ж е т привести к выр а ж е н н ы м нарушениям жизнедеятельности морских организмов
и через цепь п о с л е д о в а т е л ь н ы х реакций в ы з в а т ь нарушения функционирования экосистем открытого океана. Д л я выяснения т а к и х
тенденций необходимы долгопериодные н а б л ю д е н и я за состоянием
п л а н к т о н н ы х с о о б щ е с т в совместно с исследованиями
динамики
экосистем.
В н а с т о я щ е е время средние концентрации наиболее распрос т р а н е н н ы х в о к е а н е токсичных в е щ е с т в на 1 — 3 порядка меньше
их критических значений, прямо в ы з ы в а ю щ и х негативные изменения в э к о с и с т е м а х . О д н а к о у ж е сейчас у р о в е н ь первичной прод у к ц и и в М и р о в о м океане на 10 % ниже прогнозируемого при
у с л о в и и о т с у т с т в и я загрязнения (Патин, 1979).
ГЛАВА 7. ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ
ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ВОДНОЙ СРЕДЕ
П р е д е л ь н о д о п у с т и м ы е концентрации
(ПДК)
загрязняющих
в е щ е с т в несут в а ж н е й ш у ю функцию с т а н д а р т а к а ч е с т в а воды,
призванного обеспечить з д о р о в ь е населения (человека и гидробионтов) и регламентировать возможности сброса загрязняющих
веществ в водную среду.
Понятие о П Д К б а з и р у е т с я на концепции пороговости действия химических в е щ е с т в ( П р а в д и н , 1934). Она п о с т у л и р у е т , что
.для к а ж д о г о в е щ е с т в а , в ы з ы в а ю щ е г о те или иные неблагоприятные эффекты в организме, с у щ е с т в у ю т и могут быть найдены
дозы (концентрации), при которых изменения д а ж е наиболее чувс т в и т е л ь н ы х п о к а з а т е л е й функций организма б у д у т
минимальн ы м и (пороговыми). П р и более низких д о з а х
(концентрациях)
в е щ е с т в о не о к а з ы в а е т вредного воздействия и его присутствие
в водной с р е д е в количестве, не п р е в ы ш а ю щ е м э,ти концентрации,
м о ж н о считать безопасным.
7.1. Виды нормирования ПДК
В течение длительного времени р а з р а б а т ы в а л и с ь и использов а л и с ь д в а вида нормирования П Д К — гигиеническое и рыбохозяйственное.
Гигиеническая П Д К химического в е щ е с т в а в воде — это макс и м а л ь н а я концентрация, которая не влияет прямо или опосредов а н н о на состояние здоровья н а с т о я щ е г о и п о с л е д у ю щ и х поколений человека при воздействии на организм и не у х у д ш а е т гигиенические условия водопользования ( К р а с о в с к и й и др., 1978, 1982).
М е т о д и ч е с к а я с х е м а гигиенических П Д К п р е д у с м а т р и в а е т и з у чение влияния з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в по трем признакам вред-'
378:
ности: санитарно-токсикологический
(чувствительность живых:
организмов к действию токсичных веществ), органолептический'
(окраска, запахи, привкус воды) и общесанитарный (интенсивность БПК, процессов минерализации азотсодержащих веществ,,
развития и отмирания сапрофитной микрофлоры). По каждому из.
признаков вредности находят пороговую (действующую) и подпороговую (недействующую) концентрации. Наименьшая, из них
с соответствующим признаком вредности принимается' как ПДК.
Гигиенические П Д К не предназначались для защиты экологического благополучия водоема. Их зада.ча состояла в обеспечении
без.одашых...ухлоаий..-водо.дользаовянря,
человека? Гигиениче-
ские нормативы регламентируют содержаниё™загрязняющих веществ только в тех водоемах, которые используются для хозяйственно-питьевых и культурно-бытовых целей.
Появление новых, источников загрязнения и расширение их географии привело к возникновению ряда новых аспектов, значениекоторых не ограничивается только опасностью для человека,Стало очевидным, что требования к качеству.,.воды, _потребляемой
разными отраслями народного хозяйства, могут существенно различаться. Это привело :1Г рЖЖйтию самостоятельной системы рыбохозяйственных ПДК, направленной на охрану водоемов - как:
"базы для организаций рыбоводства и рыболовства.
При установлении рыбохозяйственных П Д К применяется специальная схема исследований, включающая оценку влияния химического вещества на процессы самоочищения воды, первичногопродуцирования органического вещества и на жизнедеятельность
отдельных видов гетеротрофных гидробионтов. Тест-объектами
являются представители различных звеньев трофической цепи водных экосистем (бактерии, водоросли, моллюски, ракообразные,,
рыбы). За П Д К принимается наибольшая допустимая (недействующая) концентрация токсичного вещества для наиболее сла^швд^чувствительного) _звена~"ср-еде^-всего набора используемых:
тест-объектов. Здесь также положен в основу принцип лимитир у ю щ е г о показателя вредности. Дополнительным признаком вредюности вводится рыбохозяйственный, оценивающий потерю товарн ы х качеств рыбной продукции из-за накопления в ней недопустимых количеств вредных веществ.
Разработанные вслед за гигиеническими П Д К рыбохозяйственные нормативы явились логическим дополнением к водному санитарному законодательству. «Правила охраны поверхностных вод.
от загрязнения сточными водами» (№ 372—61) и «Правила саяйтарной охраны морей» (№ 483—14) содержат П Д К вредных' веществ для водных объектов хозяйственно-бытового водопользования для рыбохозяйственных водоемов. К 1988 г. было установлено 959 санитарно-гигиенических и 420 рыбохозяйственных нор-^
мативов.
-—-—
V Существующий разрыв между числом новых химических веществ, внедряемых в производство, и реальными возможностями
установления для них обоснованных П Д К заставляет использо37ft
ж а т ь р а з л и ч н ы е с п о с о б ы д л я п о л у ч е н и я в р е м е н н ы х значений П Д К .
Э т о п о з в о л я е т з а р а н е е в ы б р а т ь н а и б о л е е э ф ф е к т и в н ы й и эконом и ч е с к и о п р а в д а н н ы й с п о с о б о ч и с т к и с т о ч н ы х в о д . Н а и б о л е е перспективным является математический метод, с помощью которого
ж о ж н о прогнозировать токсическое действие химических соедин е н и й к а к по их ф и з и к о - х и м и ч е с к и м с в о й с т в а м , т а к и по р е з у л ь т а т а м т о к с и к о л о г и ч е с к и х и с п ы т а н и й . Д л я многих в е щ е с т в р а с с ч и Таблица 7.1
Сопоставление некоторых рыбохозяйственных и гигиенических ПДК
(Каминский, 1980)
Рыбохозяйственные П Д К
Загрязняющее
вещество
Аммиак
Анилин
Гигиенические П Д К
Лимитирующий
показатель вредности
ПДК
мг/л
Лимитирующий показатель
вредности
ПДК
мг/л
Токсикологический
0,05
0,0001
Общесанитарный
Санитарно-токсикологический
Органолептический
Санитарно-токсикологический
То же
Органолептический
Санитарно-токсикологический
То же
Органолептический
Санитарно-токсикологический
Общесанитарный
2,0
0,1
Гексахлоран
-ДДТ
0,01
0,0
-Кадмий
Карбофос
Кобальт
0,005
0,0
0,01
Никель
Хлорофос
Цианиды
0,01
0,0
0,05
Цинк
0,01
0,02
0,1
0,01
0,05
1,0
0,1
0,05
0,1
1,0
т а н н ы е з н а ч е н и я м а к с и м а л ь н о н е д е й с т в у ю щ е й д о з ы ( М Н Д ) дов о л ь н о б л и з к о с о в п а д а ю т с п о л у ч е н н ы м и в д л и т е л ь н ы х хроничес к и х экспериментах. Так, для нитросоединений выведена .формула
l g М Н Д = 0,88 l g L D 5 0 - 3,6,
(7.1)
т д е LDso — л е т а л ь н а я д о з а х и м и ч е с к о г о в е щ е с т в а , в ы з ы в а ю щ а я при
в в е д е н и и в о р г а н и з м г и б е л ь 50 % ж и в о т н ы х , мг/кг.
И з т а б л . 7.1 в и д н о , что м н о г и е ' с о е д и н е н и я , о с т р о т о к с и ч н ы е д л я
в о д н ы х б и о ц е н о з о в , г и г и е н и ч е с к и м и П Д К н о р м и р у ю т с я т о л ь к о по
органолептическим признакам. П о гигиеническим нормативам допускается присутствие в воде таких сильных токсичных веществ,
к а к к о б а л ь т и цинк, к о н ц е н т р а ц и я к о т о р ы х в 100 р а з в ы ш е пороговых
доз,
установленных
рыбохозяйственными
нормативами,
,а д л я а н и л и н а — в 1000 р а з в ы ш е .
О д н а к о п р и н я т ы е н о р м а т и в ы в с е е щ е д а л е к и от с о в е р ш е н с т в а .
И з у ч а я в л и я н и е в е щ е с т в на п р о ц е с с ы с а м о о ч и щ е н и я в о д н о й с р е д ы
(по п о к а з а т е л я м Б П К и н и т р и ф и к а ц и и ) , г и г и е н и с т ы о с н о в н о е вним а н и е у д е л я ю т не с а м и м п р о ц е с с а м с а м о о ч и щ е н и я , а т о м у , н а с к о л ь к о они в с о с т о я н и и о б е с п е ч и т ь о т м и р а н и е п а т о г е н н ы х микро380:
3061:
организмов, п о с т у п а ю щ и х с хозяйственно-бытовыми стоками, w
процессы минерализации органических веществ. Ихтиологи жев п е р в у ю очередь о ц е н и в а ю т эффективность процессов формирования необходимого д л я р ы б о х о з я й с т в е н н ы х целей к а ч е с т в а воды,,
при этом интересы сохранения целостности внутриводоемных с и стем з а т р а г и в а ю т с я в большей степени, чем при установлении'
гигиенических П Д К .
В целом система критериев на основе П Д К не у ч и т ы в а е т синергизма и а н т а г о н и з м а различных з а г р я з н я ю щ и х веществ. Внеполя зрения этих критериев о к а з ы в а ю т с я и т а к и е процессы, как:
к у м у л я ц и я этих в е щ е с т в водными организмами, например водорослями, с п о с л е д у ю щ и м в ы с в о б о ж д е н и е м их во время массовогос е з о н н о г о ) отмирания водорослей. Д л я б о л ь ш и н с т в а з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в , нормативы П Д К которых у с т а н о в л е н ы , нет н а д е ж ных аналитических методов контроля. З а ч а с т у ю
нормируются
одни формы в е щ е с т в , а в воде п р и с у т с т в у ю т и другие, с и н ы м и
П Д К . Н а к о н е ц , токсичность з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в зависит о г
конкретной гидрохимической ситуации, на фоне которой она проявляется. Д е й с т в и е токсичных в е щ е с т в с в я з а н о с т а к и м и показателями, к а к т е м п е р а т у р а , растворенный кислород, рН, комплексорганических в е щ е с т в и д р . К р о м е того, процессы т р а н с ф о р м а ц и и
з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в в в о д н ы х э к о с и с т е м а х в к л ю ч а ю т целый:
р я д стадий, причем п р о м е ж у т о ч н ы е п р о д у к т ы нередко о к а з ы в а ю т с я более токсичными, чем исходные в е щ е с т в а
(Никаноров;
и др., 1988).
Т а к и м о б р а з о м , к а ж д ы й водоем п р е д с т а в л я е т собой единуюэ к о с и с т е м у , поэтому з а д а ч у о х р а н ы вод надо р е ш а т ь с научноо б о с н о в а н н ы х экологических позиций.
7.2. Принципы экологического нормирования ПДК
П р и экологическом п о д х о д е к определению д о п у с т и м ы х н а г р у зок з а г р я з н я ю щ и м и в е щ е с т в а м и с л е д у е т у ч и т ы в а т ь влияние в р е д ных ф а к т о р о в не на отдельный организм, а на реакцию б и о ц е н о з а
и э к о с и с т е м ы в целом. Г л а в н ы м критерием в ы с т у п а е т с т а б и л ь ность (устойчивость) системы. Д л я к а ж д о й экосистемы должны,
быть в ы я в л е н ы собственные критерии к а ч е с т в а природной среды,,
з а в и с я щ и е от экологического резерва данной экосистемы и от экологических в о з м о ж н о с т е й региона (Израэль, 1984).
В основе р а з р а б о т к и экологических нормативов л е ж и т т е о р е т и ч е с к а я концепция системного п о д х о д а к р е г у л и р о в а н и ю к а ч е ства природной среды.
Как
результат
системного
подхода
выступают
развитые
Ю . А . И з р а э л е м (1978, 1984) представления о предельно допустимой экологической н а г р у з к е ( П Д Э Н ) загрязнения на д а н н у ю экосистему. Значение П Д Э Н о п и р а е т с я на понятие устойчивости экосистем, п о с к о л ь к у их нормальное функционирование в условиях,
загрязнения в о з м о ж н о лишь при непревышении П Д Э Н , которая;
выводится с учетом всех ф а к т о р о в комбинированного и к о м п л е к с -
т ю г о воздействия на конкретную экосистему. В н а с т о я щ е е время
о п р е д е л е н ы о б щ и е принципы обоснования П Д Э Н , реализуемые,
например, через р а з р а б о т к у концепции ассимиляционной емкости
•экосистем. Д л я обоснования П Д Э Н необходим всесторонний анализ о к р у ж а ю щ и х природных сред, основой которого с л у ж и т монит о р и н г — система долгосрочного н а б л ю д е н и я за у р о в н е м и харак*тером загрязнения. В общей системе мониторинга б о л ь ш а я роль
п р и н а д л е ж и т выявлению откликов биотических компонентов экологических систем на действие загрязнений. В т о р о й этап всестороннего а н а л и з а о к р у ж а ю щ е й природной среды
заключается
в определении экологически д о п у с т и м ы х н а г р у з о к и воздействий
н а отдельные организмы, популяции, экосистемы, биосферу и в выр а б о т к е экологических норм д о п у с т и м ы х нагрузок. Критическим
.звеном всей экосистемы м о ж е т о к а з а т ь с я тот или иной вид орган и з м о в (экологическая мишень), чувствительный к д а н н о м у фактору. Э т о т вид и б у д е т определять н а г р у з к у на с и с т е м у в целом.
П о с т а н о в к а проблемы экологического нормирования качества
вод выделяет р я д недостаточно изученных аспектов. К ним относятся
вопросы накопления
химических загрязнений в разных
:звеньях трофических цепей водных экосистем, д е с т р у к ц и и и транс-формации химических в е щ е с т в в водной среде.
7.3. ПДК загрязняющих веществ в морской среде
Принятые в нашей стране рыбохозяйственные П Д К в ы в е д е н ы
д л я пресноводных бассейнов. Р а с п р о с т р а н е н и е т а к и х П Д К на
морские воды д а е т иногда «пародоксальные» выводы. Например,
П Д К цинка р а в н а 10 мкг/л, что ниже средней концентрации этого
элемента в М и р о в о м океане, а если у ч е с т ь повышенное с о д е р ж а ние микроэлементов в ш е л ь ф о в ы х з о н а х и морях, то м о ж е т слож и т ь с я впечатление о загрязнении М и р о в о г о океана цинком до
опасных пределов. Н а самом деле этого нет.
С о г л а с н о основным положениям биогеохимии и геохимической
экологии, о р г а н и з м ы и биоценозы эволюционно а д а п т и р о в а л и с ь
к химическим ф а к т о р а м среды. П о э т о м у есть основания утверж д а т ь , что с у щ е с т в у ю щ и е в н а с т о я щ е е время средние концентрации м е т а л л о в в М и р о в о м океане оптимальны д л я его биотического
н а с е л е н и я , а крайние пределы о т р а ж а ю т соответственно критические уровни недостаточного (если элемент н у ж е н для жизнедеятельности) или избыточного (если элемент токсичен) с о д е р ж а н и я
м е т а л л о в в морской воде. Последний у р о в е н ь я в л я е т с я естественн о й , эволюционно обусловленной границей зоны м а к с и м а л ь н о
..допустимого с о д е р ж а н и я м е т а л л а д л я всего населения М и р о в о г о
океана.
В ы ш е п р и в е д е н н ы е положения, в ы с к а з а н н ы е С. А . П а т и н ы м
(1978, 1979), позволили ему в ы р а б о т а т ь новый, биогеохимический
подход к нормированию П Д К тех химических элементов ( о с о б е н - ;
•но т я ж е л ы х и переходных м е т а л л о в ) , которые я в л я ю т с я одновременно и естественными микрокомпонентами с о с т а в а в о д ы и рас•382
пространенными антропогенными примесями в морской
среде.
К а ж д ы й из т а к и х компонентов среды д о л ж е н иметь свой биологически допустимый (толерантный) д л я гидробионтов д и а п а з о н
концентраций в воде, в пределах которого организмы, их сообщества и популяции р а с п о л а г а ю т возможностями оптимальной реализации своих физиологических, экологических и д р у г и х функций^
Границы диапазонов концентраций к а ж д о г о элемента целесообразно у с т а н а в л и в а т ь отдельно для океанических и морских у с л о вий, поскольку пределы колебаний и причины изменчивости
с о д е р ж а н и я металлов в пелагиали океана и в морских б а с с е й н а х
различны. Количественная оценка биогеохимических порогов э к о логической толерантности (L) выполняется по ф о р м у л а м :
LB — C-\- 2SL
И
L H = С — 2Sl,
(7.2)
где L B И L h — с о о т в е т с т в е н н о верхний и нижний пороги; С — с р е д няя концентрация м е т а л л а в морской воде; SL — стандартное отклонение совокупности р е з у л ь т а т о в , использованных для оценки С .
