Проблема лимитирования продуктивности водоемов

В общем случае процесс первичного продуцирования лимитируется тремя абиотическими факторами: температурой воды, проникающей в воду солнечной радиацией и биогенным питанием водорослей. Первый фактор полностью подчиняется зональным географическим закономерностям и, если не считать дискутируемого в настоящее время процесса потепления климата Земли вследствие парникового эффекта, относится к нерегулируемым внешним воздействиям на экосистему. Исключение составляют водоемы, подверженные сбросу теплых вод электростанций, в которых тепловой режим резко изменяется под воздействием антропогенного влияния. Второй фактор также существенно зависит от географической зональности, однако здесь исключений гораздо больше. В отдельных случаях высокая мутность вод, обусловленная большим количеством минеральной взвеси в водоеме, может оказывать контролирующее влияние на процесс фотосинтеза в водоеме. С ограничивающим действием светового фактора связано также явление самозатенения, при котором в результате интенсивного развития фитопланктона заметно снижается проникновение света в воду и недостаток освещенности может лимитировать процесс фотосинтеза. Это явление, однако, проявляется только в гиперэвтрофных водоемах и не имеет решающего значения в развитии процесса эвтрофирования в олиготрофных и мезотрофных водоемах. Таким образом, в проблеме лимитирования процесса эвтрофирования на первый план выступает установление лимитирующего биогенного элемента, антропогенные источники которого способствуют развитию первичного продуцирования и ускоренного изменения экосистемы водоема.

Как известно, рост водорослей основан на потреблении, по крайней мере, 19 биогенных элементов, однако большая их часть требуется водорослям в незначительных количествах. В дополнении к трем жизненно важнейшим элементам (углерод, кислород и водород) для образования протоплазмы живой клетки в сравнительно большом количестве требуются азот и фосфор. Кислородного и водородного лимитирования в природе не наблюдается никогда – кларки этих элементов и их распространенность в биосфере достаточно велики. Углеродное лимитирование отмечается крайне редко и так же, как самозатенение, только в гиперэвтрофных водоемах, поскольку углекислый газ атмосферы выступает в качестве практически неисчерпаемого источника углерода для экосистемы. Исследования, основанные на обобщении данных мониторинга эвтрофирования водоемов мира, убедительно подтвердили ведущую роль фосфора и азота в процессе эвтрофирования. В основу этого доказательства были положены различные методы. Во-первых, зависимость развития фитопланктона от фосфора и азота была установлена простыми сопоставлениями их концентраций в озерах. Статистически значимые оценки связей концентраций биогенных элементов с хлорофиллом-а, как показателем развития фитопланктона, биомассой и продуктивностью озер получены для различных регионов [Мусатов, 2001]. Во-вторых, фосфорное лимитирование фитопланктона подтвердили детальные исследования метаболической активности водорослей в озерах [Lean, 1973]. Как было установлено, межклеточная энзимная активность водорослей, показателем которой служат щелочные фосфатазы, изменяется в соответствии с условиями биогенного питания водорослей. Цикл специальных исследований в этом направлении был выполнен в России А.А.Былинкиной и Н.А.Трифоновой, за рубежом Ф.Лином и Д.Пиком, Р.Хитом и Г.Куком, [Былинкина, 1977, Трифонова,1982, Lean, Pick, 1981, Heath, Cooke, 1975]. Путем определения щелочных фосфатаз можно оценивать в водохранилищах напряженность метаболических процессов, тесно связанных с развитием процесса эвтрофирования [Jones, 1972]. Еще один физиологический индикатор фосфорного лимитирования в экосистеме был предложен Ф.Пиком и Д.Лином, оценивавших степень фосфорного дефицита по соотношению к скорости оптимального фотосинтеза и максимальной скорости потребления фосфора водорослями [Pick, Lean, 1981]. И наконец, комплекс специальных экспериментов, проведенных на некоторых озерах Канады с искусственными добавками азота и фосфора убедительно доказал определяющую роль этих элементов в процессе эвтрофирования. В настоящее время среди лимнологов нет сомнений, что в большей части водных экосистем лимитирующим элементом является либо фосфор, либо азот. Суммируя результаты многочисленных исследований эвтрофирования природных вод, можно прийти к выводу, что в озерах приоритет отдается фосфору – по современным оценкам в более чем 80% исследованных водоемов первичное продуцирование лимитируется этим элементом. Этим внутренние водоемы принципиально отличаются от океанов, в которых, как известно, процесс первичного продуцирования лимитируется азотом [Раймонт, 1983].

Преимущественное лимитирование первичного продуцирования в водоемах этим элементом обусловлено, главным образом, двумя обстоятельствами.

Первое – поступление фосфора в водоемы из антропогенных источников росло и продолжает расти быстрее, чем азота. Причина этого состоит в более широком использовании фосфорсодержащих веществ в коммунальном хозяйстве, особенно резко возросшим после 1945 года, когда в качестве бытовых моющих средств стали применяться порошковые детергенты, содержащие в основе полифосфаты. По оценкам Оуэнса [цит. По Россолимо, 1977] фосфор детергентов достигает 50% всего фосфора канализационных стоков современных городов. В качестве примера можно сослаться на расчеты П.Годфрея [Godfrey, 1982], установившего, что фосфор детергентов определяет 32% общей фосфорной нагрузки оз.Кейюга.