Если рыбохозяйственные П Д К у с т а н а в л и в а ю т с я в основном п о
токсикологическому признаку вредности на уровне организмов
и популяций, то биогеохимические П Д К выводятся д а ж е це для
отдельных видов и популяций, а для всей биоты .морей и океанов
с точки зрения устойчивости основных с т р у к т у р н ы х и функциональных х а р а к т е р и с т и к морских биоценозов, т. е. на более высоком, экосистемном уровне.
При установлении морских П Д К широко используется и традиционный токсикологический метод, основанный на результатах
экспериментальных поисков границ м е ж д у токсическими, пороговыми и недействующими концентрациями токсичных веществ д л я
разных видов, групп и стадий развития гидробионтов.
П о определению С . А . П а т и н а (1979), токсичной (ингибирующей) концентрацией считается т а к а я концентрация з а г р я з н я ю щ и х
веществ, при которой относительные (по сравнению с контролем)
значения выживаемости, плодовитости, роста и показателей биопродуцирования (в том числе скорости деления и фотосинтеза
одноклеточных водорослей) достоверно с н и ж а ю т с я более чем на
50 % от с о о т в е т с т в у ю щ и х показателей в контрольном варианте
в опытах длительностью не менее 2 — 4 ' с у т . К пороговым относятся
концентрации, которые изменяют аналогичные показатели, но
в пределах до 50 % и главным образом в хронических опытах,,
длительность которых соизмерима с продолжительностью жизненного цикла. М а к с и м а л ь н о недействующей концентрацией принимается . т а к а я концентрация токсичного вещества в среде, при
которой основные показатели жизнедеятельности гидробионтов;
в хронических опытах отклоняются не более чем на 25 % от аналогичных показателей в контроле.
Токсический эффект р а с с м а т р и в а е т с я как р е з у л ь т а т взаимодействия трех факторов: организма (или совокупности организмов),
количества токсичных веществ и времени. И з у ч а ю т зависимость
токсического эффекта от концентрации при фиксированном вре3063:
Детергенты
•cq
са
Я
S
s
m
R
a.
u
св
•M
X
;я
X
V 4
.S C5
-M OS
c3
o- .
и
sc
Мышьяк
a
sя
Растворенные
нефтепродукты
ДДТ, ПХБ,
н др.
я
S-i 3
<u
са
X
S
сч
т 2
0
1 !О
т
^
л В
ОС
о.
CD О
1-8
•а а
И
s
:Я я
s
'В
sо"
•св
S
X
<и
а1
св
s
со
384:
Цинк
Медь
Кадмий
а••я а<„
Свинец
И
Ртуть
•<B
• ее Си
га ь>
3'
35
^ СО
о= вэ
s а
о
о
0- ю
I
I
со
0
7'
от
1
<=>* 0
J| "
2 ю1
1
—
о
J 1
J 1
о
1
о
о
—
г1 ОТ
1
О
1
О
—'
ю <N
20
«О
о
2
J J
1 г
о О
ЬЬ
**т J
1
1
1
с*
1
Р9
1
0
еч 1
0 0
1
о
J1 1
7
J1 N
7
сч
О
о
О
-
2 2
о"
J
1
о
тЧ
С
1
О
J 1 1
о
—<
Т
о
о
7
2
?
J 2
со
|
2
—
7 1
0 0
S
7
J М
1
Т
о
0
7
от
1 '
о О
1
1
С*
1
о
и
, |
JО
о
0 Ь
7
С*1 7
1
О IN
7 1
-Ч
1
О
w
0
1
J О
1
о
1
1
J'
1
о ^т
1
о
1
о
—<
я
1
0
2
7
1 от
1
о
—'
|
о
—' 2
J -
—'О о1
от
о I
— 0
1J J
о 1
— О
'
7
Ч1 о
о
7
fО1 <1N
1
О
1
2
>
7
7
1
О
о
о Т
— 0
О
—
Щ
а
о
"
1
0
7
7
« 1
ео
1
О
1 1
о О
7
о
7 1
о 0
— 7
1 —с
О
.
,
О
7
Г1о сч1
О
ео
О
о
7
о о
—'
о 0
—1
7
Г1о to
1
О
01—5-01
it- s
•ce
•I С
г
от
О
,-01
* I.
±
м
О
«
о" 2
1Л1 «ЛI
О о
0
й 2
с*
О
—.
7*
о
^
о7
2
J
I 7
О
2
1
О
77
СЧ
О 1
—' О
2
е* О
О
7
- 7Т
о
2
О
I
о»о
? <N
2О
0
-
tf
яs
5 =5
ЕЯ)
Ч
И
О
И
ч
о
Я
н
К
•ео&
св
Он
м
св
a
К
И
о
S
ч
ч
о
7 7
1
0
J1 «7
о
1
о
о
0
7 1
N
о
J1 7
т
1
О
о
Я
о
о
1
0
2
J
|
7 1
Я
ХО
Я
CU
о
м е н и и и з м е н е н и е т о к с и ч е с к о г о э ф ф е к т а в о в р е м е н и при о п р е д е ленной концентрации вредного вещества в среде. По полученным
р е з у л ь т а т а м , к р о м е т о к с и ч н ы х , п о р о г о в ы х и м а к с и м а л ь н о недейс т в у ю щ и х ( п о д п о р о г о в ы х ) к о н ц е н т р а ц и й , о п р е д е л я ю т е щ е LC50 —
у р о в е н ь , в ы з ы в а ю щ и й л е т а л ь н ы й и с х о д д л я 50 % о р г а н и з м о в
в о с т р ы х о п ы т а х д л и т е л ь н о с т ь ю от 2 д о 96 ч, и ЬСюо — у р о в е н ь
смертельных концентраций в острых опытах.
Таблица 7.3
Пороговые и допустимые уровни содержания (мкг/л) загрязняющих веществ
в морской фауне (Патин, 1979)
Загрязняющее
вещество
Ртуть
Свинец
Кадмий
Цинк
Медь
Мышьяк
Железо
Никель
Кобальт
Растворенные
нефтепродукты
Д Д Т , ПХБ и др.
Детергенты
Верхний биогеохимический порог
экологической
толерантности
д л я пелагиали
океана
д л я внутренних
морей
0,1
5
1
50
5
5
20
5
1
1
10
1—10
505
10
50
10
5
—
—
—
—
—
—
П Д К д л я воды
М Н Д (по
токсикологическим
показателям)
океана
внутренних
морей
10
20
5
1
10
1
10
10
50
5
10
50
10
5
10
0,01
102—103
0,01
102—103
0,01
102—103
0,1
10
10
10
1—5
—
—
—
—
0,1
10
1
50
5
5
Рыбохозяйственные П Д К
5
100
5
10
10
50
—
10
10
50
0
102—103
И з д а н н ы х т а б л . 7.2 в и д е н з н а ч и т е л ь н ы й р а з м а х д и а п а з о н о в
пороговых и токсичных концентраций для большинства групп
морских организмов. В этом проявляются особенности группового
р е а г и р о в а н и я г и д р о б и о н т о в на т о к с и ч н ы е в е щ е с т в а р а з л и ч н о г о
п р о и с х о ж д е н и я . И с х о д я из п р е д с т а в л е н и й о н е о д н о р о д н о с т и биол о г и ч е с к и х р е а к ц и й и о т к л и к о в г и д р о б и о н т о в р а з н ы х г р у п п на
присутствие в воде токсичных веществ, есть основания предполаг а т ь существование своеобразных «экологических мишеней» (Пат и н , 1979), т. е. в и д о в , п о п у л я ц и й , а т а к ж е з в е н ь е в б и о п р о д у к ц и о н н о г о п р о ц е с с а , н а и б о л е е у я з в и м ы х к д е й с т в и ю тех, или иных
и н г р е д и е н т о в з а г р я з н е н и я . О б р а щ а е т на с е б я в н и м а н и е п о в ы ш е н ная
чувствительность
продукционных
характеристик
морского
ф и т о п л а н к т о н а и его ф о т о с и н т е т и ч е с к о й а к т и в н о с т и к д е й с т в и ю
сравнительно низких уровней загрязнения. Повышенной чувствительностью к действию токсичных веществ обладают планктонные
р а к о о б р а з н ы е с и х с п о с о б н о с т ь ю к н а к о п л е н и ю б о л ь ш о г о количества загрязняющих примесей вследствие фильтрационного меха24
З а к а з № 33
385
низма питания. В ы с о к о м у п о р а ж а ю щ е м у э ф ф е к т у часто подверг а ю т с я мелкие виды и формы гидробионтов, а т а к ж е эмбриональные и постэмбриональные стадии большинства видов морской
фауны. П о э т о м у д л я определения биологического действия загрязн я ю щ и х в е щ е с т в на морские организмы и их с о о б щ е с т в а необходимо выполнение унифицированных
эколого-токсикологических
экспериментов с м а с с о в ы м и в и д а м и фито- и зоопланктона и их
природными с о о б щ е с т в а м и in situ, а т а к ж е с р а с п р о с т р а н е н н ы м и
в и д а м и рыб, м о л л ю с к о в и р а к о о б р а з н ы х на ранних стадиях онтогенеза.
В т а б л . 7.3 п р е д с т а в л е н ы значения П Д К некоторых распространенных токсичных веществ, выведенные на основе биохимического и эколого-токсикологических подходов к проблеме.
С о п о с т а в л е н и е морских и рыбохозяйственных П Д К
показывает, что в некоторых с л у ч а я х они с о в п а д а ю т , но ч а щ е различаются д о 10 раз. Причины различий с в я з а н ы к а к с разной методикой нормирования, т а к и со спецификой химического с о с т а в а биотопов морского населения и особенностями физиологии морских
организмов.
ГЛАВА 8. ОСНОВЫ АНТРОПОГЕННОЙ ЭКОЛОГИИ
ОКЕАНА И АССИМИЛЯЦИОННАЯ ЕМКОСТЬ
МОРСКИХ ЭКОСИСТЕМ
8.1. Антропогенная экология океана —
новое научное направление в океанологии
В р е з у л ь т а т е антропогенного воздействия в океане в о з н и к а ю т
дополнительные экологические факторы, с п о с о б с т в у ю щ и е негативной эволюции морских экосистем. О б н а р у ж е н и е этих ф а к т о р о в
с т и м у л и р о в а л о р а з в е р т ы в а н и е широких ф у н д а м е н т а л ь н ы х исследований в М и р о в о м океане и з а р о ж д е н и е новых научных н а п р а в лений. К их числу относится антропогенная экология о к е а н а
(Израэль, Ц ы б а н ь , 1988). Э т о новое направление призвано изучать механизмы реагирования организмов на антропогенные воздействия на уровне клетки, организма, популяции, биоценоза,,
экосистемы, а т а к ж е и с с л е д о в а т ь особенности в з а и м о д е й с т в и й
м е ж д у ж и в ы м и организмами и средой обитания в изменившихся
условиях.
О б ъ е к т изучения антропогенной экологии океана — изменение
экологических х а р а к т е р и с т и к океана, причем в п е р в у ю о ч е р е д ь
тех изменений, которые имеют значение д л я экологической оценки
состояния биосферы в целом. В основе этих изысканий л е ж и т комплексный анализ состояния морских экосистем с учетом географической зональности и степени антропогенного воздействия.
386:
А н т р о п о г е н н а я э к о л о г и я о к е а н а п р и м е н я е т д л я с в о и х ц е л е й след у ю щ и е м е т о д ы — а н а л и з а : генетический
(оценка
канцерогенной
и мутагенной опасности)—цитологический
( и з у ч е н и е "клеточного
с т р о е н и я - м о р с к и х организмов в нормальном и патологическом
•состоянии), м и к р о б и о л о г и ч е с к и й ( и з у ч е н и е а д а п т а ц и и м и к р о о р г а н и з м о в к токсичным з а г р я з н я ю щ и м в е щ е с т в а м ) ,
экологический
(познание закономерностей образования и развития
популяций
и биоценозов в конкретных условиях обитания с целью прогноза
их состояния в меняющихся условиях среды), эколого-токсиколог и ч е с к и й ( и с с л е д о в а н и е о т к л и к а м о р с к и х о р г а н и з м о в на в о з д е й с т в и е з а г р я з н е н и й и о п р е д е л е н и е критических к о н ц е н т р а ц и й з а грязняющих веществ), химический
( и з у ч е н и е всего
комплекса
природных и антропогенных химических веществ в морской
среде).
О с н о в н а я з а д а ч а антропогенной экологии океана состоит в разр а б о т к е научных основ определения критических уровней загрязн я ю щ и х в е щ е с т в в морских э к о с и с т е м а х , оценки ассимиляционн о й емкости морских экосистем, нормирования
антропогенных
воздействий на М и р о в о й океан, а т а к ж е в создании математичес к и х моделей экологических процессов д л я прогноза экологичес к и х ситуаций в океане.
З н а н и я о в а ж н е й ш и х экологических явлениях в о к е а н е (таких,
к а к продукционно-деструкционные процессы, п р о х о ж д е н и е биогео:химических циклов з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в и т. д.) ограничены
н е д о с т а т к о м информации. Э т и м з а т р у д н я е т с я
прогнозирование
э к о л о г и ч е с к о й ситуации в о к е а н е и о с у щ е с т в л е н и е природоохранн ы х мероприятий. В н а с т о я щ е е время о с о б у ю значимость приобр е т а е т о с у щ е с т в л е н и е экологического мониторинга океана, с т р а т е г и я которого ориентирована на долговременные
наблюдения
в определенных р а й о н а х океана с целью создания б а н к а д а н н ы х ,
о с в е щ а ю щ и х г л о б а л ь н ы е перестройки океанических экосистем.
8.2. К о н ц е п ц и я а с с и м и л я ц и о н н о й е м к о с т и
П о определению Ю . А . И з р а э л я и А . В . Ц ы б а н ь (1983, 1985),
а с с и м и л я ц и о н н а я е м к о с т ь морской экосистемы A i по д а н н о м у
з а г р я з н я ю щ е м у в е щ е с т в у i (или с у м м ы з а г р я з н я ю щ и х веществ)
и д л я т-й э к о с и с т е м ы — - э т о м а к с и м а л ь н а я д и н а м и ч е с к а я вместим о с т ь т а к о г о количества з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в (в перёсчете на
в с ю зону или единицу о б ъ е м а морской экосистемы), которое мож е т б ы т ь за единицу времени накоплено, разрушено, трансформировано (биологическими или химическими превращениями) и выведено за счет процессов седиментации, диффузии или л ю б о г о
д р у г о г о переноса за пределы о б ъ е м а экосистемы без н а р у ш е н и я
ее нормального функционирования.
У р а в н е н и е динамики з а г р я з н я ю щ е г о в е щ е с т в а в морской с р е д е
с у ч е т о м пространственной неоднородности процессов его у д а л е н и я из экосистемы ( И з р а э л ь , Ц ы б а н ь , В е н т ц е л ь , Ш и г а е в , 1988)
з а п и с ы в а е т с я в виде
24*
387
v ^ i r =
±
S„ 4
ds+5
±
L
dL+
z
+
\ (Pbl±P'b)dS+
b
\ J Bchik{z)dzdS,
sb
V°
(8.1)
где V — о б ъ е м р а с с м а т р и в а е м о й морской экосистемы, С ; — среднее значение концентрации з а г р я з н я ю щ е г о в е щ е с т в а , Sa — площ а д ь свободной поверхности моря, S b — п л о щ а д ь дна р а с с м а т р и ваемого б а с с е й н а , L — длина береговой линии, Z& — глубина бассейна, P i — величина, х а р а к т е р и з у ю щ а я процессы обмена i-ro загрязняющего в е щ е с т в а через границу (например, а т м о с ф е р н о е
о с а ж д е н и е , биоседиментационный вынос и т. д.), B C h t — скорость
микробного и химического р а з р у ш е н и я t'-ro з а г р я з н я ю щ е г о вещества, коэффициент h z ) у ч и т ы в а е т зависимость B C k i от освещенности и т е м п е р а т у р н ы х условий. Ш т р и х а м и обозначены источники,
о п и с ы в а ю щ и е х и м и ч е с к у ю и биологическую т р а н с ф о р м а ц и ю С;
в р а с с м а т р и в а е м о й пограничной области.
И з у р а в н е н и я (8.1) методом теории размерностей с у м м а р н о е
у д а л е н и е (А{)
з а г р я з н я ю щ е г о в е щ е с т в а из морской экосистемы
можно записать в виде
Ai^Ki-^-Ci,
(8.2)
где Ki — коэффициент з а п а с а , о т р а ж а ю щ и й экологические у с л о вия протекания процесса загрязнения в различных зонах морской
экосистемы; тг — время пребывания з а г р я з н я ю щ е г о в е щ е с т в а
в
морской экосистеме.