Последние исследования в этом направлении показали, что в ХХ веке вследствие роста населения и прогрессирующей урбанизации поступление фосфора в мировую сеть из канализационных систем достигло 2,56 млн. т/год. К ним добавляется около 0,6 млн. т/год из рассредоточенных источников сельскохозяйственного производства, вследствие чего речной сток этого элемента возрос не менее, чем в 4 раза [Эдельштейн, 1997].

Определенную роль сыграло и различие достижений в развитии технологий биологической очистки сточных вод, в процессе которой в лучшем случае изымается лишь около 30% фосфора, остальная часть минерализуется. Эффективность биологической очистки от азотных веществ значительно выше. Анализ структуры источников речного фосфора и азота, проведенный на 10-ти речных бассейнах Великобритании за период с 1930 по 1988 годы показал, что концентрации фосфора в реках росли быстрее, чем азота, в основном за счет коммунальных стоков [Jones et. аl, 1996].

Второе – способность некоторых видов водорослей к азотфиксации, в результате которой экосистема получает практически неограниченный источник азота в виде азота атмосферы [Stewart, 1969]. Наконец, существует мнение, что преимущественно фосфорное лимитирование обусловлено более коротким циклом потребления этого элемента водорослями в процессе физиологического роста [Штамм и др. 1976]. При этом, теоретическими исследованиями было показано, что увеличение количества фосфора в водной экосистеме более опасно, чем избыток азота, поскольку в первом случае дестабилизация биоценоза происходит с большей амплитудой [Ильичев, 1983].

Физиологические показатели роста водорослей могут быть весьма надежными критериями при определении лимитирующего элемента питания водорослей. Однако их определение достаточно трудоемко, поэтому в настоящее время наиболее распространенный метод установления лимитирующего элемента основан на определении количественного соотношения азота и фосфора в воде водоема. Известно, что среднее атомное отношение азота к фосфору в составе клеточного вещества, (называемое отношением Рэдфилда) в среднем составляет 16:1 [Redfield, 1958]. Экспериментальными наблюдениями, как в макрокосмах, так и в озерах, было показано, что это отношение в клетках водорослей может варьировать в весьма широком диапазоне в зависимости от физиологических условий развития фитопланктона и его видового состава, но в целом измеренное в воде соотношение этих элементов может служить хорошим индикатором лимитирования по одному из них. В случае значительного превышения отношения Рэдфилда лимитирует фосфор, при низком отношении – азот. При близком к указанной величине отношения азота к фосфору система может быть лимитирована обоими этими элементами или характеризуется быстросменяющимися условиями лимитирования. Последующие исследования, однако, показали, что указанное условие не является достаточно жестким. Так, например, хорошая связь величины первичной продукции с содержанием фосфора получена даже для тех озер, в которых отношение N:P относительно мало [Schindler, 1974]. И наоборот Смитом установлено существенное влияние азота на рост водорослей даже при явном фосфорном лимитировании (при соотношении N/P 35). [Smith, 1983].

Существует еще ряд простых способов для подтверждения лимитирования одним из этих элементов. При достаточно надежных и длительных наблюдениях лимитирование может быть выявлено путем анализа связей развития фитопланктона с концентрациями фосфора или азота. Более высокая теснота такой связи для некоторого элемента указывает на преимущественное его лимитирование. На недостаток элемента в питании водорослей косвенно указывает его полное исчезновение из воды. Однако для клеток водорослей известна способность при остром лимитировании запасать фосфор в виде полифосфатов. Именно эта способность, а также очень быстрый круговорот фосфора в период активного фотосинтеза может поддерживать относительно высокую продукцию при минимальных концентрациях фосфора в воде. Лимитирование может быть определено и экспериментально путем искусственных добавок минеральных соединений азота и фосфора в пробы воды водоема и наблюдениями за реакцией фитопланктона на эти добавки. Такие опыты показывают потенциальную потребность фитопланктона водоема в том или ином элементе.

Необходимо обратить внимание на общую закономерность изменения отношения азота к фосфору в водоемах суши. Для наиболее чистых олиготрофных и мезотрофных озер характерно отношение азота к фосфору 30-40 : 1, для озер с сильно гумифицированной водой это отношение может достигать 130 : 1, для эвтрофных озер оно снижается до 20-25 : 1, для гиперэвтрофных озер до 10-15 : 1, что подчеркивает определяющую роль фосфора в эвтрофировании. Отношение азота к фосфору в коммунальных сточных водах составляет 5 : 1, для сточных вод животноводческих комплексов 3 : 1 [Эволюция…, 1988]. Поэтому в водоемах, находящихся под сильным воздействием коммунальных сточных вод или принимающих стоки животноводческих комплексов можно ожидать лимитирование фитопланктона азотом.