С о г л а с н о определению ассимиляционной емкости, она р а в н а
м а к с и м а л ь н о м у значению левой части уравнения (8.1) при сохранении экологического благополучия в - экосистеме. Э т о у с л о в и е
с о б л ю д а е т с я при C i ^ . C 0 i , где С 0 г - — критическая концентрация заг р я з н я ю щ е г о в е щ е с т в а в морской воде. О т с ю д а ассимиляционная
емкость м о ж е т быть оценена по ф о р м у л е (8.2) при Cj=Co«.
В с е величины, в х о д я щ и е в п р а в у ю часть уравнения (8.2) можно непосредственно измерить по данным, полученным в процессе
долгопериодных комплексных исследований состояния морской
экосистемы. П р и этом п о с л е д о в а т е л ь н о с т ь определения ассимиляционной емкости морской э к о с и с т е м ы к конкретным загрязняющим в е щ е с т в а м (рис. 8.1) в к л ю ч а е т три основных э т а п а : 1) расчет б а л а н с о в м а с с ы и времени жизни з а г р я з н я ю щ и х
вещестг
в экосистеме, 2) анализ биотического б а л а н с а в экосистеме г
3) оценка критических концентраций воздействия загрязняющие
в е щ е с т в (или экологических П Д К ) на функционирование биоты|
Д л я решения вопросов экологического нормирования антропо;
генных воздействий на морские э к о с и с т е м ы расчет ассимиляци|
онной емкости наиболее репрезентативен, п о с к о л ь к у он учитывае"
388:
критические концентрации воздействия загрязняющих веществ,
имеющие более высокое экологическое обоснование по сравнению
с гигиеническими или рыбохозяйственными П Д К . При известной
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
ОПРЕДЕЛЯЕМАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ
НЕГАТИВНОГО ЭФФЕКТА
(
Значение ассимиляционной
емкости морской зкосистемы\
( для нормирования антропогенного воздействия на. морскую 1
\
среду
у
Рис. 8.1. Принципиальная схема комплекса исходных данных и критериев оценки
негативных эффектов для нормирования антропогенных воздействий на морскую
среду (Израэль, Цыбань, 1988).
389:
ассимиляционной емкости предельно д о п у с т и м а я
экологическая
н а г р у з к а ( П Д Э Н ) водоема З В р а с с ч и т ы в а е т с я достаточно просто.
Т а к , при стационарном р е ж и м е загрязнения в о д о е м а П Д Э Н б у д е т
равна ассимиляционной емкости.
8.3. Оценка ассимиляционной емкости
морской экосистемы загрязняющими веществами
на примере Балтийского моря
П р е д л о ж е н н а я модель оценки ассимиляционной емкости была
р е а л и з о в а н а на примере Балтийского моря: были рассчитаны значения ассимиляционной емкости для ряда токсичных м е т а л л о в
(Zn, Си, P b , C d , H g ) и органических в е щ е с т в ( П Х Б и Б П ) (Израэль, Ц ы б а н ь , В е н т ц е л ь , Ш и г а е в , 1988).
Т а б л и ц а 8.1
Баланс токсичных металлоз в экосистеме Балтийского моря
Поступление
Металл
Медь
Цинк
Свинец
Кадмий
Ртуть
поверхностный
сток в
растворе
и взвесях
101
250
50
46
7
т/год
Выведение, т/год
из атмос- из северферы
ндго
всего
в осадках
полуи взвесях
шария
950
6000
2350
34
23
20
30
10
0,8
0,01
1100
6300
2400
80
30
седи- водомента- обмен
ция
вылов
рыбы
950
6400
2100
75
29
0,04
0,10
0,05
50
100
100
5
1
испарение
всего
0,3
1000
6500
2200
80
30
Н а первом э т а п е р а б о т ы а в т о р ы р а с ч е т а , используя м а т е р и а л ы
долгопериодных экологических исследований в Б а л т и й с к о м море
и л и т е р а т у р н ы е источники, определили концентрации загрязняющ и х в е щ е с т в в компонентах экосистемы, скорости биоседиментации, потоки в е щ е с т в на г р а н и ц а х экосистемы и активность микробного р а з р у ш е н и я органических веществ. В с е это позволило
составить б а л а н с ы и рассчитать время «жизни» р а с с м а т р и в а е м ы х
в е щ е с т в в экосистеме (табл. 8 . 1 — 8 . 5 ) . В р е м я «жизни» металлов
в экосистеме Б а л т и к и о к а з а л о с ь д о с т а т о ч н о м а л ы м д л я свинца,
к а д м и я и ртути, несколько большим д л я цинка и м а к с и м а л ь н ы м
д л я меди. В р е м я «жизни» П Х Б и бенз (а)пирена с о с т а в л я е т 35
и 20 лет, что определяет необходимость введения системы генетического мониторинга Балтийского моря.
Н а втором э т а п е исследований было показано, что наиболее
чувствительным к з а г р я з н я ю щ и м в е щ е с т в а м и изменениям экологической о б с т а н о в к и элементом биоты я в л я ю т с я планктонные микроводоросли, а следовательно, в к а ч е с т в е процесса — «мишени»
с л е д у е т в ы б р а т ь процесс первичного продуцирования органиче,
ского в е щ е с т в а . П о э т о м у здесь применяются пороговые дозы заг р я з н я ю щ и х веществ, у с т а н о в л е н н ы е д л я фитопланктона.
390:
Таблица 5.3
Баланс БП и ПХБ в экосистеме Балтийского моря
Поступление, т/год
Вещество
поверхностный
сток
атмосфера
БП
9,6
3,2
ПХБ
0,02
6
Северное
море
нефть
биосинтез
всего
0,1
0,1
13
0,01
6
Выведение, т/год
окисление
Вещество
вылов
рыбы
седиментация
водообмен
БП
1,3
5,6
—
6
ПХБ
6,9
0,01
0,1
0,01
. микробное
химическое
всего
—
13
0,02
7
Средние концентрации токсичных металлов в морской воде,
о к а з а л и с ь на один-два порядка меньше их пороговых доз, а концентрации П Х Б и Б П только на порядок меньше. Отсюда коэффициенты з а п а с а д л я П Х Б и Б П оказались меньше, чем д л я металлов.
Таблица 8.3
Содержание и время пребывания приоритетных загрязняющих веществ
в экосистеме Балтийского моря
Содержание, тыс. т
Вещество
Медь
Цинк
Рвинец
Кадмий
Ртуть
БП
ПХБ
водная масса
осадки,
взвесь
4
7
2
0,1
0,06
0,26
0,08
20
55
10
0,3
0,1
0,005
0,17
биота
всего
Время пребывания в
экосистеме,
число лет
3
5
2
0,1
0,04
„ 27
68
14
0,5
0,2
0,26
0,27
27
10
7
6
6
20
35
—
0,01
Оценки ассимиляционной емкости зон открытой части Балтий:кого моря (см. табл. 8.5) показывают, что существующий сток
цинка, к а д м и я и ртути соответственно в 2, 20 и 15 р а з меньше
минимальных значений ассимиляционной емкости экосистемы
к этим м е т а л л а м и не представляет прямой опасности первичному
391
Таблица 8.4
Современный уровень загрязнения и экологические критерии состояния
планктонного сообщества экосистемы Балтийского моря
Вещество
Медь
Цинк
Свинец
Кадмий
Ртуть
БП
ПХБ
Современная концентрация
в воде, мкг/л
Пороговая доза,
мкг/л
Коэффициент
запаса
0,5—1,3
1,2—2,5
0,02—0,06
0,06—0,10
0,001—0,005
0,001—0,13
0,001—0,005
1—5 '
10—50
1—10
1—10
1,0—1,0
0,1—1
0,01—0,1
0,7
0,6
0,5
0,5
1,0
0,2
0,3
продуцированию. В то ж е время поступление меди и свинца у ж е
п р е в ы ш а е т их а с с и м и л я ц и о н н у ю е м к о с т ь , что т р е б у е т в в е д е н и я
с п е ц и а л ь н ы х мер по о г р а н и ч е н и ю с т о к а . С о в р е м е н н о е п о с т у п л е н и е
Б П е щ е не д о с т и г л о м и н и м а л ь н о г о з н а ч е н и я
ассимиляционной
е м к о с т и , а П Х Б п р е в ы ш а е т ее. П о с л е д н е е г о в о р и т о н а с т о я т е л ь Таблица 8.5
Ассимиляционная емкость экосистемы Балтийского моря
к загрязняющим веществам
Вещество
Медь
Цинк
Свинец
Кадмий
Ртуть
БП
ПХБ
Современное
поступление,
т/год
1100
6300
2400
80
Время пребывания
экосистеме! число лет
27
10
7
6
30
13
'"б
7
35
20
Ассимиляционная емкость
мкг/г
0 , 2 - -0,12
0 , 6 0 - -3,10
0,10--0,70
0 , 1 0 - -0,90
0 , 0 2 - -0,20
0 , 0 0 1 - -0,008
0,0001--0,001
т/год
5 0 0 -- 2 5 0 0
13 200-- 6 6 0 0 0
1500-- 1 5000
2 000-- 2 0 0 0 0
400-- 4 0 0 0
.
2 0 -- 2 3 0
2-- 2 0
ной н е о б х о д и м о с т и д а л ь н е й ш е г о с н и ж е н и я с б р о с о в П Х Б в Б а л ]
тийское море.
:
П р и м е н е н н ы й з д е с ь м е т о д м о ж е т б ы т ь и с п о л ь з о в а н д л я оценкЕ
а с с и м и л я ц и о н н о й е м к о с т и и П Д Э Н в р а з н ы х б а с с е й н а х , но толькс]
с учетом индивидуальных особенностей и х а р а к т е р а загрязнение
их экосистем.
ГЛАВА 9. КОМПЛЕКСНЫЙ ГЛОБАЛЬНЫЙ МОНИТОРИНГ
МИРОВОГО ОКЕАНА
В связи с необходимостью выявить неприродные изменения
в структуре и функционировании морских экосистем, а т а к ж е для
нормирования антропогенных воздействий на Мировой океан, возникла потребность в организации и осуществлении комплексного
глобального мониторинга океана.
9.1. Определение мониторинга
Необходимость создания системы международного мониторинга окружающей среды была впервые обоснована в 1971 г. Научным комитетом по проблемам окружающей среды
(СКОПЕ)
Международного Совета научных союзов.
Рис. 9.1. Место мониторинга в системе регулирования
антропогенного воздействия на окружающую среду.
_
Возникновение Глобальной системы мониторинга окружающей
среды (ГСМОС) связано с Конференцией О О Н по проблемам
окружающей среды (Стокгольм, 1972). По рекомендации Конференции в задачи, стоящие перед Программой О О Н по окружающей среде ( Ю Н Е П ) , был включен вопрос о координировании
и стимулировании международной деятельности по мониторингу,
особенно на региональном и глобальном уровнях. С 1975 г. Ю Н Е П
начала целенаправлено развивать систему мониторинга, создав
центр работ по программе ( Ц Р П ГСМОС) в Найроби (Кения).
Первоначально мониторинг определяли как систему повторных
наблюдений одного или более элементов окружающей среды
в пространстве и времени с определенными целями в соответствии
р заранее поставленной программой. В более широком смысле
год мониторингом понимали систему наблюдения, контроля и
управления состоянием
окружающей среды,
осуществляемую
з различных масштабах, в том числе — в глобальном.
В дальнейшем общепринятым стало определение, данное
О. А. Израэлем (1984): мониторингом
называется система на5людений, оценки и прогноза состояния окружающей природной
393:
с р е д ы , п о з в о л я ю щ а я выделить изменения состояния биосферы на
естественном фоне под влиянием человеческой д е я т е л ь н о с т и . ^
М е с т о мониторинга в системе регулирования состояния природной среды показано на рис. 9.1 (Израэль, 1979). П о д влиянием
антропогенного воздействия (/ а ) состояние элемента биосферы В
Рис. 9.2. Система показателей биологического мониторинга морской
. . .
'
СреДЫ. •
м е н я е т с я от А ' к А'. П о с р е д с т в о м мониторинга М производится
приближенное описание и оценка А" этого измененного состоя!
ния. С о о т в е т с т в у к я ц а я информация п о с т у п а е т в блок решения D
В зависимости от научных S и экологических Е возможносте!
п р и н и м а ю т с я меры по ограничению или п р е к р а щ е н и ю антропоген
ных в о з д е й с т в и й , ' п о укреплению или «лечению» данного элемент;
биосферы, с о в е р ш е н с т в у е т с я и система мониторинга.
|
•394
\ _ Д о м п л е к е н ы й : глобальный мониторинг океана включает экологический и физический мониторинга (Израэль, Цыбань, 1985).
- Экологический мониторинг океана представляет собой систему
а н а л и з а , оценки и прогноза состояния морских экосистем. В а ж нейшей составляющей экологического мониторинга является био-
Рис. 9.3. Система показателей геохимического мониторинга морской
среды.
огический мониторинг морской среды, включающий систематичехие наблюдения н а д элементами функциональной
структуры
ибценозов с целью оценки и прогноза состояния биотического
эмпонента морских экосистем (рис. 9.2). Биологический монитоннг сочетается с системой геохимического мониторинга, осущегвляющего контроль над источниками и уровнями з а г р я з н е н и я
орской среды (рис. 9.3).
395:
Физический мониторинг предназначен д л я а н а л и з а д е й с т в и я
физико-океанографических и гидродинамических ф а к т о р о в , спос о б с т в у ю щ и х р а с п р о с т р а н е н и ю и перераспределению загрязняющих в е щ е с т в в морской среде.
/
t.
. /
'
9.2. Задачи и научные основы
комплексного глобального мониторинга океана
Ц е л ь ю комплексного мониторинга о к е а н а я в л я е т с я определение состояния в а ж н е й ш и х экосистем М и р о в о г о о к е а н а и прогнозирование изменений, п р о и с х о д я щ и х в э к о с и с т е м а х под воздействием антропогенных факторов.
Д о с т и ж е н и е целей мониторинга т р е б у е т решения р я д а специальных задач.
Выявление
каналов поступления
и оценка потоков
щих веществ в биопродуктивных
и легкоранимых
Мирового
океана..
загрязняюэкосистемах
Р е ш е н и е этой з а д а ч и опирается на д а н н ы е н а т у р н ы х н а б л ю д е ний, позволяющие выявить основные источники поступления и кан а л ы в ы в о д а з а г р я з н я ю щ и х в е щ е с т в , оценить процессы самоочищения морской среды, р а с с ч и т а т ь с о с т а в л я ю щ и е б а л а н с а загрязн я ю щ и х в е щ е с т в в отдельных регионах о к е а н а , описать д и н а м и к у
токсичных в е щ е с т в в компонентах морских экосистем и изучить
их биогеохимические циклы. О с о б у ю практическую в а ж н о с т ь имеет изучение поступления, накопления и р а з р у ш е н и я загрязняющих в е щ е с т в в наиболее продуктивных р а й о н а х о к е а н а , в приповерхностном микрослое и в водной т о л щ е о к е а н а . С у щ е с т в е н н у ю
роль играет исследование процесса сорбции з а г р я з н я ю щ и х вещ е с т в биогенными и минеральными взвесями, т р а н с п о р т а их на
дно океана, п о с л е д у ю щ е г о накопления и превращений под влиянием микрофлоры в донных о с а д к а х .
Изучение негативных
последствий
загрязнения
ных и легкоранимых
экосистем Мирового
океана.
биопродуктив-
С о в р е м е н н ы е представления об экологических
последствия;
загрязнения океана е щ е т о л ь к о с к л а д ы в а ю т с я в основном на при
м е р а х изучения п р и б р е ж н ы х районов. О т к р ы т ы е о б л а с т и М и р о
вого океана практически не охвачены подобными исследованиями
П о э т о м у д л я получения необходимой информации д о л ж н ы быт
р а з в и т ы длительные
н а б л ю д е н и я за состоянием
нейстонньц
планктонных и бентосных сообществ, с т р у к т у р а которых подвер
ж е н а циклическим к о л е б а н и я м под воздействием разнопериодны;
природных явлений. З а д а ч а состоит в том, чтобы на фоне ест«
ственных колебаний свойств морских экосистем выявить те изм«
нения, которые в ы з в а н ы антропогенными ф а к т о р а м и . Получаема'
информация б у д е т о т р а ж а т ь с л о ж и в ш у ю с я экологическую ситуг
396:
цию и даст научную основу для прогнозирования возможных изменений в дальнейшем функционировании морских экосистем.
Изучение
причинно-следственных
связей между уровнями
накопления загрязняющих
веществ и наблюдаемыми
экологическими
изменениями.
Определение
критических
концентраций
загрязняющих веществ, могущих вызвать нарушения
функциональных
биологических и биохимических
процессов.
В настоящее время существует явно недостаточная информация о причинно-следственных связях между концентрацией загрязняющих веществ и нарушениями структурно-функциональных
показателей морских экосистем. Потребность в этой информации
вызывается необходимостью определения критических концентраций загрязняющих веществ, незначительное превышение которых
при воздействии на выбранную экологическую «мишень» (вид или
группу видов организмов) может привести к необратимому снижению устойчивости всей экосистемы. Известно, что критические
концентрации воздействия сильно варьируют в зависимости от
многих факторов (физиологическое состояние гидробионтов, температурные условия, химический состав воды и т. п.). Поэтому
определение таких концентраций токсичных веществ следует вести
в условиях, максимально приближенных к природным.
Изучение
физических,
химических
и биологических
процессов,
определяющих
ассимиляционную
емкость, и оценка
ассимиляционной емкости морских экосистем в наиболее изученных
районах
Мирового
океана.
Морские экосистемы обладают широким спектром физических,
химических и биологических механизмов, посредством которых загрязняющие вещества могут быть выведены из нее без серьезных
нарушений биогеохимических циклов элементов и изменений биоты. Но когда концентрации загрязняющих веществ в среде достигают уровня, превосходящего ассимиляционную емкость экосистемы, они начинают влиять на выживаемость, репродуктивную
способность, рост и двигательную способность гидробионтов. В результате меняются распределение, качественные и количественные
параметры популяций и биоценозов. Анализ перечисленных процессов нашел свое отражение в концепции ассимиляционной емкости Мирового океана (Израэль, Цыбань, 1983, 1985), которая
является необходимой основой для нормирования внешних воздействий на морские экосистемы и для прогнозирования состояния
экосистем.
Создание
математических
моделей
отдельных
экологических
процессов
для прогноза
экологической
ситуации в океане в локальном, региональном
и глобальном
масштабах.
397:
. Предсказание изменений природных экосистем, их состава,
структуры,
уровня
функционирования,
степени
устойчивости
к внешним воздействиям является одной из важнейших задач
морских экологических исследований. Подобные предсказания возможны на основе математического моделирования поведения экосистемы с учетом всех ее внешних и внутренних связей. П р е ж д е
всего необходимо параметризовать взаимосвязь процессов (физических, химических, биологических) природного комплекса самоочищения, систематизировать и количественно оценить данные
о факторах, определяющих устойчивость морских сообществ, изучить механизмы отклика экосистем на неблагоприятные воздействия на всех уровнях организации живого (от генетического
и молекулярного д о биоценотического). Б а з а для создания математических моделей функционирования морских сообществ закладывается посредством экстраполяционных методов в отношении
интегральной характеристики сообщества. Наибольшей прогностической ценностью о б л а д а ю т модели средней степени сложности,
что обусловлено нестационарностью функционирования экосистем.. Последнее подразумевает изменение значимости отдельных
параметров
и процессов, определяющих состояние экосистем,
в процессе их функционирования. Учет нестационарности возмож е н путём создания моделей гибкой структуры, в которых, при
прогнозировании на к а ж д о м этапе осуществляется
адаптация
с т р у к т у р ы и коэффициентов модели по данным наблюдений.
9.3. Осуществление системы мониторинга океана
Научные основы мониторинга выдвигают несколько главных
принципов его организации (Израэль, Цыбань, 1981).
1. Комплексность производства химических (в атмосфере, воде,
взвесях, грунтах) и сопутствующих гидробиологических, гидрологических и метеорологических наблюдений на станциях I категории-—-в местах сброса загрязняющих веществ, II категории —
в загрязненных районах морей и океанов и III категории — в относительно Чистых йодах. Большое значение придается наблюдениям из космоса с помощью И С З , выполняемым в глобальном
и региональном м а с ш т а б а х .
2. Прослеживание динамики уровней загрязнения морских вод
путем проведения долгопериодных систематических наблюдений
за фоновыми концентрациями загрязняющих веществ в наиболее
удаленных от источников загрязнения районах. Т а к и е наблюдения j
организуются
на
ограниченном числе базовых станций
(6—
10 станций в океане, по 2 — 3 в морях). Одной из них является
точка «С» в Северной Атлантике, обеспечиваемая советскими н а - ,
учно-исследовательскими судами.
j
3. Прослеживание переноса загрязняющих веществ посредством организации наблюдений на океанографических разрезах
в основных циркуляционных системах Мирового океана. П о д о б - 1
ные разрезы располагаются в окрестностях базовых станций.
I
398:
'5'
ll
i vu
&
о
ts
в
о
•S
«a •
a §
s
>
Oj
Й5; «a
S-,1
4
«
Ю
M'O-
Г* .
S3 ад
Ctj-gj
. Ǥ SJ
111
£ § s.
$
Ёa
« 5>,S>
b^ $
<o „ Jj
<У
i i
«С
bj a
а a
sj- sr
S- $
-C ^
* Si
I
S * >3
SI'S.
JHt
§ a;
§ <v
if «
Q Й
a.
О ^
S: S 5
S ^
• 05
.«^
И
tr cS
d
О
с ) 3Ю
«о
' -О vo"
О
и СОЯ)
5 чй
«3
I«
ill
t<3
§ *
ll
^»
«3
.tv
Ml*
a
a
) J
iS Q »
С; Э
й 3-
CO
$
Qj
I
8ai4^ с»
8 ' °
S:
C; « <3
5 *
li
'l
J
I
' NAj^» ct; a^
£5 ц
£ S« s
^
i
53
a S:*=
.
t*
Й т
§s
я
' Сну м«
Ям
04 (U
О W
е® °«
Я2
и
5 я
«
о»
л
а,
>,
Ем
a 5?
CO
§
IS3
Г1
i § § § *
§ gш g
j^tp.
Ci Я tj fcld
1
I
-
a,
t* .
a-
l l f
•I§f
ll
5 С§ Si -
«
^J a
§s •
4
с
aо
к
•Я
о
я
«
о
я
ЕГ
: (Я'
со
я
Я
в
и
а,
о
га
S
к
О
.-я
а.
4. Сопряженность геохимического мониторинга загрязнения вод
океана с биологическим мониторингом влияния загрязнений на
функционирование морских организмов. Только при соблюдении
этого принципа наблюдения в системе мониторинга океанов
становятся логически полноценными и завершенными.
Вариант схемы организационной структуры и информационного обеспечения программы мониторинга океана представлен на
рис. 9.4. Эта схема предусматривает комплексность и методическую обеспеченность всех видов наблюдений, структурную взаимосвязь учреждений и ведомств, задействованных в работах по
мониторингу, организацию банка данных наблюдений.
В настоящее время все внутренние и омывающие моря С С С Р
охвачены сетью станций мониторинга (60—70 станций I категории, 570—600 станций II категории, 1000—1100 станций III категории). Практически весь научно-исследовательский флот Госкомгидромета СССР, значительная часть флота А Н С С С Р и ВНИРО,
задействованы в исследованиях по мониторингу. В каждом УГК.С
созданы отделы наблюдения и контроля за состоянием окружающей среды. Созданы межотраслевые лаборатории мониторинга
природной среды и климата.
На международном уровне осуществляется Программа Ю Н Е П
изучения региональных морей (утверждена в 1974 г.). Программа
охватывает 11 районов океана: Средиземного моря, Красного моря
и Аденского залива, Кувейтского, Западной и Центральной Африки, Восточной Африки, Карибского бассейна, Восточной Азии,
Южной Азии, юго-восточной и южной частей Тихого океана, ЮгоЗ а п а д н о й Атлантики. В реализации программы принимает участие
более 120 прибрежных государств.
ГЛАВА 10. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ
МОРСКОЙ СРЕДЫ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
Существующие технические средства защиты морской среды озагрязнения предназначены для удаления вредных веществ й;
различных выбросов морских судов, а т а к ж е д л я борьбы с неф
тяными разливами, нередко возникающими при эксплуатаци
"нефтяных скважин на шельфе или при авариях нефтеналивны
„ г е д о т в р а щ е н и е загрязнения морской среды от наземных и<
точников через речной сток или атмосферу возможно тольк
путем глобального внедрения экологически чистых безотходны
промышленных технологий и методов рационального природопол]
зования.
400:
ЮЛ. Безотходная технология как основа защиты
природной среды от загрязнения
. Отходы — это объективный показатель
научно-технического
уровня производства. Они представляют собой либо результат
незавершенного, не доведенного до конца производства, либо продукт, д л я которого еще не найдена рациональная, область использования. Известно много примеров, когда «отходы» становились
ценным сырьем или продуктом и находили область эффективного
применения. В настоящее время имеется большой объем выполненных научно-технических разработок по эффективному использованию массы индустриальных, коммунальных и сельскохозяйственных отходов. Сейчас крайне в а ж н а перестройка всех технологических методов по принципу безотходной технологии, предусматривающей рекуперацию низкопотенциального тепла, жидких,
твердых и газообразных веществ.
Первый и важнейший этап на пути к созданию безотходного,
производства вр.. всех.. ..дндустоиадьиы^-.хиспасдях.-т-это создание
З Г а к н у т ы х водооборотных систем. Разработка замкнутых водооборотных технологических схем д о л ж н а основываться на локальных методах очистки, исключать смешивание сточных вод, образующихся после разнородных операций, широко использовать
сорбционные, экстракционные, мембранные и другие интенсивные
физико-химические методы.
По представлениям академика Б. Н. Ласкорина (1988), в основных отраслях промышленности выделяются следующие приоритетные направления, разработка которых в ближайшее время
будет способствовать ускоренному решению проблем защиты
окружающей среды.
В энергетике перевести тепловые станции на десульфуризованное газообразное и жидкое топливо, разработать высокоэффективные методы очистки дымовых газов от оксидов азота, диоксида серы и аэрозолей, комплексной переработки золы и зольных
отвалов, создать полностью замкнутые водооборотные системы,
исключающие образование сточных вод.
В горно-добывающей
промышленности
проблема комплексного
освоения недр должна быть направлена на усовершенствование
методов обогащения с целью получения всех полезных компот
нентов, очистку шахтных вод и рациональное их использование,
рекультивацию земель.
,
В металлургической
промышленности
провести разработку
' научно-теоретических основ замкнутых водооборотных схем (с нулевым сбросом в о к р у ж а ю щ у ю : среду) для всех обогатительных
и металлургических фабрик и комбинатов.
В химической
и нефтехимической
промышленности
для экологизации отрасли внедрить методы мембранной, сорбционной и экстракционной технологии, разработать методы создания экологически чистых удобрений и средств повышения урожайности, заменителей химических веществ, оказывающих вредное воздействие
26
Заказ N> 33
401
на о к р у ж а ю щ у ю с р е д у , а т а к ж е веществ, п о д в е р г а ю щ и х с я быстрой биодеградации и х о р о ш о а с с и м и л и р у ю щ и х с я в природной
среде.
В целлюлозно-бумажной
промышленности
на повестке дня
Стоят п р о б л е м ы р а з р а б о т к и органосольвентной технологии и других методов комплексной переработки древесины, с у х и х методов
получения б у м а г и и к а р т о н а , перехода на з а м к н у т ы е водооборотные схемы.
Н а современном у р о в н е развития н а у к и и техники все названные п р о б л е м ы могут быть решены у ж е - в б л и ж а й ш е м десятилетии.
.
"'••!•
10.2. Защита морской среды при эксплуатации судов
f
Источниками загрязнения морской среды с с у д о в я в л я ю т с я
I о т р а б о т а в ш и е газы с у д о в ы х энергетических у с т а н о в о к , с б р о с ы
| топлива, и м а с е л , льяльных, т р ю м н ы х . и б а л л а с т н ы х вод, о т х о д ы
I р е а к т о р н ы х у с т а н о в о к , бытовые сточные воды, в с е в о з м о ж н ы й быI товой и производственный мусор. З а д а ч а о х р а н ы среды в данном
с л у ч а е состоит в том, чтобы не превысить допустимый у р о в е н ь
загрязнения. Э т о р е ш а е т с я по д в у м направлениям: 1) с о з д а н и е си\ стем з а м к н у т о г о цикла, п о з в о л я ю щ и х у т и л и з и р о в а т ь
основную
1 м а с с у отходов; 2) очистка и снижение токсичности сбросов, неизб е ж н о п о п а д а ю щ и х в . м о р с к у ю среду.
В с л е д с т в и е неполного сгорания топлива; окисления примесей
и наличия присадок в т о п л и в а х и м а с л а х , в с о с т а в е о т р а б о т а в ш и х
газов м о ж е т н а х о д и т с я д о 1 % токсичных веществ, в к л ю ч а ю щ и х
С О , оксиды азота N^Oj,, SO2, несгоревшие у г л е в о д о р о д ы С^Н,,,
твердый фильтрат свободного углерода, ( с а ж а ) , высокотоксичный
бенз (а)пирен, соединения свинца. Д л я - о ч и с т к и и нейтрализации
г а зав-ы-х,..JibL6p осов судовых.._.э11ерх£1ических у с т а н о в о к
применяются следующие~м~ётоды (Юдицкий, 1978).
Каталитические
нейтрализаторы.
И х действие основано на беспламенном "окислении продуктов неполного сгорания топлива С О
и C x Y\ y в С 0 2 и Н 2 0 , а т а к ж е на р а з л о ж е н и и N 0 * в 0 2 и N 2 .
В низкотемпературных н е й т р а л и з а т о р а х ( ^ . 1 5 0 °С) используют
оксидные к а т а л и з а т о р ы ( г р а н у л и р о в а н н а я смесь M n , C u O , C r , F e
и др.), эффективность которых с о с т а в л я е т около 50 % . В высокотемпературных катализаторах
( ^ 3 0 0 °С) эффективностью' до
90 % применяют к а т а л и з а т о р ы типа V2O5. Н е й т р а л и з а т о р ы распол а г а ю т , к а к правило, в в ы п у с к н ы х к о л л е к т о р а х или трубопроводах.
уПламенные
нейтрализаторы
— специальные к а м е р ы , в которых
происходит д о ж и г а н и е горючих элементов о т р а б о т а в ш и х
газов
при 700—850 °С, д л я чего в к а м е р у п о д в о д я т дополнительное
топливо или п о д к л ю ч а ю т э л е к т р о н а г р е в а т е л ь . О к с и д
углерода,
альдегиды, взвеси топлива и масел о к и с л я ю т с я д о С 0 2 и Н 2 0 ,
однако негорючие в е щ е с т в а о с т а ю т с я неизменными.
402:
V
Жидкостные
нейтрализаторы
— приспособления, в которых от-
р а б о т а в ш и е г а з ы п р о п у с к а ю т с я -через слой ж и д к о с т и
(обычно
воды). При этом о б е з в р е ж и в а ю т с я р а с т в о р и м ы е в е щ е с т в а (альдегиды, оксиды серы, высшие оксиды а з о т а ) , у л а в л и в а ю т с я с а ж а ,
ж и д к и е аэрозоли м а с л а и топлива, г а с я т с я р а с к а л е н н ы е топливные частицы. Б е з изменений о с т а ю т с я лишь оксиды у г л е р о д а и
азота.
Комбинированные
системы.
Н а и б о л е е целесообразно совместное использование нескольких способов нейтрализации. Например, в одной из. систем о т р а б о т а в ш и е газы д о ж и г а ю т с я в к а м е р е
в ы с о к о т е м п е р а т у р н о г о н е й т р а л и з а т о р а , з а т е м используются в газовой т у р б и н е и утилизационном парогенераторе, где о т д а ю т
часть, своей энергии, после чего н а п р а в л я ю т с я в ж и д к о с т н ы е нейтрализаторы.
З а д а ч а нейтрализации с у д о в ы х сточных вод р е ш а е т с я д в у м я
путями (Анцевич и др., 1979): 1) о б о р у д о в а н и е м с у д о в специальной. цистерной достаточного о б ъ е м а д л я сбора- и хранения сточных
вод с п о с л е д у ю щ е й передачей- их во в н е с у д о в ы е приемные устройс т в а ; 2) о б о р у д о в а н и е м с у д о в у с т а н о в к о й (системой) д л я обработки сточных вод до т р е б у е м ы х норм непосредственно на б о р т у
и п о с л е д у ю щ и м их с б р о с о м с о г л а с н о п р а в и л а м .
На с у д щ ц ш и м £ ш ш ж с ^ - л ч ж ^
,
вод: 1) биологический
метод, основанный на биохимическом окислении о т х о д о в посредством активного ила; обеспечивает в ы с о к у ю
степень очистки от в з в е ш е н н ы х в е щ е с т в и значительное снижение
Б П К , в о з м о ж н о с т ь полной а в т о м а т и з а ц и и и очистки
большого
о б ъ е м а стоков, в ы с о к у ю степень р а з л о ж е н и я органических веществ и малое количество ш л а м а ; 2) ф и з и ч е с т е - м е т - о д ь ^ в т ю ч а ю щ и е фильтрацию, ц е н т р и ф у г и р о в а н й е г ^ ф л о т а ц и ю ,
осаждение
и т. п.; 3) физико-химические
методы,
обеспечивающие коагуляцию, а д с о р б ц и ю и окисление мелкодисперсных частиц в сточных
водах.
О б е з з а р а ж и в а н и е с т о ч н ь р ц з о д после их очистки о с у щ е с т в л я е т с я
хлорированием, озонированием, э л е к т р о л и з о м
или у л ь т р а з в у к о выми воздействиями.
В целях у д а л е н и я нефхепр.о.дукт.ов-.из сбросных в о д наиболее
часто прдйсеняются системы грубой и тонкой очистки.,.
Г р у б а я очистка выполняется"" с е п а р и р у ю щ и м и
устройствами
отстойного типа, в к о т о р ы х от в о д ы о т д е л я ю т с я грубодисперсные
частицы нефтепродуктов.