Помимо абсолютных концентраций биогенных веществ в водоемах немаловажное значение для развития фитопланктона имеет их соотношение. В одном из первых специальных исследований этого вопроса В.Смит на основе обобщения данных по 228 озерам получил множественную регрессионную зависимость содержания хлорофилла как функции концентраций фосфора и азота, подтверждающую влияние отношения этих элементов на развитие фитопланктона [Smith, 1982]. По-видимому, в известных фактах различной реакции озер на изменение фосфорной нагрузки как раз и проявляется влияние этого отношения. И.Прэри установил, что наклоны связей хлорофилл-а – фосфор и хлорофилл-а – азот определяются отношением N/P и при указанном отношении равным более 28 эти связи становятся нелинейными, что было подтверждено фактическими данными [Prairie, 1989]. Большинством исследователей разделяется мнение, впервые высказанное Р.Фолленвейдером, что при большой степени эвтрофирования лимитирование переходит от фосфора к азоту и отношение азота к фосфору снижается. В качестве причин такого перехода выступает то, что в эвтрофных озерах начинает большую роль играть процесс денитрификации [Vollenweider, 1968, Sakamoto, 1996]. Определенное значение имеет также то, что в высокопродуктивных озерах с бескислородными условиями в гиполимнионе резко возрастает доля внутренних источников фосфора, изменяющая соотношение концентраций этих элементов в водоеме.

Специальное внимание в исследованиях влияния соотношения азота и фосфора уделялось изучению появления, развития и доминирования группы синезеленых водорослей в озерах. Физиологические особенности этой группы водорослей отличаются способностью фиксировать азот атмосферы, но даже не фиксирующие азот виды, например Microcystis aeruginosa, обладают способностью накапливать азот нитратов в клетках. Многолетние экспериментальные исследования удобряемых биогенами озер, проведенное Д.Шиндлером, убедительно подтвердило зависимость обилия цианобактерий от низких отношений азота к фосфору [Schindler, 1974]. Анализируя данные о видовом составе водорослей в 17 озерах, В.Смит пришел к выводу, что явное доминирование синезеленых водорослей начинается при отношении N:P менее 29:1, хотя получить достаточно четкую эмпирическую зависимость ему не удалось [Smith, 1982].

При количественном описании и моделировании процесса развития водорослей в водоемах проявились различные точки зрения на принципы биогенного лимитирования развития фитопланктона. В биологии доминирует принцип лимитирования Либиха, согласно которому скорость развития биологического процесса определяется тем элементом, концентрации которого находятся в наибольшем относительном дефиците. Однако закон Либиха применим только для стационарного сбалансированного состояния экосистемы. В периоды резких колебаний баланса энергии лимитирующие организмы могут быстро сменять друг друга. Поэтому многие специалисты по экологическому моделированию считают, что к экосистемам необходимо применять закон мультипликативного лимитирования, когда несколько элементов должны рассматриваться лимитирующими и, соответственно, необходимо учитывать концентрации всех этих элементов [Крышев, Сазыкина, 1990]. Результаты современных исследований показывают преимущество мультипликативных моделей лимитирования, воспроизводящих многофакторную зависимость развития фитопланктона от условий биогенного питания, хотя в моделировании биологических процессов в целях упрощения часто продолжают использоваться модели, построенные на принципе Либиха [Jorgensen, 1994].

Тема лекции №14:Антропогенное воздействие на гидросферу.

Водопотребление и водопользователи.

1. Использование воды в мире.

2. Использование воды в РК.

3. Причины, источники и последствия загрязнения воды.

4. Понятие о загрязняющих веществах, типы загрязняющих веществ.

5. Загрязнение воды и здоровье.

В процессе использования и потребления воды, необходимой для удовлетворения физиологических, хозяйственных и производственных потребностей людей, можно выделить три последовательных этапа: 1 – забор воды из природных источников и доставка ее к месту использования; 2 – использование воды в различных хозяйственно-бытовых и производственных процессах; 3 – отведение и сброс в водоприемники использованной или сопутствующей процессу воды.

Снижение загрязнения водных объектов достигается в основном по следующим направлениям.

Первое – это изменение технологических процессов, их совершенствование с целью снижения количества и видового состава загрязняющих отходов. Внедрение малоотходных и безотходных производств.

Второе – переход на ресурсосберегающее водообеспечение с максимально возможным использованием последовательной и оборотной системы водоснабжения, локальной доочистки вод.

Третье – это совершенствование методов очистки использованных вод. Причем, в отношении методов активной очистки сточных вод с созданием специальных очистных сооружений и систем, следует отметить, что локальная очистка вод, однородных по характеру загрязнения, намного эффективнее, проще и дешевле, чем очистка смеси сточных вод на централизованных очистных сооружениях. И, наконец, в случаях неполноты или невозможности очистки сточных вод объекты-водоприемники, их гидрологический режим и гидробиологические особенности, режим сброса или способ захороения сточных вод должны быть выбраны так, чтобы обеспечить соблюдение водоохранных и экологических норм.

2.Водопотребление и водопользователи

Коммунально-бытовое хозяйство. Доля коммунально-бытового водоснабжения в общем водопотреблении невелика. Однако, водоснабжение населения – важнейшая задача любого города или села. Отсутствие чистой питьевой воды – одна из главных причин болезней. Поэтому 80-е годы XX века объявлены Международным десятилетием питьевого водоснабжения и санитарии. Принцип приоритета коммунально-бытового водоснабжения заключается в том, что в любых условиях население должно быть обеспечено водой в первую очередь.