Принцип действия с е п а р а т о р о в отстойного типа з а к л ю ч а е т с я
в разделении нефтеводяной смеси под влиянием внутренней, энергии дисперсной системы. С к о р о с т ь потока воды в с е п а р а т о р е долж н а б ы т ь меньше скорости п о д ъ е м а частиц нефти. Ч а с т и ц ы диаметром 2 — 5 мм в с п л ы в а ю т со с к о р о с т ь ю 100 м м / с , а частицы
меньше 0,8 мм в с п л ы в а ю т , т а к медленно, что у н о с я т с я потоком
воды. П о э т о м у путь ж и д к о с т и в с е п а р а т о р е у д л и н н я е т с я за счет
л а б и р и н т а из сеток, перегородок, сопел, винтообразных поверхностей и т. п.
24*
403
Тонкая очистка производится в фильтрах коалесцирующего
и флотационного типов. В фильтрах коалесцирующего типа происходит укрупнение мелких частиц нефтепродуктов путем их
слияния при прохождении смеси через коалесцирующий материал
(шерсть, стекловолокно, синтетические волокна, полипропилен).
Под действием массовых сил укрупненные частицы нефтепродуктов всплывают в нефтесборник, откуда удаляются в цистерну.
В фильтрах флотационного типа очищаемая смесь насыщается
мельчайшими пузырьками воздуха, которые всплывают и увлекают за собой частицы нефти, образуя нефтеводяную пену, удаляемую затем в сборную цистерну. Степень очистки до 99 %,
остаточные концентрации нефтепродуктов не превышают 6 мг/л.
В современном морском флоте с учетом требований защиты
окружающей среды выполняется конструирование отдельных элементов судового оборудования, направленное на обеспечение полноты сгорания топлива и устранения протечек.
Значительные сложности возникают при эксплуатации нефтеналивного флота. Например, после разгрузки танкера-стотысячника на дне и стенках нефтяных емкостей всегда сохраняется
слой прилипшей нефти (мертвый остаток) весом до 500 т. Раньше
танки отмывали просто горячей водой, которую после промывки
в огромных объемах сливали за борт.
В настоящее время широко применяется эмульсионный метод,
разработанный Институтом океанологии АН С С С Р совместно
с Институтом физической химии АН С С С Р (Нестерова, 1984).
Этот метод исключает попадание нефтяных загрязнений в море
при очистке металлических поверхностей, емкостей, цистерн, резервуаров и танков на нефтеналивных судах. Металлические поверхности отмываются от остатков нефти струей раствора препарата типа М Л (МЛ-51, МЛ-52, МЛ-72, МЛ-80). Под влиянием
механического, теплового и физико-химического воздействия образуются прямые эмульсии (нефть в воде) с заданным очень коротким времени жизни, которые потом самопроизвольно распадаются
на нефть и моющий раствор. Препараты типа М Л в процессе
очистки предотвращают образование высоковязких и устойчивых
обратных эмульсий (вода в нефти) и могут быть использованы
многократно (до 20 р а з ) . Эмульсионный метод обеспечивает
очистку емкостей по замкнутому циклу без сброса промывочных
вод. Эффективность очистки столь велика, что после нефти в танках можно перевозить пищевые продукты — сахар или зерно. Собранная нефть утилизируется. Таким образом, к а ж д а я тонна препарата позволяет получить сотни тонн регенерированной нефти.
В целом по морскому транспорту С С С Р данный метод приносит
экономию около 350 тыс. т. нефти в год.
10.3. Меры борьбы с разлитой нефтью
Если разлитая в море нефть представляет собой обширный
или разорванный слик, то прежде всего необходимо приостановить
404:
его распространение, а затем удалить нефть с поверхности моря.
Задержание распространения сликов в припортовых акваториях достигается применением боновых заграждений, выполненных в виде трубчатых камер с утяжеленными заслонами. При
скорости течения не более 75 см/с подобные заграждения ставят
по сегменту или под углом к берегу, чтобы нефть подгонялась
течением к берегу и там накапливалась.
При скорости течения до 40 см/с возможно применение пневматического барьера. Воздух под давлением подается в перфорированный трубопровод, уложенный на дне, выделяющиеся пузырьки воздуха создают восходящий поток воды, который образует
на поверхности стоячую волну (водяной барьер). Вода оттекает
по обе стороны барьера и препятствует движению нефти.
Особая роль принадлежит собирателям-веществам, способным
увеличивать толщину нефтяной пленки и значительно сокращать
площадь разлива. К таким веществам относятся жидкие карбоновые кислоты, спирты, эфиры, глицериды и др. Основной критерий эффективности собирателя — давление растекания:
Я=
00 — о,
(10.1)
где я — поверхностное давление монослоя ПАВ, Н/м;сто— поверхностное натяжение воды, Н/м; а — поверхностное натяжение воды,
покрытой монослоем ПАВ, Н/м.
Давление я Р , создаваемое монослоямй собирателя, находится
в равновесии с линзами нерастекшегося вещества. Чем выше яр,
тем больше толщина слоя (ft), в котором собиратель сконцентрирует разлитые нефтепродукты. Связь между этими показателями
(Мурашов, Шокин и др., 1980) имеет следующий вид:
№ = 2 (я р — S)/gPl
(ро — р,),
(10.2)
где S — коэффициент растекания нефти по воде, Н / м ; g — ускорение свободного падения (981 см/с 2 ); ро — плотность воды, г/см 3 ;
pi — плотность нефти, г/см 3 .
Отсюда следует, что для успешного воздействия на загрязнение я Р должно быть больше коэффициента растекания нефти.
Если некоторые нефтепродукты имеют 5 до 30 мН/м, то я р должно быть не менее 35 м Н / м . Д л я того чтобы создать монослои
с таким значением я Р , количество собирателя должно быть не
менее 5 мг/м 2 . Однако на практике в целях обеспечения быстрого
восстановления пленки после ее разрывов ветром и волнением
применяют 5—10 кратный избыток вещества.
Собирающее средство СН-79, созданное Институтом океанологии АН СССР совместно с Институтом «Союзморниипроект»,
успешно прошло испытания в Одесском порту (Нестерова, 1984).
[ с поверхности моря осуществляется разнооб-
г
г„.
фтяных сликов широко применяются различные
ю это воронкообразные емкости, укрепленные
405:
на п о п л а в к а х и с н а б ж е н н ы е н а с о с а м и д л я в с а с ы в а н и я нефтяной
пленки вместе с тонким слоем воды. Н е к о т о р ы е у с т р о й с т в а снабж е н ы ж е с т к и м и боновыми з а г р а ж д е н и я м и , закрепленными под
у г л о м к д в и ж у щ е м у с я с е п а р а т о р у , что позволяет концентрировать
нефть с полосы шириной д о 20 м. Производительность плавучих
с е п а р а т о р о в с о с т а в л я е т 1 0 — 1 0 0 т нефти в 1 ч.
В 1967 г. в О д е с с к о м порту появилось первое судш-вефт-емусор&еёорщик, построенное по проекту Черноморского центральн о г о проектно-конструкторского бюро. В носовой части с у д н а имеется вырез шириной 4 — 8 м, через который поступает з а б о р т н а я
вода. П о д в и ж н а я з а с л о н к а о т с е к а е т верхний слой воды ( 3 — 4 см),
с о д е р ж а щ и й нефть и мусор. С м е с ь поступает на с у д н е в специа л ь н у ю ванну, где мусор извлекают, а нефть о т с т а и в а е т с я и насосом п е р е к а ч и в а е т с я в с б о р н ы е емкости. В н а с т о я щ е е время в торг о в ы х и р ы б н ы х портах С С С Р р а б о т а е т около 200 подобных с у д о в ,
с о б и р а я за год д о 20 тыс. т нефти и д е с я т к и тысяч к у б о м е т р о в
„мусора.
В 1978 г. в Ильичевском порту вступило в строй первое в мире
крупное природоохранное судно «Светломор», специально предназначенное д л я ликвидации аварийных разливов нефти в открытом море. « С в е т л о м о р » п е р е о б о р у д о в а н из серийного
танкера
типа «Казбек». Н а нем у с т а н о в л е н ы нефтесборные
устройства,
мощные насосы, приемно-отстойные емкости д л я отделения нефти,
приспособления для о б р а б о т к и поверхности моря
химическими
препаратами. Нефтесборные устройства «Светломора» охватывают
полосу воды более 60 м и с о б и р а ю т с нее д о 800 т нефти в 1 ч
при 80 % - н о й эффективности с б о р а ,
j—"*' Д р у г о й метод у д а л е н и я сликов основан на высокой вязкости
j нефти и ее способности к адгезии на т в е р д ы х поверхностях. Не| которые коллекторы с о д е р ж а т б о л ь ш о е количество неопреновых
\ ременных передач, с которых после к о н т а к т а со сликом нефть
.счищается в разделительный танк. В д р у г и х к о л л е к т о р а х используется
принцип в р а щ а ю щ и х с я цилиндров. С к о р о с т ь у д а л е н и я
- нефти из т я ж е л ы х сликов подобными м е т о д а м и д о с т и г а е т 4500 л/ч.
В основе нескольких способов с б о р а нефти л е ж и т разбрызгивание на загрязненной поверхности моря р а с п л а в л е н н о г о парафина или р а с т в о р а поливинилового пластика в летучем растворителе. П о с л е з а с т ы в а н и я м а т е р и а л а нефть о с т а е т с я в его порах,
а з а т в е р д е в ш и е к у с к и смеси у д а л я ю т с я , механическими способами.
^
Ш и р о к о е применение п о л у ч а ю т различные синтетические во/ д о о т т а л к и в а ю щ и е пористые м а т е р и а л ы , способные
эффективно
! с о р б и р о в а т ь нефть. Т а к , сорбент на основе гидрофобизированного
.вспученного перлита с о б и р а е т нефть с поверхности моря на 98 % .
Н е к о т о р ы е пенопласты на основе с л о ж н ы х полиэфиров за 5 мин
п о г л о щ а ю т нефти в 1 8 — 2 0 раз б о л ь ш е их собственной м а с с ы
и после о т ж и м а нефти могут использоваться многократно (Нестер о в а , 1984). О л е о ф и л ь н а я п о л и у р е т а н о в а я пена • («биббипол»),
измельченная на мелкие кусочки, а б с о р б и р у е т нефти в сто раз
б о л ь ш е собственной м а с с ы ( Н е л ь с о н - С м и т , 1977).
•406
Использование специальных веществ — диснергентов — имеет
целью раздробить остатки нефтяных сликов; перевести их в эмульсии и этим ускорить биохимическое разрушение нефти. Диспергирующие средства д о л ж н ы о б л а д а т ь биологической мягкостью,
нетоксичностью д л я морских организмов и обеспечивать оптимальную стабильность эмульсии д а ж е при сильном разбавлении водой.
Необходимым требованиям вполне удовлетворяют р а з р а б о т а н н ы е
Институтом океанологии А Н С С С Р диспергирующие средства
Д Н - 7 5 и ЭПН-5. П р и испытаниях в Балтийском море у д а л о с ь
снизить содержание нефти на поверхности моря с помощью беролл-198 (Швеция) с 1,97 до 0,33 м г / л , коррексита-7664 (США) —
до 1,22 м г / л , Д Н - 7 5 — д о 0,23 м г / л и Э П Н - 5 до 0,06 м г / л (Несте:
рова, 1984).
' Удаление нефти возможно и :бдолоуическими эгентдмд. _ Т а к ,
6дин'"индивидуум..копеподы' Cdlanus м о ж е т потреблять до 150 мкг'
нефти в 1 сут, а д л я плотной популяции это потребление составит
0,3 г/(м 3 • сут). Организмы-фильтраторы, например черноморские
мйдии, способны у д а л я т ь через ж а б р ы до 200 мг нефти из 1 Л
воды в виде псевдофекалий, состоящих из слизи с нефтяными капельками. Все эти животные не усваивают з а г л а т ы в а е м у ю нефть,
а д е л а ю т ее более доступной микроорганизмам. Известно более
100 видов различных бактерий, окисляющих нефтепродукты;
В аэробных условиях бактериями р а з р у ш а ю т с я практически все
углеводороды от метана до самых т я ж е л ы х остатков. Легче других р а з р у ш а ю т с я соединения С ю — C i 6 . И з них д л я бактерий наиболее приемлемы ароматические. В поверхностном слое донных
отложений при содержании кислорода менее 0,5 м г / л и р Н - < 6 , 0
преобладающей над бактериями биологической формой могут
оказаться грибы в виде плесени и д р о ж ж е й , т а к ж е способные
окислять нефть. Так, исследователи н а б л ю д а л и рост
Penicillium
и Candida на парафиновых и олефиновых углеводах.
В Мексиканском з а л и в е н о р м а л ь н а я плотность широкого р я д а
д р о ж ж е й редко превышает 10 жизнеспособных единиц на 100 м л
воды, однако после разлива нефти из скважины их количество
в о з р а с т а л о до 500—1100. В связи с этим д л я очищения морских
акваторий от нефти предложен метод, предусматривающий производство микрокапсул, с о д е р ж а щ и х микроорганизмы и необходимые им вещества (энзимы и питательные соли), и их р а з б р а с ы в а ние в загрязненных районах.
Таким образом, д л я удаления нефти с водной поверхности
существует множество методов. К а ж д ы й из них обладает определенными преимуществами и недостатками. Наиболее перспективно применение комбинированных методов в последовательности:
механические — сорбирующие — диспергирующие — биологические.
407:
ГЛАВА 11. ОХРАНА МОРСКОЙ СРЕДЫ
ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
П р о б л е м а о х р а н ы морской среды в н а с т о я щ е е время с т а л а
г л о б а л ь н о й . Е е решение в о з м о ж н о п у т е м в ы р а б о т к и з а к о н о д а тельных а к т о в на национальных и м е ж д у н а р о д н ы х у р о в н я х и
созданием
специальных
органов,
призванных
контролировать
с о б л ю д е н и е з а к о н о д а т е л ь с т в а всеми водопользователями.
ПЛ. Основные черты национальных законодательств
по охране морской среды
П о с л е д н и е д в а д ц а т ь л е т о х р а н а внутренних в о д о е м о в и р е ж и м
водопользования в С С С Р р е г у л и р о в а л и с ь « О с н о в а м и водного зак о н о д а т е л ь с т в а С о ю з а С С С Р и союзных республик», введенными
в действие В е р х о в н ы м С о в е т о м С С С Р с 1 с е н т я б р я 1971 г. В соответствии с этим законом водопользователи были о б я з а н ы принимать меры к п р е к р а щ е н и ю с б р о с а сточных вод путем совершенствования технологии производства и систем в о д о с н а б ж е н и я . З а кон з а п р е щ а л в в о д в э к с п л у а т а ц и ю промышленных, к о м м у н а л ь н ы х
и д р у г и х хозяйственных объектов, не обеспеченных водоочистными
сооружениями.
Водные
кодексы
СССР
и союзных республик,
принятые
в 1972 г., конкретизировали главные положения В о д н о г о З а к о н а .
Т а к , в с л у ч а е нарушения т р е б о в а н и й предварительной очистки
сточных вод д о у с т а н о в л е н н ы х нормативов,
предусматривалась
возможность
прекращения
работы
отдельных
промышленных
у с т а н о в о к , цехов и предприятий. П р е д у с м а т р и в а л а с ь т а к ж е угол о в н а я ответственность лиц за действия, в л е к у щ и е за собой загрязнение водоемов.
Компетенции министерств и в е д о м с т в в о б л а с т и контроля за
использованием природных вод разграничивались постановлением
Ц К К П С С и С о в е т а Министров С С С Р от 29 д е к а б р я 1972 г. Н а
Г л а в н о е у п р а в л е н и е г и д р о м е т с л у ж б ы при С о в е т е
Министров
С С С Р , п р е о б р а з о в а н н о е в 1977 г. в Г о с у д а р с т в е н н ы й комитет
С С С Р по гидрометеорологии и контролю природной среды была
в о з л о ж е н а организация с л у ж б ы н а б л ю д е н и я и контроля за уровнем загрязнения природной среды и экстренной информации при
резких повышениях степени загрязнения воды, почвы и в о з д у х а .
П о с т а н о в л е н и е м С о в е т а Министров С С С Р «Об усилении борьбы с загрязнением моря в е щ е с т в а м и , вредными для з д о р о в ь я
л ю д е й или д л я ж и в ы х р е с у р с о в моря» от 14 ф е в р а л я 1974 г. у с т а н а в л и в а л и с ь обязанности министерств и в е д о м с т в по предотвращению загрязнения т е р р и т о р и а л ь н ы х морских вод. М и н и с т е р с т в а м
мелиорации и водного х о з я й с т в а , з д р а в о о х р а н е н и я , рыбного хозяйства п р е д п и с ы в а л а с ь р а з р а б о т к а нормативов П Д К и составление перечней з а п р е щ е н н ы х к с б р о с у веществ. Э т о постановление
фактически п р е д у с м а т р и в а л о введение в действие в п р е д е л а х внутренних и территориальных вод С С С Р положений Л о н д о н с к о й
408:
конвенции по предупреждению загрязнения е судов от 2 н о я б р я
1973 г.