Коммунально-бытовое водоснабжение связано с непосредственным потреблением воды населением, с использованием воды для хозяйственно-бытовых целей, для удовлетворения нужд коммунально-бытового хозяйства, городского транспорта, строительных организаций.

Коммунально-бытовое хозяйство как водопотребитель имеет ряд особенностей. Прежде всего предъявляются высокие требования к качеству воды как по физическим свойствам, так и по химическим показателям. Важнейшим требованием является отсутствие в воде патогенных микробов, по содержанию которых воду делят на несколько типов (безупречно здоровая, здоровая, подозрительная, сомнительная, нездоровая, совершенно непригодная).

Особенностями коммунально-бытового водоснабжения являются также равномерность потребления воды в течение года и неравномерность в течение суток. При повышении температуры воздуха потребление воды несколько возрастает, но сезонные колебания не превышают 15 – 20 %. В то же время суточные колебания значительны, так как более 70 % воды потребляется днем. Нормы хозяйственно-питьевого водоснабжения зависят от благоустройства жилого фонда населенного пункта и климатических условий, а часто и исторических.

Гидроэнергетика. В современных условиях гидроэнергетика – один из важнейших компонентов водохозяйственных комплексов. Полезный объем водохранилищ действующих гидроэлектростанций составляет 95 % общего полезного объема всех водохранилищ.

Гидроэлектростанции обладают такими достоинствами, как неистощимость энергетических ресурсов, высокая степень их использования (до 90 %), низкие себестоимость вырабатываемой энергии и затраты труда на единицу мощности (в 10 раз меньше, чем на тепловых (ТЭЦ) и атомных (АЭС) электростанциях).

Требования гидроэнергетики к водным ресурсам сводятся к обеспечению стабильного в течение года расхода воды. Для эффективной работы гидротурбин напор при сработке комплексных водохранилищ не должен падать больше, чем на 30 – 40 %.

Различают общий энергетический потенциал речного стока по отношению к уровню морей, технический – возможное использование гидроэнергетического потенциала на современном уровне развития техники и экономический – экономически целесообразный для реализации на гидроэлектростанциях при существующих ценах на топливо.

Наибольшим экономическим потенциалом в СССР располагали РСФСР (852 млрд. кВт-ч), затем Таджикская ССР (85), Киргизская ССР (48), Грузинская ССР (32), Казахская ССР (27), наименьшим – Белорусская ССР (0,9), Молдавская ССР (0,7) и Эстонская ССР (0,05 млрд. кВт-ч).

Из зарубежных стран наибольшим экономическим потенциалом гидроэнергии располагают США (705 млрд. кВт-ч), Заир (660), Бразилия (657), Канада (535), Колумбия (300), Бирма (225), Индия (221), Аргентина (152), Индонезия (150), Чили (146), Япония (132), Эквадор (126 млрд. кВт-ч). Наиболее полно он использован во Франции, Швеции и Швейцарии (более 90 %), а также в Италии, Австрии, Испании и Норвегии (более 70 %).

По характеру использования электрической энергии все потребители могут быть разделены на три основные группы:

– постоянные потребители, спрос на энергию которых в течение года не изменяется (большинство промышленных предприятий, нагрузка которых уменьшается лишь в выходные и праздничные дни);

– потребители с сезонно-изменяющейся нагрузкой (освещение, пригородный железнодорожный транспорт, водоснабжение) ;

– сезонные потребители (сельскохозяйственное производство, торфоразработки, машинное орошение и пр.). В водохозяйственном комплексе наиболее часто используют плотинные ГЭС, которые строят как на равнинных, так и на горных реках.

На равнинных реках плотины обычно невысокие, создающие напор до 40 м.

Промышленность. В системе водного хозяйства страны промышленность выступает как один из крупнейших потребителей воды, предъявляющий различные требования к ее количеству и качеству. В настоящее время вода как фактор размещения промышленного производства приобретает большое значение, так как она является одним из элементов производственного процесса, несущим разнообразные функции, а также в ряде случаев и сырьем.

Для промышленного водопотребления характерны большие объемы водопотребления и водоотведения; незначительный процент безвозвратного водопотребления; большая зависимость расхода воды, забираемого из источника, от технологии производства и системы водоснабжения; разнообразие функций использования воды; равномерность потребления воды в течение года; большой удельный вес в загрязнении источников воды.

Объем воды, необходимой для нормальной деятельности предприятий, определяется: 1 – характером использования воды; 2 – объемом и видом выпускаемой продукции; 3 – принятой технологией производства; 4 – системой промышленного водоснабжения.

Наибольшее количество воды, используемой в промышленности, применяют для охлаждения. Большие объемы воды требуются для гидравлического транспорта. Например, в горнодобывающей промышленности эта функция воды является основной.

Кроме технологических нужд, в промышленном производстве воду используют для удовлетворения хозяйственно-бытовых потребностей работающего персонала, уборки производственных помещений, полива зеленых насаждений, обеспечения пожарной безопасности.

Большое значение имеет вид выпускаемой продукции. В зависимости от него удельное водопотребление (на единицу продукции) может изменяться от нескольких единиц до нескольких тысяч кубических метров. Удельное водопотребление зависит также от технологии, применяемой для получения промышленной продукции. Например, на химических предприятиях, выпускающих одну и ту же продукцию, в зависимости от технологии производства удельные расходы воды различаются в 5 – 10 раз.

Большое влияние на объемы воды, используемые в промышленности, оказывают схемы промышленного водоснабжения, наиболее простая из которых – прямоточная. Воду подают из источника водоснабжения к промышленному предприятию и после использования и соответствующей очистки сбрасывают. В системах оборотного водоснабжения отработавшую в технологическом процессе воду пропускают через охлаждающие или очистные устройства и затем снова направляют в производственный цикл. Предусматривается периодическое пополнение системы свежей водой для компенсации потерь. При повторной схеме водоснабжения воду, уже использованную в определенных процессах, передают для использования в других процессах этого же предприятия или на другие предприятия и после соответствующей очистки сбрасывают.

При определении объемов потребляемой воды используют следующие показатели: объем полного водопотребления, объем свежей воды, объем оборотной воды, объем безвозвратного водопотребления (сумма объемов воды, вошедшей в состав продукции; потерь воды в процессе водоподготовки и в водопроводящей сети; потерь воды в процессе производства, очистки и охлаждения; объема загрязненных стоков, которые подлежат уничтожению).

Водоотведение характеризуется объемом сбрасываемых сточных вод и зависит в основном от схемы водоснабжения.

Требования промышленного производства к качеству воды достаточно разнообразны. Они зависят от функции воды в производстве.

Вода, используемая для хозяйственно-бытовых нужд работающих на производстве, должна отвечать требованиям, предъявляемым к качеству воды в коммунально-бытовом хозяйстве. Вода, которую используют для технических нужд, должна быть безвредной для здоровья работающих. От качества воды, используемой в производстве, зависят качество продукции, долговечность оборудования и т. д. Наиболее высокие требования предъявляют к воде, служащей технологическим сырьем и входящей в состав выпускаемой продукции. Эти требования регламентируются в зависимости от вида продукции. Вода, используемая для других целей, должна отвечать стандартам жесткости, накипеобразования, вспенивания, агрессивности и т. п. Наименьшие требования можно предъявить к воде, используемой для охлаждения и гидротранспорта. Она не должна вызывать коррозии металла, разрушения бетона, биологических обрастаний охладителей.

Рыбное хозяйство. Рыбная продукция составляет существенную долю в обеспечении питания населения земного шара. Основную часть рыбы добывают в открытых морях и водах океана, что составляет в последние годы 80 – 100 млн. т в год.

Все виды рыб можно разделить на проходных, полупроходных и жилых. Проходные виды нагуливаются в море, а для размножения заходят в реки, поднимаясь для нереста на сотни и тысячи километров.

Полупроходные породы рыб также нагуливаются также в море, озере, водохранилище, а для размножения заходят в дельты рек и полойные системы, периодически затапливаемые в период весеннего половодья. Рыб, ведущих оседлый образ жизни, называют туводными (жилыми).

Пресноводных рыб разделяют на реофильных (или речных), обитающих в проточном русле, и на лимнофильных (или озерных), приспособившихся к жизни в спокойной воде озер и водохранилищ.

Рыба очень требовательна к качеству воды. Даже относительно небольшие залповые сбросы неочищенных вод предприятий пищевой, химической и другой промышленности, животноводческих комплексов, а также смывы удобрений и ядохимикатов с полей или мест их хранения часто приводят к массовой гибели рыбы. Рыба очень чувствительна к радиоактивному загрязнению воды. Радиоактивные вещества накапливаются в растениях и мелких гидробионтах. Отдельные рыбы радиоактивнее окружающей среды в несколько тысяч раз.

Губительно действует на рыбу и недостаток растворенного в воде кислорода, вызванный окислением органических веществ, поступающих со сточными водами.

Водный транспорт и лесосплав. В современных условиях водный транспорт самым тесным образом связан с комплексным освоением водных ресурсов. Улучшение и реконструкция водных путей, как правило, оправдывают себя лишь при строительстве каскада комплексных гидроузлов. В свою очередь, включение водного транспорта в состав ВХК накладывает свой отпечаток на параметры и компоновку гидроузлов, а также на состояние водных объектов. Внутренние водные пути подразделяют на естественные и искусственные. Естественные водные пути – свободные реки и озера, искусственные – каналы, водохранилища и реки, режим которых существенно изменен возведением гидротехнических сооружений.

Внутренний водный транспорт, несмотря на относительно малый удельный объем перевозок, занимает важное место в народном хозяйстве, совершая перевозки многообъемных грузов, не требующих большой скорости доставки и равномерной подачи их в течение года (строительные материалы, руда, уголь, сельскохозяйственная продукция и пр.). Перевозка водным транспортом в 2,5 – 3 раза дешевле, чем железнодорожным, и в 10 –15 раз – чем автомобильным.