В полном соответствии с положениями Хельсинской конвенции
о з а щ и т е морской среды района Балтийского моря от 22 марта
1974 г., Совет Министров С С С Р 16 июля 1976 г. принял постановление «О м е р а х по усилению охраны от загрязнения бассейна
Балтийского моря», в котором предусмотрен комплекс мероприятий, направленный на полное прекращение сброса неочищенных
сточных вод в реки и водоемы Балтийского бассейна. 26 ф е в р а л я
1974 г. Президиум Верховного Совета С С С Р принял Указ «Об
усилении ответственности за загрязнение моря веществами, вредными д л я здоровья людей или д л я ж и в ы х ресурсов моря, либо
другими отходами и материалами», в котором обозначены меры
административной и дисциплинарной ответственности за несоблюдение правил з а щ и т ы моря от загрязнения. Этот У к а з был изменен и дополнен Указом Президиума Верховного Совета С С С Р от
21 м а я 1980 г.
В соответствии с законодательством и постановлениями Совета
Министров С С С Р ответственные министерства и ведомства приняли необходимые приказы, п р а в и л а и постановления. Например,
« П р а в и л а охраны поверхностных вод от загрязнения сточными
водами» (утверждены Минводхозом С С С Р в 1974 г.), « П р а в и л а
по предотвращению загрязнения моря с кораблей, судов и береговых объектов военно-морского флота» (введены в 1974 г.), « Н а ставление по предотвращению загрязнения моря нефтью» (утверж д е н ы Министерством морского флота С С С Р в 1969 г.) и др.
П р а в и л а и наставления с о д е р ж а т требования, соответствующие
требованиям международных конвенций, и предусматривают специальные меры по предотвращению загрязнения моря.
В соответствии с Женевской конвенцией о шельфе 1958 г.,
Указ Президиума Верховного Совета С С С Р «О континентальном
шельфе Союза С С Р » от 6 ф е в р а л я 1968 г. и Постановление Совета Министров С С С Р «О порядке проведения работ на континентальном шельфе С С С Р и охране его естественных богатств»
эт 18 июля 1969 г. устанавливают обязанности организаций, несущих ответственность за различные установки и сооружения на
нельфах, и определяют государственный надзор за соблюдением
травил и требований по р а з р а б о т к е и охране ресурсов шельфов
i предотвращению загрязнения вод. Дополнительное постановление Президиума Верховного Совета С С С Р от 13 августа 1969 г.
щодит уголовную ответственность за правонарушения на шельфах.
Д л я охраны от загрязнения среды Северного Ледовитого океа1а в а ж н о е значение имеет .Постановление Совета Министров
р.СФСР от 9 сентября 1963 г. «О мерах по прекращению загряз[ения неочищенными сточными водами водоемов Обь-Иртышского
>ассейна». 16 сентября 1971 г. Совет Министров С С С Р утвердил
^Положение об Администрации Северного морского пути при
Министерстве морского флота С С С Р » , в соответствии с которым
дной из основных з а д а ч этой администрации является принятие
409:
мер к п р е д о т в р а щ е н и ю и ликвидации последствий загрязнения
морей С е в е р н о г о Л е д о в и т о г о океана.
Т а к и м о б р а з о м , воды открытого моря и над ш е л ь ф о м С С С Р
з а щ и щ е н ы советским з а к о н о д а т е л ь с т в о м от в о з м о ж н ы х воздействий различных отходов, связанных с с у д о х о д с т в о м , разведкой
и р а з р а б о т к о й природных р е с у р с о в морей.
Т е м не менее, загрязнение внутренних и окраинных
морей
С С С Р в 70-х и 80-х г о д а х п р о д о л ж а л о н а р а с т а т ь , а к н а с т о я щ е м у
времени достигло у г р о ж а ю щ е г о уровня. Э т о о б ъ я с н я е т с я тем, что
решения и постановления П р а в и т е л ь с т в е н н ы х органов не были
обеспечены д о с т а т о ч н ы м и техническими и экономическими средствами, с п о с о б с т в у ю щ и м и их выполнению. П р а к т и ч е с к и все отр а с л и народного хозяйства не р а с п о л а г а л и р е с у р с о с б е р е г а ю щ и м и
экологически чистыми технологиями, р а з р а б о т к а и внедрение которых т р е б у е т больших к а п и т а л ь н ы х вложений. К р о м е того, по
всей стране не с о б л ю д а л и с ь принципы рационального природопользования. О д н а к о по мере развития перестройки и внедрения
Новых экономических отношений положение в о б л а с т и о х р а н ы
О к р у ж а ю щ е й среды б у д е т у л у ч ш а т ь с я .
В 1988 г. о б р а з о в а н Г о с у д а р с т в е н н ы й комитет по о х р а н е природы (Госкомприроды . С С С Р ) , основной о б я з а н н о с т ь ю которого
я в л я е т с я координация действий в этой о б л а с т и и в ы р а б о т к а нового З а к о н а об охране природы. П о - п р е ж н е м у в а ж н о е значение
имеет оперативна!я с л у ж б а Г о с к о м г и д р о м е т а С С С Р , осуществляю-:
щ а я н а б л ю д е н и е и контроль за состоянием о к р у ж а ю щ е й среды. 1
З а к о н о д а т е л ь с т в о в ы с о к о р а з в и т ы х стран з а п а д н о г о мира уде-;
л я ё т значительное внимание п р о б л е м а м о х р а н ы водной среды. 1
У с п е ш н о м у решению ряда природоохранных проблем на нацио^
нальном у р о в н е способствовали мощные общественные движения 1
и организации, п р е д ъ я в л я в ш и е п р а в и т е л ь с т в а м т р е б о в а н и я принять неотложные меры по у л у ч ш е н и ю состояния
окружающей
среды. С о в р е м е н н о е з а к о н о д а т е л ь с т в о воздействует на наруши-'
тел ей ж е с т к и м и экономическими санкциями, которые в ы н у ж д а ю т
предпринимателей оперативно внедрять в производство эффективные очистные комплексы и новые технологии.
В течение 1960—1980 гг. правительством С Ш А была принята
серия з а к о н о д а т е л ь н ы х а к т о в по вопросам о х р а н ы морских вод
Э т о п р е ж д е в с е г о З а к о н о предотвращении загрязнения нефтьк
(30 а в г у с т а 1961 т.) к а к акт внедрения М е ж д у н а р о д н о й конвенций
1954 г. в систему национальных п р а в о в ы х норм. В 70-х года?
конгресс С Ш А пересмотрел почти все принятые ранее законь
и одобрил несколько новых актов. В 1970 г. создано Агентстве
о х р а н ы о к р у ж а ю щ е й среды, в з а д а ч у которого в х о д и л а выработкг
с т а н д а р т о в ' д о п у с т и м о г о загрязнения и о с у щ е с т в л е н и е контрол*
за соблюдением с о о т в е т с т в у ю щ и х законов. 10 июля 1972 г. приня'
З а к о н о безопасности портов и водных путей. В 1977 г. к закон;!
1970 г. приняты поправки, с о г л а с н о которым в в о д а х С Ш А уста|
н а в л и в а е т с я зона морской безопасности, п р и м ы к а ю щ а я к террито
риальным водам и на 200 миль у д а л е н и я от них. В этой зоне за
410:
3091:
прещены л ю б ы е с б р о с ы нефти или д р у г и х о п а с н ы х в е щ е с т в . З а
нарушения
предусмотрены
строгие
санкции
(штраф
до
100 тыс. долл. и лишение с в о б о д ы до 10 л е т ) . В 1974 г. принят
З а к о н о чистой воде, во исполнение которого конгресс выделил
28,7 млрд. долл. на контроль за загрязнением и 24 млрд. долл: на
строительство в течение 5 л е т очистных с о о р у ж е н и й д л я городских сточных вод. Новый З а к о н классифицирует з а г р я з н я ю щ и е вещ е с т в а на три группы, д л я к а ж д о й из которых у с т а н а в л и в а ю т с я
свои сроки з а п р е т а с б р о с о в с введением их последовательно до
1987 г. В е с н о й 1978 г. конгресс С Ш А принял З а к о н о планировании исследования и мониторинга загрязнения
океана.
Законом
предусмотрено: 1) у с т а н о в и т ь пятилетний план исследования и
мониторинга
загрязнения океана, 2) р а з р а б о т а т ь н е о б х о д и м у ю
б а з у информации, 3) с о з д а т ь Н а ц и о н а л ь н о е управление по исслед о в а н и ю океанов и а т м о с ф е р ы ( Н У O A ) . П р о е к т ы и п р о г р а м м ы
мониторинга морского загрязнения в С Ш А о с у щ е с т в л я ю т с я по
с л е д у ю щ и м направлениям: н а б л ю д е н и я за исходными компонент а м и загрязнения, мониторинг морских
экосистем,
мониторинг
продовольственного потенциала, мониторинг нефтяных разливов.
У н и к а л ь н ы м выглядит з а к о н о д а т е л ь с т в о К а н а д ы . З д е с ь впервые в м е ж д у н а р о д н о й практике в 1970 г. З а к о н о предотвращении
загрязнения арктических т е р р и т о р и а л ь н ы х в о д с т р а н ы был распространен на 100-мильную зону с введением с а м ы х ж е с т к и х
санкций за загрязнение. П о в о д о м д л я этого п о с л у ж и л а а в а р и я
т а н к е р а С Ш А « Э р р о у » , ( ф е в р а л ь 1970 г.), когда в заливе Ч е д а б у к т о ( Н о в а я Ш о т л а н д и я ) в море в ы л и л о с ь о к о л о 30 тыс. т т я ж е л о г о топлива. Е с л и учесть л е г к у ю ранимость арктических экосистем, то подобный з а к о н о д а т е л ь н ы й акт можно считать о п р а в д а н ным. В Канаде существуют также «Правила о предотвращении
[загрязнения нефтью» от 1971 г. В 1976 г. У п р а в л е н и е по з а щ и т е
О к р у ж а ю щ е й с р е д ы приняло п р о г р а м м у научных исследований и
[создания
технических
средств
для
ликвидации
загрязнения
нефтью.
В 1976 г. по сравнению с : 1975 г. количество разливов нефти
у английских берегов увеличилось на 20 % (595 а в а р и й с у д о в
против 500). Основным юридическим д о к у м е н т о м В е л и к о б р и т а н и и
в этом отношении я в л я е т с я З а к о н о предотвращении загрязнения
нефтью от 27 июля 1971 г., объединивший в себе положения законов 1955, 19ЪЗ и 1971 гг., а т а к ж е З а к о н а о континентальном
шельфе 1964 г. Д л я английского з а к о н о д а т е л ь с т в а в о б л а с т и о х р а ны морской с р е д ы х а р а к т е р н о у ж е с т о ч е н и е правил и норм. В м е сте с тем п р а в и т е л ь с т в о н е р е д к о с а м о н а р у ш а е т правила о х р а н ы ,
Санкционируя, например, захоронение
радиоактивных
отходов
? окрестностях В е л и к о б р и т а н и и .
j В конце 70^х годов французский правительственный комитет
дежминистерских действий в з а щ и т у природы и о к р у ж а ю щ е й
'.реды. приступил, к о с у щ е с т в л е н и ю 15-летней п р о г р а м м ы по очистке национальных вод на основании З а к о н а от 12 д е к а б р я 1964 г.
> предотвращении загрязнения моря нефтью. В 70-х г о д а х в З а к о н
д в а ж д ы вносились поправки, ужесточающие меры по контролю
над морскими загрязнениями.
Специфика экологической ситуации в развивающихся странах
Азии, Африки и Латинской Америки обусловлена интенсивной
эксплуатацией природных ресурсов, быстрым развитием горнодобывающей промышленности, вырубкой лесных массивов, опустыниванием сельскохозяйственных районов. При легкой ранимости
и слабой устойчивости тропических экосистем потребуется много
десятилетий д л я их восстановления.
Проблема морских загрязнений в З а п а д н о й Африке отягощается тем, что здесь строится р я д предприятий западных стран по
производству бумаги, цемента, удобрений, которые будут сбрасывать отходы прямо в море. Н е ф т е п е р е р а б а т ы в а ю щ и е заводы, применение пестицидов и удобрений в сельскохозяйственных районах
побережья т а к ж е усугубляют загрязнение вод Гвинейского з а л и в а
и западного побережья Африки.
В Азии особой уязвимостью по отношению
к
загрязнению
нефтью отличается юго-западный район, где сосредоточены крупнейшие нефтеносные месторождения.
В 1961 г. на Арушской конференции африканских стран был
принят манифест об охране природы, к которому в 1966 г. присоединились почти все страны Африки. Н а конференции в АддисАбебе (август 1971 г.) африканские государства поставили вопрос
о прекращении загрязнения прибрежных вод континента. Н а основании рекомендаций ФАО, В О З и Ю Н Е П в 1981 г. в Кот Д ' и в у а р
состоялась конференция 16 государств, которые заключили Договор о защите своих прибрежных вод от загрязнения и подписали
протокол о сотрудничестве в случаях чрезвычайных обстоятельств
Н а Конференции 1981 г. семью прибрежными государствами К р а с
ного моря создана новая м е ж д у н а р о д н а я организация, уделяю
щ а я особое внимание проблеме мониторинга загрязнения. В 1975 г
О м а н т а к ж е принял к действию З а к о н о контроле за загрязнение»
морской среды. Аналогичные законодательства имеются в Синга
пуре и Новой Зеландии. В 1977 г. Индонезия, М а л а й з и я и Синга
пур подписали соглашение о координации антизагрязнительно/
политики в проливах и методов борьбы с загрязнением. В 1978 г
правительство Сингапура дополнило З а к о н о предотвращении за
грязнения моря 1971 г. положениями, вытекающими из Лондон
ской конвенции 1969 г.
Среди стран Латинской Америки наибольшую активность п:
охране среды проявляет Мексика, которая в 1971 г. приняла Зг
кон о предотвращении загрязнения морской среды в предела;
территориальных вод любыми вредными веществами. Б р а з и л и
т а к ж е распространяет на всю ширину территориальных вод зг
прет в отношении сброса в морскую среду сточных вод, а таю»
жидких или твердых промышленных отходов. П р а в и л а , принять
в Чили, с о д е р ж а т запрет на сброс нефтеостатков в предела
50 миль от побережья. Сброс иных веществ запрещен на рассто:
нии 10 миль от побережья.
412:
В целом ж е процесс р а з р а б о т к и и принятия природоохранного
законодательства морской среды у большинства развивающихся
стран находится на начальной стадии. Большинство национальноправовых норм пока еще носит общий х а р а к т е р и содержит лишь
отдельные положения по регулированию предотвращения загрязнения нефтью.
"11.2. Важнейшие международные соглашения
по охране морской среды
Проблемы морской среды могут быть успешно решены только
путем развития всестороннего международного
сотрудничества,
обеспечивающего активное участие всех государств •— больших и
малых, развитых и развивающихся, прибрежных и не имеющих
выхода к морю.
Международные соглашения по предупреждению загрязнения
Мирового океана нефтью и другими опасными и вредными веще-
ствами. Первым международным соглашением,
установившим
определенные обязанности государств в этой - области, была Лондонская конвещщя по предотвращению загрязнения моря н е ф т ь ю '
1954 г. с поправками 1962 г. (для С С С Р вступила п силу в 1969 г.).
Конвенция запретила намеренный слив нефти с судов, установила
запретные зоны (Северное и Балтийское, с 1969 г. — Черное и
Азовское моря), о б я з а л а к а ж д о е договаривающееся государство
принять необходимые меры д л я оборудования отдельных портов
устройствами д л я приема нефтяных остатков. .B_J$j$_jk_cecciia[
И М К О (м ежи р а вител ьств енн а я морская консультативная организация) приняла новые поправки к Конвенции, по которым запретной для слива нефти зоной был объявлен весь МироврД,_о_кеан.
К а к исключение, суда могут сливать л и ш ь 60 л нефти на 1 милю
пути, причем к а к можно д а л ь ш е от берега. В 1971 г. принято новое дополнение, с о д е р ж а щ е е технические нормы, которые д о л ж н ы
соблюдаться при строительстве новых танкеров,
f После к а т а с т р о ф ы танкера «Торри-Каньон» и огромного
ущерба, причиненного Великобритании, на конференции И М К О
з Брюсселе (ноябрь 1969 г.) были р а з р а б о т а н ы два документа:
Международная конвенция о праве вмешательства в открытом
море в случае аварий, вызывающих загрязнение моря нефтью,
ji М е ж д у н а р о д н а я конвенция о г р а ж д а н с к о й ответственности за
;пцерб, вызванный загрязнением нефтью. Конвенции вступили
з силу в 1975 г. С С С Р участвует в обеих конвенциях.
Осенью 1972 г. в Лондоне на межправительственной конференции представители 80 государств выработали Конвенцию по пред»
>твращению загрязнения моря сбросом отходов и других мате)иалов (вступила в силу в 1975 г. )~. П р и л ожейиё Г ' "Конвенции
одержит «черный список»_— д£р£н£нь_в£щестй, полностью запреценных к с5росЗ?Г~етсгроргагшческие соединенияГртуть 1 Г е ё соеди1ения, кадмий и его соединения, нефть и нефтепродукты, вещества
413:
.для ведения химической и биологической войны. П р и л о ж е н и е II
с о д е р ж и т «се|да!ихцщшк»_=г- перечень с б р а с ы в а е м ы х по разрешен и ю веществ, которые быстро о б е з в р е ж и в а ю т с я химическими или
.-биологическими процессами в море. П р и л о ж е н и е III с о д е р ж и т
п р а в и л а , р е г у л и р у ю щ и е сброс.