Водный транспорт относится к водопользователям, использующим водные источники как среду без количественного ее изменения. Вместе с тем он наносит ущерб энергетике и другим водопотребителям отъемом воды из водохранилища при осуществлении попусков и при шлюзовании судов. Водный транспорт загрязняет водные источники нефтепродуктами и другими отходами, а также создает волны, разрушающие берега и нерестилища.

Лесосплав имеет важное народнохозяйственное значение по следующим причинам: значительная часть запасов древесины расположена в районах, тяготеющих к водным путям. Лесосплав – наиболее простой и дешевый вид транспорта леса.

Сплав леса можно проводить различными способами. Например, при молевом сплаве отдельные, не связанные между собой бревна, плывут россыпью по течению реки. Этот вид сплава часто является единственно возможным способом доставки древесины из труднодоступных для других видов транспорта лесных массивов.

Молевой сплав при своей простоте обладает недостатками. Значительны потери древесины, связанные с выбросом бревен на берега и особенно с их затоплением. Наиболее быстро тонут и намокают лиственные породы: береза, осина, клен и др. Молевой сплав влияет на естественное состояние рек и наносит большой ущерб рыбному хозяйству. Затонувшие древесина и кора захламляют русло, а при их разложении поглощается кислород и выделяются вредные вещества, которые отравляют воду. Плывущие бревна часто травмируют рыбу, идущую на нерест, разрушают нерестилища, и берега, что способствует заилению русла. Для облегчения управления сплавом древесины прибрежную защитную полосу кустарников обычно вырубают, что приводит к интенсивному размыву берегов, способствует заилению русл и загрязнению воды поверхностными стоками.

Котельный сплав заключается в обноске сплавной древесины цепочкой из плавающих бревен, соединенных канатами или цепями, и называемую кошелем. Форма кошеля может быть круговой, сигарообразной и прямоугольной. Кошельный способ применяют на небольших озерах и водохранилищах, а также на тиховодных участках рек при небольших расстояниях сплава. Его обычно используют для транспортировки древесины, собираемой с берегов, а также некондиционной, не пригодной для сплотки.

При плотовом сплаве (сплотка бревен в плоты) потеря древесины при транспортировании практически исключается, она сохраняется лишь на участке, сборки плотов, при их приемке и сортировке, а также в случае штормовых разрушений плотов.

В перспективе сплав леса в плотах будет постепенно сокращаться с переходом на перевозку насухо в судах, что улучшит качество древесины, но потребует реконструкции всего лесозаготовительного хозяйства и внедрения новых транспортно-технических схем.

Сельскохозяйственное водоснабжение и обводнение. Сельскохозяйственное водоснабжение включает хозяйственно-бытовые потребности в воде сельских населенных пунктов, полевых станов, животноводческих ферм и комплексов, машинно-тракторного парка.

Особенности водоснабжения сельских населенных пунктов (по сравнению с коммунально-бытовым водоснабжением в городах) следующие: большая часовая неравномерность, большие объемы безвозвратного водопотребления (из-за меньшего применения канализации), меньшее удельное водопотребление. В перспективе с ростом благоустройства сельских населенных пунктов указанные различия будут снижаться.

Объем сельскохозяйственного водоснабжения зависит от источника водоснабжения, способов подъема воды и ее транспортирования.

Нормы потребления воды определяют в соответствии с ГОСТом. В животноводстве количество потребляемой воды зависит от вида поголовья, условий содержания скота, технической оснащенности ферм. Большим потребителем воды является животноводческий комплекс – крупное специализированное сельскохозяйственное предприятие по производству продукции на базе индустриальной технологии.

Вода здесь используется на физиологические, технологические и вспомогательные нужды. В нормах учитывают расход воды отдельно на каждый вид потребления, причем используют усредненные показатели по каждой группе животных с учетом мощности комплексов, технологии содержания животных и способа уборки навоза. Последний фактор оказывает большое влияние на объем потребляемой воды.

В зависимости от способа уборки навоза (механического или гидравлического) норма потребления воды на технологические нужды может

увеличиться в 3,5 раза. Нормы потребления воды животными зависят от их вида и составляют от 200 (коровы) до 2 (молодняк овец) л/сут на одну голову.

На промышленных животноводческих комплексах сточные воды разделяют на хозяйственно-бытовые, производственные и жидкий навоз. Объемы этих стоков зависят от принятой технологии производства, мощности комплекса и степени его благоустройства. Эффективное средство утилизации таких стоков – орошение кормовых культур на полях орошения. Такое использование сточных вод позволяет снизить опасность загрязнения водных ресурсов, производить их доочистку в почвенном слое и улучшить условия создания кормовой базы.

Требования к качеству воды, используемой в сельскохозяйственном водоснабжении, зависят от вида потребления. Самые высокие требования предъявляют к питьевой воде. Вода, используемая для нужд животноводства, должна удовлетворять тем же требованиям, которые предъявляют к воде для хозяйственно-питьевых целей. Так, поение скота загрязненной водой может снизить продуктивность на 40 – 70 %.

В то же время по некоторым показателям (цветность, прозрачность, запах) требования к воде, используемой для животных, могут быть несколько снижены. Для полива приусадебных участков и эксплуатации машинно-тракторного парка можно применять воду менее высокого качества.