П о д эгидой И М К О 2 л ю я б р . я Л Я 7 Л г . в Л о н д о н е с р ^ а я л а с ь конференция,, на которой была принята новая ' М е ж д у н а р о д н а я конвенция по п р е д о т в р а щ е н и ю загрязнения с с у д о в Т З ^ ' М г р я з н Ш а 1
звдге" в е щ е с т в а по степени их вредности р а з д е л е н ы на четыре
категории. У с т а н а в л и в а е т с я запрещение с б р о с а в е щ е с т в всех кате-горий, а д о п у с к а е м ы е исключения н а х о д я т с я в строгой зависимости от категорий. В о всех дозволенных с л у ч а я х с б р о с м о ж е т быть
п р о и з в е д е н на расстоянии ,не__менее 12 миль от берега и на глу-бине^не менее__2д5_ж-е соблюдением установленной скорости движения. В особых р а й о н а х (Средиземное море с заливами, Балтийское море с заливами, Черное, К р а с н о е с заливами, Персидский
и О м а н с к и й заливы) з а п р е щ а е т с я всякий сброс. С у д а
должна
с о х р а н я т ь все нефтяные о с т а т к и и грязный б а л л а с т , а затем сдав а т ь их только в приемные у с т р о й с т в а .
Конвенция 1973 г. не лишена н е д о с т а т к о в и спорных положений, к а с а ю щ и х с я юрисдикции п р и б р е ж н ы х г о с у д а р с т в и п о д с у д
я о с т и дел о н а р у ш е н и я х конвенции, а т а к ж е некоторых техниче
-ских вопросов, поэтому к 1978 г. она не была ратифицирована
многими с т р а н а м и . В 1978 г. на М е ж д у н а р о д н о й
конференцш
в Лондоне, созванной И М К О , к Конвенции 1973 г. были принять
д о п о л н е н и я , и изменения, к а с а ю щ и е с я проектирования, к о н с т р у к
'ции и о б о р у д о в а н и я т а н к е р о в и контроля за их состоянием.
У с и л и я в данной о б л а с т и у ж е привели к о щ у т и м ы м результа!
там. П о данным М е ж д у н а р о д н о й морской организации, с 1971 ш
1980 г. при увеличении морских перевозок нефти почти на 20 °ji
о б ъ е м сбросов нефти в океан с с у д о в с о к р а т и л с я более чем н;
30 % . О ж и д а е т с я , что реализация требований М е ж д у н а р о д н о !
конвенции М А Р П О Л - 7 3 / 7 8 , в с т у п и в ш е й в силу в 1983 г., п р и в е д е
к уменьшению э к с п л у а т а ц и о н н ы х (с б а л л а с т н ы м и водами) сбрс
сов нефти с т а н к е р о в с 0,7 млн. т (1980 г.) до 0,2 млн. т у ж е к на
ч а л у 1990-х годов.
,
Международные соглашения по предупреждению
радиоактив
н о г о и б а к т е р и а л ь н о г о з а р а ж е н и я м о р с к о й с р е д ы . П е р в ы м много
сторонним м е ж д у н а р о д н ы м договором по борьбе с радйоающвды!
об открытом море, п р и з ы в а ю щ а я к а ж д о е г о с у д а р с т в о принимат
меры д л я п р е д у п р е ж д е н и я загрязнения и сотрудничать с М А Г А Т ;
. ( М е ж д у н а р о д н о е агентство по атомной энергии) и И М К О в выр?
,-ботке этих мер.
|
(,
Т р е б о в а н и я мировой общественности и борьба социалистич(
1ских стран в р а м к а х О О Н и на д р у г и х м е ж д у н а р о д н ы х форума;
^привели к з а к л ю ч е н и ю в 1963 г. М о с к о в с к о г о д о г о в о р а о запр(
|щении испытаний ядерного о р у ж и я в атмосфере, космическс:
414:
п р о с т р а н с т в е и под водой. П о д благоприятным воздействием д о г о в о р а , с 1964 г. на п л а н е т е н а б л ю д а е т с я сильное снижение р а д и о активности. В а ж н е й ш и м м е ж д у н а р о д н ы м актом я в л я е т с я принятый на X X V сессии Г е н е р а л ь н о й А с с а м б л е и О О Н в 1970 г. и открытый д л я подписания 11 ф е в р а л я 1971 г. в М о с к в е , Вашингтонеи
и Л о н д о н е -"Договор о запрещении разрешения. ня :др<?
< 05еашвииив е £ Ш е д р а £ . я д е р н о ш : и д р у г и х видов о р у ж и я м а с с о в о г о _
Й ш н х о ж ё н и я . П о л о ж е н и я этого Д о г о в о р а были дополнены К о н венцией 197^2 г. по п р е д у п р е ж д е н и ю загрязнения моря с б р о с о м
о т х о д о в и д р у г и х м а т е р и а л о в , з а п р е щ а ю щ е й сброс м а т е р и а л о в
с у р о в н е м радиоактивности, п р е в ы ш а ю щ и м - н о р м а т и в ы М А Г А Т Э .
Р а н е е заключенный^ д о г о в о р об А н т а р к т и д е от 1 д е к а б р я
1969 г. запретил все я д е р н ы е ' в з р ы в ы и с б р о с р а д и о а к т и в н ы х вещ е с т в в районе ю ж н е е 60° ю. ш., в к л ю ч а я все ш е л ь ф о в ы е л е д :
ники. ;
'.'.
••
Р я д правил, п о с в я щ е н н ы х э к с п л у а т а ц и и морских с у д о в с атомными д в и г а т е л я м и , был закреплен в Б р ю с с е л ь с к о й конвенции
1962 г. об ответственности операторов ядерных с у д о в , Б р ю с с е л ь ской и В е н с к о й конвенциях 1963 г. о г р а ж д а н с к о й ответственности
за ядерный у щ е р б , в Б р ю с с е л ь с к о й конвенции 1971 г. о г р а ж д а н ской ответственности в о б л а с т и морских перевозок расщепляю^щихся м а т е р и а л о в .
В а ж н е й ш и м ш а г о м на пути полного запрещения бактериоло- "
гического И химического видов о р у ж и я м а с с о в о г о уничтожения
явилась принятая Г е н е р а л ь н о й А с с а м б л е е й О О Н 16 д е к а б р я
1971 г. и в с т у п и в ш а я в с и л у в 1975 г. Конвенция о запрещении
оазработки, п р о и з в о д с т в а и накопления' з а п а с о в бактериологического и токсичного о р у ж и я и об их уничтожении.
—Р е г и о н а л ь н о е с о т р у д н и ч е с т в о . Б а л т и й с к о е м о р е — крупнейший
ю л у и з о л и р о в а н н ы й водоем с интенсивным с у д о х о д с т в о м и высокой степенью загрязненности. С 1969 г. ш л а р а б о т а ' э к с п е р т о в и
ористов по подготовке широкого соглашения. Н а к о н е ц в м а р т е
.974 г. на дипломатической конференции в Хельсинки, в которой
'частвовали все прибалтийские г о с у д а р с т в а , н а б л ю д а т е л и от Че:ословакии, Норвегии и многих м е ж д у н а р о д н ы х
организаций,
>ыли приняты З а к л ю ч и т е л ь н ы й акт, Конвенция по з а щ и т е мор;кой среды Б а л т и й с к о г о моря, ш е с т ь приложений с дополнениями
I семь резолюций по различным вопросам. В приложениях I и II
;ается исчерпывающий перечень в е щ е с т в , з а п р е щ е н н ы х к с б р о с у
!ли з а х о р о н е н и ю в Б а л т и й с к о м море и его з а л и в а х . П р и л о ж е н и е
II конкретизирует меры д л я п р е д о т в р а щ е н и я загрязнений. Приожение I V р е г л а м е н т и р у е т все в о з м о ж н ы е в и д ы с б р о с а с с у д о в ,
ает распределение ядовитых в е щ е с т в по категориям. Конвенция
974 г. конкретизирует в с е п о л о ж е н и я - Л о н д о н с к о й конвенции
973 г. по отношению к «особым районам», к а к о в ы м я в л я е т с я
алтика.
; З н а ч и т е л ь н а я роль в деле д о с т и ж е н и я целей конвенции
отвойтся М е ж д у н а р о д н о й комиссии по з а щ и т е морской среды Б а л 415:
тийского моря, в функции которой входят наблюдение за выполнением положения Конвенции.
Наиболее опасным д л я Северного моря является загрязнение
нефтью в результате интенсивного судоходства и добычи нефти
на шельфе. Меры по предотвращению загрязнения нефтью содерж а т с я в Соглашении о сотрудничестве по вопросам борьбы против загрязнения вод Северного моря углеводородистыми соединениями от 9 августа 1969 г., подписанном в Бонне. Соглашение
делит весь район Северного моря на восемь зон. Шесть зон закреплены за государствами: Данией, Ф Р Г , Нидерландами, Норвегией, Швецией и Великобританией, две остальные зоны — групповые. Северное море включено в сферу действия и другого соглашения — Конвенции по предотвращению загрязнения морской
среды сбросом веществ с судов и летательных аппаратов, подписанной 5 февраля 1972 г. в Осло двенадцатью прибрежными государствами. Конвенция охватывает огромный район Северо-Восточной Атлантики, Северного Ледовитого океана и Баренцева
моря до острова Колгуев. Конвенция г. Осло дополняет Лондонскую конвенцию 1972 г. В феврале 1974 г, в П а р и ж е была созвана
конференция 15 государств, которые приняли и 4 июня 1974 г.
открыли д л я подписания Конвенцию по предупреждению загрязнения морской среды наземными источниками, распространенную
на те ж е районы.
Средиземное, Красное моря и Персидский залив занимают
одно из первых мест по степени загрязненности. На Средиземное
море как на «особый район» распространяются положения всех
международных конвенций, посвященных охране океана от загрязнений. Поэтому в феврале 1976 г. в Барселоне под эгидой
Ю Н Е П состоялась Конференция государств средиземноморскогс
района, которая выработала Конвенцию о защите Средиземного
моря от загрязнений. Конвенцией создана система мониторинге
Средиземного моря. На конференции в Сплите (февраль 1977 г.]
15 средиземноморских государств приняли «голубой план» — про;
грамму исследования бассейна Средиземного моря и охраны ег<
от загрязнений, рассчитанную до 2000 г.
Черное море тоже как «особый район» попадает в сферу дей
ствия всех международных конвенций и договоров. Однако спе
циальной конвенции, посвященной только Черному морю и подпи
санной всеми странами черноморского бассейна на основа;
регионального сотрудничества, пока не существует. В настояще'
время ведется подготовительная работа по созданию такой кон
венции.
f
Конвенция ООН 1982 г. по морскому праву. Созванная в 19731
Третья конференция О О Н по морскому праву явилась новым этг;
пом в прогрессивном развитии и кодификации данной отрасЛ
права. В Конференции приняли участие 156 государств, 20 мея
правительственных и более 60 неправительственных междунаро;
ных организаций. После длительных заседаний, переговоров и н(
416:
официальных консультаций удалось добиться согласования позиций различных стран по многим вопросам борьбы с загрязнением
морской среды. К а к результат д р у ж н ы х усилий, 30 апреля 1982 г.
на заключительном пленарном заседании 11-й сессии Третьей конференции О О Н по морскому праву в Нью-Йорке была одобрена
Конвенция О О Н по морскому праву, подписание которой состоялось в г. Монтего-Бей, Я м а й к а .
При р а з р а б о т к е правовых норм по охране морской среды Конференция использовала соответствующие положения, с о д е р ж а щиеся в ранее заключенных общих и региональных м е ж д у н а р о д ных конвенциях.
В части XII Конвенции формулируется общее обязательство
государств з а щ и щ а т ь и сохранять морскую среду. Государства
д о л ж н ы принимать все необходимые меры, чтобы загрязнение,
являющееся результатом деятельности под их юрисдикцией, не
распространялось за районы осуществления их суверенных прав.
Эти меры относятся ко всем источникам загрязнения и включают
предельное уменьшение: а) выброса токсичных, вредных и ядовитых веществ из находящихся на суше источников; б) загрязнения
с судов; в) загрязнения с установок и устройств, используемых при
разведке и р а з р а б о т к е ресурсов морского дна и его недр; г) з а грязнения от всех других установок и устройств, эксплуатируемых
в морской среде. Конвенция содержит раздел о развитии всемирного и регионального сотрудничества в формировании и р а з р а ботке международных норм, стандартов, практики и процедур
з а щ и т ы морской среды, в проведении программ научных исследований и обмена полученной информацией. Д л я предупреждения
загрязнения морской среды из источников на суше, государства
д о л ж н ы установить национальные законы и правила, выработанные ; на уровне международных стандартов и регламентирующие
попадание з а г р я з н я ю щ и х веществ в море из рек, эстуариев, трубопроводов, водоотводных сооружений и т. Д., при р а з р а б о т к е ресурсов морского дна на ш е л ь ф е и за его пределами, в результате
захоронения з а г р я з н я ю щ и х веществ, в процессе морского судоходства. Государства д о л ж н ы обеспечить, чтобы судам под их
флагом з а п р е щ а л о с ь плавание до тех пор, пока они не будут
i в состоянии выйти в море с соблюдением требований м е ж д у н а родных норм и стандартов по предотвращению загрязнения.
Большое значение имеет установление 200-мильных экономичеi ских зон в Мировом океане с целью з а щ и т ы экономических интересов прибрежных государств. Исходя из этого, Конвенция предусматривает наделение прибрежных государств суверенными правами д л я разведки, разработки и сохранения природных ресурсов, к а к живых, т а к и неживых, находящихся на дне, в его недрах и водах, а т а к ж е д л я управления этими ресурсами.
П р и б р е ж н о е государство в экономической зоне может осуществлять юрисдикцию в отношении: 1) создания и использования
искусственных островов, установок и сооружений, 2) морских научных исследований и 3) з а щ и т ы и сохранения морской среды.
24
Заказ № 33
417
В то ж е в р е м я в э к о н о м и ч е с к о й зоне в с е д р у г и е г о с у д а р с т в а польз у ю т с я свободами судоходства, воздушного пролета, прокладки
п о д в о д н ы х к а б е л е й и т р у б о п р о в о д о в и д р у г и м и с в о б о д а м и , совместимыми с положениями Конвенции. Прибрежное
государство
имеет п р а в о в с в о е й э к о н о м и ч е с к о й зоне о п р е д е л я т ь д о п у с т и м ы й
у л о в ж и в ы х р е с у р с о в (ст. 6 1 ) . П у т е м с о т р у д н и ч е с т в а с р е г и о н а л ь н ы м и и в с е м и р н ы м и о р г а н и з а ц и я м и о н о о б е с п е ч и в а е т м е р ы по сох р а н е н и ю и у п р а в л е н и ю ж и в ы м и р е с у р с а м и , ч т о б ы они не подв е р г а л и с ь о п а с н о с т и ч р е з м е р н о й э к с п л у а т а ц и и . П р и н а л и ч и и дос т а т о ч н ы х з а п а с о в ж и в ы х р е с у р с о в п р и б р е ж н о е г о с у д а р с т в о мож е т предоставить доступ в свою экономическую зону другим
государствам
при соблюдении
ими н е о б х о д и м ы х
требований
(ст. 62, 69, 70). К о н в е н ц и я с о д е р ж и т , п о л о ж е н и я , р е г у л и р у ю щ и е
.эксплуатацию отдельных видов ж и в ы х ресурсов в экономзоне.
Д л я осуществления положений Конвенции в С С С Р принят ряд
. з а к о н о д а т е л ь н ы х у с т а н о в л е н и й . Н а и б о л е е в а ж н ы е из них: У к а з
П р е з и д и у м а В е р х о в н о г о С о в е т а С С С Р от 28 ф е в р а л я 1984 г. « О б
экономической зоне: С С С Р » , Постановление Совета
Министров
С С С Р от 28 а п р е л я 1984 г. « В о п р о с ы э к о н о м и ч е с к о й з о н ы С С С Р » ,
П о с т а н о в л е н и е С о в е т а М и н и с т р о в С С С Р от 15 и ю л я 1985 г. « О б
.утверждении положения о защите и сохранении морской среды
в экономической зоне С С С Р » .
К о н в е н ц и я 1982 г. о п р е д е л и л а в а ж н ы е м о м е н т ы р е ж и м а охра-,;
н ы м о р с к о й с р е д ы при о с в о е н и и р е с у р с о в м о р с к о г о д н а вне зон
национальной юрисдикции. Так, в соответствии с положениями
с т . 87, в с е г о с у д а р с т в а , о с у щ е с т в л я я с в о б о д ы с у д о х о д с т в а , прокладывания подводных кабелей и трубопроводов,
рыболовства,
н а у ч н ы х и с с л е д о в а н и й , о б я з а н ы не д о п у с к а т ь з а г р я з н е н и я м о р с к о й
•среды. Э т о о т н о с и т с я и к о с у щ е с т в л е н и ю г о с у д а р с т в а м и с в о и х п р а в
при разработке, минеральных : ресурсов глубоководных
районов
М и р о в о г о о к е а н а , н а что т р е б у е т с я р а з р е ш е н и е М е ж д у н а р о д н о г о
о р г а н а по м о р с к о м у д н у . К о н в е н ц и я в о з л а г а е т на г о с у д а р с т в а след у ю щ и е о б я з а т е л ь с т в а : д о с т а д и и р а з р а б о т к и т щ а т е л ь н о изучить
^ экологию и гидрологию района добычи ресурсов дна, избрать лучший метод и технику добычи с цслыо сведения до минимума загрязнения морской среды. Г о с у д а р с т в а д о л ж н ы принять законы
и п р а в и л а д л я п р е д о т в р а щ е н и я и с о к р а щ е н и я з а г р я з н е н и я , вызываемого деятельностью в международном районе морского дна,
к о т о р ы е о п р е д е л я ю т м е р ы но к о н т р о л ю з а с т е п е н ь ю з а г р я з н е н ности м о р с к о й с р е д ы при д о б ы ч е г л у б о к о в о д н о г о
минерального
СЫрЬЯ.