Для животноводческих комплексов характерно большое количество органических отходов. Например, отходы крупного свиноводческого комплекса могут составлять до 3000 т жидкого навоза в сутки, или 1 млн. т в год. Состав биологических животноводческих отходов характеризуется следующими цифрами (в граммах на 1 кг живого веса): БПКполн – 4,5–10,0; бихроматная окисляемость (ХПК) – 12,0–17,0; азот общий – 4,0–18,0; фосфор общий – 0,3–3,6; калий – 2,9–5,8. При этом высока бактериальная загрязненность отходов.

С животноводческой деятельностью также связано загрязнение талого и дождевого стока, формирующегося на площадях выгула и загона скота. С этих площадей в водные объекты поступает большое количество взвешенных минеральных частиц, смываемых с вытоптанных, не покрытых травяной растительностью участков.

Еще одной причиной загрязнения поверхностных вод является сток, сформировавшийся на полях, обработанных ядохимикатами (пестицидами) и минеральными удобрениями. Особенность пестицидов состоит в способности длительное время сохранять токсичность, передаваться по пищевым цепям, накапливаться, а также в продолжительности периода вымыва из почвы. Следует отметить, что на орошаемых полях интенсивность вымыва химикатов увеличивается в несколько раз.

Оросительные мелиорации. Необходимость обеспечения населения земли продуктами питания заставляет развивать интенсивные способы животноводства и выращивания сельскохозяйственных культур, среди которых орошение занимает ведущее место.

Сельскохозяйственные земли составляют десятую часть суши, из них только шестая часть орошается. Однако с этих площадей в мире получают от 40 до 50 % сельскохозяйственной продукции. В развитых странах водопотребление на нужды сельского хозяйства превышает 500 км3 в год.

В начале 80-х годов XX века орошаемая площадь во всех странах составила 270 млн. га, из них в Индии – 57, Китае – 48, США – 25, СССР – 17,5, Пакистане – 14,3 млн. га. В США в это время поливали 18 % пашни и насаждений, Индии – 34, Китае – 47, Японии – 58, Италии – 21, Болгарии – 28, Румынии – 22. В СССР общая площадь орошаемых и осушаемых земель достигла в 1984 г. 33 млн. га.

Осушительные мелиорации. По данным Минводхоза СССР, на 1983 г. из 33 млн. га мелиорированных земель 14,4 млн. осушалось.

Осушительные мелиорации как участника ВХК можно рассматривать в нескольких аспектах. Во-первых, при осушении происходит сработка «вековых» запасов грунтовых вод и на некоторое время (до 7 лет) сток рек-водоприемников увеличивается. Расходы летней межени могут возрасти в 1,5 – 2 раза.

В то же время несколько уменьшается максимальный сток из-за создания в зоне аэрации некоторой емкости, способной вместить осадки и талые воды. Однако эти водные ресурсы не следует считать потерянными, так как они идут на транспирацию и участвуют в создании сельскохозяйственной продукции.

Во-вторых, в зоне неустойчивого увлажнения осушаемые земли необходимо в засушливые периоды увлажнять с помощью подъема грунтовых вод или орошения дождеванием.

В-третьих, интенсивные способы земледелия, глубокое рыхление, кротование, а также значительные дозы внесения минеральных удобрений превращают осушительные системы в источник загрязнения рек-водоприемников, так как водоотведение может составить 30 – 50 % водоподачи (осадки + оросительные нормы).

В-четвертых, осушение земель с грунтовым типом водного питания приводит к понижению уровня грунтовых вод не только на осушаемой территории, но и на прилегающих землях. Для комплексного решения водохозяйственных проблем при осушительных мелиорациях необходимо:

1. создавать системы, позволяющие осуществлять регулирование стока с осушаемых территорий;

2. более эффективно использовать местные водные ресурсы за счет создания водохранилищ и прудов;

3. при мелиорации пойменных земель регулирование водоприемников проводить осмотрительно, учитывая, что возможны переосушка территории и уменьшение общей водности речного бассейна;

4. создавать мелиоративные системы комплексного регулирования водного, питательного и теплового режимов, позволяющие в 1,5...2 раза увеличивать продуктивность осушаемых земель и повышать эффективность использования оросительной воды;

5. осуществлять оборотное использование дренажного стока для орошения осушаемых земель и в целях предотвращения загрязнения окружающей среды;

6. снижать отрицательное влияние осушительных систем на прилегающие территории;

7. использовать водохранилища и озера на осушаемых землях для рыбоводства. Влияние крупной осушительной системы на окружающую территорию распространяется на площадь, равную 65 % площади осушения. При осушении 14,4 млн. га около 9,4 млн. га находятся под влиянием осушительных систем. Однако влияние на этой территории различно. На 25 % осушаемой площади это влияние положительно, на 50 – 55 % пренебрежимо мало, а на 20 % площади суходольной территории, граничащей с осушаемым объектом, обнаруживается негативное влияние.