_
: •;
•, .>
В а п р е л е 1982 г. П р е з и д и у м В е р х о в н о г о С о в е т а С С С Р издал!
У к а з « О в р е м е н н ы х м е р а х по р е г у л и р о в а н и ю д е я т е л ь н о с т и с о в е т ских предприятий по р а з в е д к е , и р а з р а б о т к е м и н е р а л ь н ы х р е с у р с о в
м о р с к о г о д н а за п р е д е л а м и к о н т и н е н т а л ь н о г о ш е л ь ф а » .
Указ
в с в о и х п о л о ж е н и я х в о с п р о и з в о д и т К о н в е н ц и ю . П о э т о м у в с е действия о т н о с и т е л ь н о р е ж и м а о с в о е н и я г л у б о к о в о д н о г о д н а С С С Р
б у д е т о с у щ е с т в л я т ь на о с н о в а н и и п о л о ж е н и й
Заключительного!
а к т а Т р е т ь е й К о н ф е р е н ц и и О О Н по м о р с к о м у п р а в у .
418:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Алекин О. А., Ляхин Ю. И. Химия океана.— Л.: Гидрометеоиздат, ]984.——
344 с.
Белоусова Э. И., Латун В. С. Сгонно-нагонная циркуляция вод и распространение примеси в прибрежной зоне моря,— В кн.: Морские гидрофизическиеисследования, 1975, № 3 (70), с. 54—65,.
Беспамятное
Г. П., Кротов Ю. А. Предельно допустимые концентрациихимических веществ в окружающей среде. Справочник.— Л.: Химия, 1985.— 528 с..
Бронзин X. Ю., Кремзер У., Муравьев
С. С. Экспериментальное исследование диффузии красителя в Балтийском море.— Океанология, 1977, т. 17, вып. 2 Ь
с. 221—226.
Галкин Р. М. Решение диффузионных задач методом Монте-Карло.— М.:.
Наука, 1975,—96 с.
Герлах С. А. Загрязнение Морей Пер. с англ.— Л.: Гидрометеоиздат, 1985.—.
264 с,
Головатый С. П. 200-мильная экономическая зона в Мировом океане.—
!<.иев: Наукова думка, 1984.— 167 с.
.
Громов В. В., Москвин А. И., Сапожников Ю. А. Техногенная радиоактив-
ность Мирового океана,—М.: Энёргоатомиздат, 1985.— 272 с.
Еремеев В. И., Иванов Л. М. Исследование турбулентной диффузии п р и леси в океане методом Монте-Карло.— В кн.:. Теория океанологических процессов. Севастополь, 1981, с. 115—122.
Зац В. И., Немировский
М. С. Характеристики турбулентной диффузии^
1езомасштабных пятен примеси в открытом океане.— Океанология, 1979, т. 19г.
!ып. 3, с. 399—405.
Израэль Ю. А., Гасилина Н. К-, Ровинский
Ф. Я. Осуществление в СССР'
истемы мониторинга загрязнения природной среды.— Л.:
Гидрометеоиздат,
978 — 18 с.
Израэль Ю. А. Экология и контроль состояния природной среды. 2-е и з д . —
1 : Гидрометеоиздат, 1984.— 560 с.
Израэль Ю. А., Цыбань А. В. Научное обоснование экологического монитоинга антропогенного воздействия на морскую экосистему (на примере Б а л ийского моря).—Океанология, 1988, 28, № 2, с. 293—299.
Израэль Ю. А., Цыбань А. В., Вентцель М. В., Шигаев В. В. Обобщенная^
одель ассимиляционной
емкости морской экосистемы.— Д А Н СССР, 1988..
;. 298, № 2, с. 459—462.
Израэль
Ю. А., Цыбань А. В. Антропогенная экология океана.— Вестник.
.Н СССР, 1988, № 9, с. 29—39.
Израэль Ю. А., Цыбань А. В. Антропогенная экология океана.—Л.: Гидро!етеоиздат, 1989.— 528 с.
Итоги исследований
в связи со сбросом отходов в море/Под ред. И. А.
1лыгина,—М.: ГОИН, 1988.
Каган Б. А., Рябченко В. А. Трассеры в Мировом океане.— Л.: Гидрометеоздат, 1978 — 58 с.
Канцерогены
и биосфера. Научный обзор,—М.: В Н И И мед. и мед. техн..
^формации, 3, 1980.— 66 с.
Комплексный
глобальный мониторинг Мирового океана. Труды I М е ж д у н а одного симпозиума. Таллинн. Т. 1, 2 и 3 . — Л / . Гидрометеоиздат, 1985.
Михайлов В. И., Симонов А. И. Современное состояние исследований морюй воды у границы раздела с атмосферой.— Обнинск: В Н И И Г М И — М Ц Д Г
)81.— 57 с.
Миронов О. Г. Взаимодействие морских организмов с нефтяными углево>родами.— Л.: Гидрометеоиздат, 1985.— 128 с.
Научное обоснование
программы комплексного экологического мониторинга
;еана/Под ред. Ю. А. Израэля и А. В. Цыбань,—М.: Гидрометеоиздат, 1986.—
с.
зу
27*
419*
Нельсон-Смит А. Нефть и экология моря.— М.: Прогресс, 1977.
Нунупаров
С. М. Предотвращение загрязнения моря с судов.— М.: Транспорт, 1985,—288 с.
Обзор состояния химического загрязнения отдельных районов Мирового
океана за период 1980—1982 гг./Под ред. А. И. Симонова.— М.: Изд. Госком• гидромета СССР, 1984.—75 с.
Озмидов Р. В. Диффузия примесей в океане.— Л.: Гидрометеоиздат, 1986.—
279 с.
Океанология.
Физика океана. Т. 1. Гидрофизика океана/Под ред. В. М. Каменковича и А. С. Монина.— М.: Наука, 1978.
Патин С. А. Влияние загрязнения на биологические ресурсы и продуктивность Мирового океана,—М.: Пищепромиздат, 1979.— 379 с.
Перцов Л. А. Биологические аспекты радиоактивного загрязнения моря.—
М.: Атомиздат, 1978.— 160 с.
Поликарпов Г. Г., Егоров В. Н. Морская динамическая радиохемоэкология.—
М.: Энергоатомиздат, 1986.— 176 с.
Проблемы химического загрязнения вод Мирового океана.— Л.: Гидрометео- 1
издат, 1985.
— т. 1. Динамика и прогноз загрязнения океанических вод/Под ред. А. И.
Симонова.
— т. 2. Процессы турбулентной диффузии примесей в море/Под ред. В. И.
Заца.
I
—• т. 3. Влияние загрязнения поверхностного слоя на тепло-, газо- и вла- •
гообмен океана с атмосферой/Под ред. Э. К- Бютнер и А. С. Дубова.
j
— т. 4. Влияние нефти и нефтепродуктов на морские организмы и их сообщества/Под ред. О. Г. Миронова.
,
—• т. 5. Эколого -токсикологические аспекты загрязнения морской среды/Под |
ред. С. А. Патина.
— т. 6. Изменение физико-химических свойств морских вод под влиянием;
загрязнения/Под ред. Е. Ф. Шульгиной.
j
— т. 7. Процессы самоочищения океанических вод/Под ред. A. H v Симонова
и А. Н. Зубакиной.
— т. 8. Методы борьбы с нефтяным загрязнением вод Мирового океана/!
Под ред. М. П. Нестеровой.
'
— т. 9. Измайлов В. В. Трансформация нефтяных пленок в системе о к е а н лед—атмосфера.
Процессы самоочищения
морских вод от химических загрязнений/Под ред.
А. И. Симонова. Труды ГОИН, 1978, вып. 128,— 102 с.
Ровинсгсий Ф. Я., Теплицкая
Т. А., Алексеева
Т. А. Фоновый мониторинг!
полициклических ароматических углеводородов.— Л.: Гидрометеоиздат, 1988.—
224 с.
Сапожников В. И., Высоцкий А, Ф., Головатый С. П., Амалян Н. Д. Охрана!
морской среды (правовые и экономические аспекты).— Киев: Наукова думка,[
1984,— 180 с.
j
Физика океана. Учебник/Под ред. Ю. П. Доронина.— Л.: Гидрометеоиздат,!
1978.
.
[
Черняева Л. Е., Черняев А. М„ Шаманаев Ш. Ш., Яковлева Н. А. Гидро-;
химия СПАВ.— Л.: Гидрометеоиздат, 1982.— 142 с.
Шкудова Г. Я. Численное моделирование переноса примеси при аварийных
выбросах в мелком море.— Труды ГОИН, 1975, вып. 126, с. 104—114.
Экологические
последствия
загрязнения океана.— JL:
Гидрометеоиздат,'
1985,—261 с.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Абсолютный показатель общей
нагрузки потока 238
Авария на Чернобыльской АЭС 116
уровни радиации в ближней зоне 117
Агрессивность воды 213
Альбедо 76
города 76
окрестностей 76
Аэрозоль 28
грубодисперсный 28
среднедисперсный 28
тонкодисперсный 28
Безвозвратное водопотребление 167
Биологические пруды 189 :
Биологический показательзагрязнения 216
Биологическое (вторичное)
загрязнение 181
Вещества — собиратели нефти 405
Водные индексы 408
Водные ресурсы 161
Водоемкость производства 168
Водоохранные зоны 260
Водопользователи 165
Водопотребители 165
Водоснабжение населения 166
Водоснабжение промышленности 168
Время биохимического разложения
291, 346, 348, 356
Газоанализатор 149
Граничные условия 291, 292, 293
Дальность видимости 82, 83, 84
в городе 83
в окрестностях 83
Диоксид азота 26
серы 26
углерода 25
-Дисперсия концентрации примеси
316, 317
Д и ф ф у з и я 290, 313
Д ы м 28
Дымка 82
Естественная минерализация 212
Жесткость воды 213
Загрязнение 23
атмосферы 58
автотранспортом 58
самолетами 59
шумами 60
фреонами 60
моря 266
Загрязняющие вещества 24
антропогенные 24
естественные 24
искусственные 24.
физические 24
химические 24
Закон четырех третей 300, 301, 318
кубический 300, 316
Защита поверхностных вод от
загрязнения 182
Земельные поля орошения 188
Зона влияния 200
загрязнения 200
Инженерные методы защиты вод 186
Интегральные показатели оценки
качества воды 237
Источник загрязнения
точечный мгновенного действия
290, 291, 295, 299, 305
линейный мгновенного действия 304
линейный стационарный 304
Канцерогенные вещества 279
Климат города 61
антропогенные изменения 61—87
Коммунальные сточные воды 174
Конечно-разностная аппроксимация
301—303, 306, 307, 309
Константы разложения детергентов
347
нефтепродуктов 344
Концентрация примеси массовая 90
объемная 91
Коэффициент
накопления металлов 367
пестицидов 368
радионуклидов 372
неконсервативности примеси 235,
291
смешения 234
турбулентности 93
турбулентной диффузии 290, 295,
299, 300, 318
Кратность разбавления 185, 234
421:
Лаборатория комплектная 154
«Пост-2» 154
Лимитирующий показатель вредности
(ЛПВ) 184
Мелиоративные мероприятия 177
Мелиоративные работы 190
Местный сток 220
Методы анализа загрязнений воздуха
140
масс-спектрометрические 142
спектральные 143
хроматографические 140
электрохимические 147
Механическая очистка 186
Минимально допустимый сток 250
уровень 250
Моделирование переноса примеси
теоретическое 289—293
экспериментальное 313—315
Нефть, состав 268, 269
источники 271
Нейтрализаторы каталитические 402
пламенные 402
жидкостные 403
Нормирование
качества воды 182
ПДК
гигиеническое 378
рыбохозяйственное 379
морское 382
Облако примесей 62, 105
высота над городом 105
Оборотная система водоснабжения
168
Одиночный непрерывный источник
примеси 106
влияние высоты источника 110
наибольшие концентрации 109
распределение примеси по
горизонтали 108
роль термической стратификации
111
Озон 55
сезонные колебания 56
Озонная «дыра» 56
образование 53
Окисляемость воды 214
Оксиды азота 25
углерода 25
Остров тепла 63—74
Пестициды
инсектициды 275
гербициды 277
37 7
фунгициды 277
.
И
Показатели загрязнения воздуха 120
относительной и предельно допустимой нагрузки потока загрязняющим веществом 238
превышения и непревышения загрязненности относительно нормы
238
:
. '
пространственного
распределения
загрязнения в реках и водоемах 239 i
Поле фильтрации 188
Предельно допустимый расход сточных вод 247
Предельно допустимые концентрации
(ПДК) 184
Признаки вредности 379
Примесь активная 290
консервативная 291
пассивная 290
Приток примеси 92
адвективный 95
конвективный 96
турбулентный 92, 96, 97
Прямоточная система водоснабжения'
168
Пыль 28
i
Радиация 74
t
баланс 76
солнечная 75
суммарная 75
рассеянная 75
Радионуклиды 35, 36, 339
естественные 339
техногенные 287
Радиоактивное облако 49 •
оседание 49—55
ядерного взрыва 49
Разбавление сточных вод 201
Распределение примеси по высоте 9 8
в теплый и холодный периоды года
113
показательно-степенная
100
формула
при различном направлении
ветра
степенная формула 101
с учетом вымывания 104
экспоненциальная формула 101
Сажа 28
Самоочищение природных вод 190'
Синтетические моющие средства
(CMC) 277
Синтетические поверхностно-активные
вещества (СПАВ) 217, 278
анионоактивные 278
амфотерные 278
катионоактивные 278
неионогенные 278
'
•
|
Скорость ветра 77
в городе 77
в окрестностях 77
распределение по высоте 79—82
Смог 34, 86
фотохимический 34
Спектр пульсаций концентрации
примеси 317, 319
Способ прогноза уровней загрязнения
воздуха
последовательной графической
регрессии 123
распознавания образов 122
Средний ветер 53
Средняя концентрация вещества
в потоке 233
Статистические характеристики поля
концентрации примеси 315—317
Сточные воды 200
Твердые примеси 28
крупные 28
мелкие 28
средние 28
Температура воздуха 63
инверсии 70
образование 72
повторяемость 71
разность между городом и окрестностями 64
вертикальный профиль 70
плотность распределения 68
связь с вертикальным градиентом
73
средние значения 64, 66, 67
суточный ход 69
функция распределения 68
экстремальные значения 64, 66
Туман 82
повторяемость 83—84
в городе 83
в окрестностях 83
продолжительность 84
Углеводороды 27
Удельное водопотребление 166
Уравнение переноса примесей 90—94
турбулентной диффузии 290, 295,
299, 301, 302
Урбанизация 175
Уровни загрязнения воздуха 121
высокий 121
метеоусловия формирования 121
повышенный 121
пониженный 121
метеоусловия формирования 122
Флуоресцирующие красители 313—315
Фоновая концентрация примеси 293
Функция Дирака 291
Химическая и физико-химическая
очистка 187
Цветность воды 214
Число Рейнольдса 87
Ричардсона 88
Численные модели загрязнения атмосферы 127
Ядерный взрыв 43
воздушный 43
наземный 43
подземный 43
облако 43
высота подъема 46—49
размеры 46
световое излучение 43
ударная волна 43
Учебник
Владимиров Анатолий Михайлович,
Ляхин Юрий Иванович,
Матвеев Леонид Тихонович,
Орлов Вадим Геннадиевич
ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Редактор О. Д. Рейнгеверц
Художник И. Г. Архипов
;
Х у д о ж е с т в е н н ы й р е д а к т о р Е. Н. Чукаева
Т е х н и ч е с к и й р е д а к т о р Н. И. Перловиц
\
j
Корректор Е. А. Жарова
j
С д а н о в н а б о р 15.01.91. П о д п и с а н о в п е ч а т ь 10.06.91. Ф о р м а т 60Х90'Лб. Б у м а г а т и п . № 2
Гарнитура
литературная.
П е ч а т ь в ы с о к а я . П е ч . л . 26,5. К р . - о т т . 26,5. У ч . - и з д . л . 29,65|
Т и р а ж 12 500 э к з . З а к а з № 33. Ц е н а 6 р у б . 20 к о п . Г и д р о м е т е о и з д а т . 199226. Л е н и н г р а д , у л . Б е
р и н г а , д . 38.
Ленинградская типография № 8 ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского объеди
нения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой
Государственного
комитета
CCCll
по печати.
190000, Л е н и н г р а д , П р а ч е ч н ы й п е р е у л о к , 6.
|