Рекреация. Частью водного хозяйства является использование водных ресурсов для целей рекреации, то есть для отдыха и лечения населения, водного спорта. Рекреация получает все большее значение в связи с повышением уровня жизни народа, увеличением свободного времени, ростом урбанизации. В организации полноценного отдыха и лечения особая роль принадлежит рекам и водоемам. Поэтому большую часть рекреационных учреждений располагают либо непосредственно на берегах водоемов, либо вблизи них. Водоемы – центры кратковременного отдыха для населения многих городов страны. На отдаленных от города водоемах организуют длительный отдых, лечение, спортивное рыболовство и т. п.

С созданием водохранилищ рекреационная ценность природного комплекса обычно возрастает. Повышается также и его рекреационная емкость в результате увеличения длины береговой линии и площади акватории. Изменяются климатические условия района.

Рекреация на водоемах выступает в основном как водопользователь, использующий воду как среду. В качестве водопотребителя рекреация пользуется водой для питьевого водоснабжения и удовлетворения других коммунальных нужд отдыхающих и спортсменов. Ниже приведены нормы водопотребления в рекреационных учреждениях.

Использование водоемов для отдыха предъявляет высокие требования к качеству воды и определенные требования к режиму водоемов.

Вода, которую применяют для коммунально-бытовых нужд в рекреационных учреждениях, должна соответствовать нормативам качества, принятым для питьевой воды. Высокое качество воды должно быть в бассейнах, в водоемах, предназначенных для купания и спортивного рыболовства.

Качество воды не имеет решающего значения, если водоемы используют для следующих видов водного спорта: гребля, водные лыжи, парусный спорт, водный туризм. Но если они сочетаются с купанием (в жаркие месяцы), то требования к качеству воды резко повышаются.

Основное отрицательное влияние рекреационного использования водохранилищ заключается в загрязнении водоемов при купании, водном туризме, от моторных лодок и катеров. Поэтому запрещается рекреационное использование водохранилищ в зонах, примыкающих к водозаборам хозяйственно-питьевого назначения. К таким зонам относятся также акватории, используемые для рыборазведения, и заповедные участки. В свою очередь, на рекреацию отрицательно влияют промышленное и коммунально-бытовое водоснабжение, водный транспорт, которые загрязняют водные ресурсы при сбросе сточных вод, а также гидроэнергетика, в интересах которой проводится суточное регулирование стока, вызывающее резкие колебания уровней воды.

Влияние городов. Городские территории, для которых характерна высокая концентрация промышленности, населения, бытовых предприятий, отличаются особым обострением водоохранных и экологических проблем. Нарастание антропогенной нагрузки приводит к тому, что в городах и близлежащих территориях наблюдается многократно повышенная загрязненность среды, развиваются процессы разрушения экосистем, истощения растительного и животного мира. Во многих случаях наблюдается дефицит пресной воды, качество воды не всегда соответствует всем требованиям хозяйственно-питьевого водоснабжения. Как правило, в таких ситуациях наблюдается повышенная заболеваемость (иногда и смертность) населения.

На урбанизированной (городской) территории концентрируются и тесно переплетаются проблемы водоснабжения (питьевого, хозяйственного, промышленного), отвода большого количества использованных сточных вод, физического, химического и теплового загрязнения окружающих водных объектов. Во многих случаях возникают сложности в связи с наводнениями и подтоплением территорий, русловыми процессами, заилением малых водотоков и переформированием берегов водоемов. Процесс загрязнения водных объектов, расположенных в городе или рядом с ним, имеет некоторую особенность. Для урбанизированной территории, кроме сосредоточенного отвода сточных вод, через специальные канализационные системы с возможной их очисткой характерен поверхностный рассредоточенный сток загрязненных вод.

Талые и дождевые воды выносят в гидрографическую сеть смытый с городской территории мусор и различные вещества: нефтепродукты, выпавшие атмосферные аэрозоли, продукты разрушения дорожных покрытий и строительных материалов, частицы грунта и т. п.

Смыв органических и минеральных веществ с единицы площади городской территории может в 2–4 раза превышать смыв с сельскохозяйственных угодий. Средняя концентрация загрязняющих веществ в городских поверхностных водах уменьшается с увеличением слоя стока, когда увеличивается степень разбавления. Отмечается, что талые воды, в целом, более загрязнены, чем дождевые. Особенно это заметно при малоснежной зиме и бурном снеготаянии. Загрязненность дождевого стока возрастает с увеличением сухого периода, предшествующего дождю, и с повышением его интенсивности.

Количество загрязняющих веществ в городском поверхностном стоке, поступающее в водные объекты, в среднем оценивается значениями, представленными в табл. 4.1.

Концентрация загрязняющих веществ определяется такими особенностями территории, как плотность населения, объем и виды промышленности, транспортная насыщенность, степень благоустроенности и т. п., а также гидрометеорологическими факторами: интенсивностью и объемом талых вод, режимом выпадения осадков, коэффициентами поверхностного стока.

Взвешенные вещества, поступающие в реки и водоемы с городских территорий, представляют достаточно большую санитарно-экологиченскую опасность. Они ведут к заилению рек. Органические же вещества, составляющие в среднем 20–30 % общего количества взвешенных веществ, существенно снижают содержание кислорода в воде и в процессе анаэробного распада сильно ухудшают качество воды.