Техногенез и деградация поверхностных водных объектов

Водоемы и водотоки, входящие в зарегулированные искусственным образомСуществует также такое понятие как «естественное регулирование стока», происходящее путем временной аккумуляции воды в периоды паводков и половодий в поймах, прибрежных понижениях рельефа, болотах и проточных озерах (Железняков и др., 1984). В связи с этим необходимо подчеркнуть, что, рассматривая последствия регулирования стока, мы имеем в виду исключительно искусственное (точнее - техногенное) регулирование. водные системы, уже являются не природными объектами, а представляют собой ПТС, экологическое состояние которых определяется комплексом как естественных, так техногенных факторов. При этом восстановления исходного состояния водных систем (существовавшего до зарегулирования стока) после устранения техногенных факторов, определяющих их гидрологический режим, произойти не может (Авакян и др., 2002; Раткович и др., 2003). Например, после спуска водохранилищ ГЭС осушенная площадь будет представлять собой заболоченное пространство, покрытое мощным слоем загрязненных отложений.

Интенсивное развитие гидроэнергетики, осуществлявшееся на протяжении ХХ века, в современной экологической литературе рассматривается как один из наиболее значимых факторов экологической деградации водных объектов (Данилов-Данильян и др., 1994; Большая Волга, 1994; Авакян, Подольский, 2002). Основанием для подобного заключения служит комплекс общеизвестных негативных последствий, обусловленных зарегулированием стока рек, возникновением труднопреодолимых препятствий на пути миграции ценных видов рыб, их гибелью в турбинных трактах ГЭС (Павлов и др., 1999), а также затоплением и подтоплением обширных участков земель.

В искусственно созданных водохранилищах возникли особые условия, позволяющие одновременно существовать водным массам с различным генезисом и биотическими характеристиками (Буторин, 1969). Часть водного объема водохранилищ, так называемые «транзитные водные массы», формируются за пределами их акватории. В условиях гидроэнергетических комплексов (каскадов ГЭС) гидрохимические и гидробиологические параметры этих вод в их нижних участках зачастую определяются режимом функционирования ГЭС, расположенных выше по течению. Данное явление следует рассматривать как особую разновидность дистанционной формы техногенеза (см. раздел 2.1). В прибрежной зоне водохранилищ образуются «автохтонные водные массы», условия в которых определяются, главным образом, местными локальными факторами.

В результате биота зарегулированных речных систем существенно изменилась (Мордухай-Болтовской, 1961; Водохранилища…, 1976; Кожевников. 1978). Численность многих мигрирующих видов катастрофически снизилась. На подпруженных участках водотоков уменьшилось количество реофилов. Напротив, благодаря возникновению обширных водохранилищ были созданы новые биотопы для эврибионтных видов озерно-прудового комплекса. Характер пространственного распределения пелагических и бентических биоценозов в водохранилищах во многом определяется гетерогенностью слагающих их водных масс. Эвтрофирование, сопутствующее образованию водохранилищ, и стагнация вод стали причиной периодических «цветений» воды. Речной сток является важным этапом биогеохимических циклов многих элементов, и его зарегулирование оказало значимое влияние и на эти процессы.

Существенные изменения претерпели и наземные экосистемы, расположенные на прибрежных, особенно пойменных участках (Влияние водохранилищ…, 1970; Водохранилища…, 1976; Шарапов, 1979; Петров, 1981; Пилипенко и др., 2006). Во многих случаях образование водохранилищ сопровождалось существенными изменениями почвенного покрова и рельефа береговой зоны, ее ландшафтной структуры и гидрогеологии. Зарегулирование стока рек вызвало значимые изменения и в состоянии некоторых морских водных объектовЭтой важной проблеме посвящен отдельный раздел монографии 4.2.6.. Таким образом, границы зоны техногенеза в данном случае далеко выходят за пределы самих зарегулированных водных объектов, приобретая межрегиональные масштабы. Отдельные последствия зарегулирования стока представляют собой практически весь спектр видов техногенеза: от локального физико-химического и биотического до межрегионального биогеохимического (см. раздел 1.4).

Преобладающими экологическими механизмами техногенеза, при зарегулировании стока в эпоху бурного развития гидроэнергетики в первой половине ХХ века, являлись «модифицирующий» и «деградационный» (см. табл. 3.1), вызвавшие деградацию многих водных и наземных экосистем. По этой причине в сознании людей сформировалось устойчивое мнение о том, что строительство и эксплуатация ГЭС - это один из видов деятельности, наносящих значительный ущерб природной среде. Иными словами, объекты гидроэнергетики и большинство других ГТСВ дальнейшем мы будем обозначать их как «регулирующие ГТС»., регулирующих сток, являются источниками регионального деградационного техногенеза. В свое время такой взгляд на проблему был в значительной мере оправдан. Но в современных условиях подобный односторонне-негативный подход к экологической роли ГЭС затрудняет разработку эффективных природоохранных мероприятий, основанных на учете и использовании позитивных явлений, также сопутствующих эксплуатации гидроэнергетических объектов (Асарин, 1982; Троицкий 2003; 2006; Безносов и др., 2007а). Признание данного факта обусловливает возникновение альтернативной концепции. Ее суть заключается в том, что ГЭС путем их экологической оптимизации потенциально могут быть использованы для улучшения экологического состояния водных объектов (Суздалева и др., 2010/2011). С этой точки зрения объекты гидроэнергетики и их комплексы рассматриваются как регуляторы управляемых ПТС регионального масштаба (Федоров, Суздалева, 2014), а экологический механизм техногенеза является «управляющим» (см. табл. 3.1). Очевидно, что подобный подход к решению проблемы требует ломки ряда устойчивых стереотипов мышления, складывавшихся на протяжении многих десятилетий.

3.2.1.2 Значимые аспекты техногенеза и пути экологической оптимизации

Деятельность по экологической оптимизации ГЭС (гидроэнергетических комплексов, регулирующих ГТС) может одновременно проводиться в нескольких различных направлениях, соответствующих основным потенциально позитивным эффектам их строительства и эксплуатации, которые в контексте изучаемой проблемы в большинстве случаев можно рассматривать и как «позитивные аспекты техногенеза»:

v Становление регулируемых водохозяйственных систем, обеспечивающих водопотребление и водопользование всех групп стейкхолдеров. В целом данный аспект можно рассматривать как пример целенаправленного креативного техногенеза (табл. 3.2). Уже неоднократно отмечалось, что для комплексного решения водохозяйственных проблем почти всегда требуется регулирование речного стока (Железняков и др., 1984). Иными словами, в современном мире зарегулирование стока постепенно превращается из негативного последствия организации гидроэнергетических каскадов в необходимое условие рационального водопользования. Это положение соответствует и действующей законодательной базе. Так, согласно определению, данному в ВК РФ (ст. 1, п.11), «водохозяйственная система - комплекс водных объектов и предназначенных для обеспечения рационального использования и охраны водных ресурсов гидротехнических сооружений». Таким образом, в основном документе, регулирующем общественные отношения в сфере водопользования, по сути, указывается на то, что рациональное использование водных ресурсов в современных условиях осуществляется на основе техногенеза водных объектов.

Следует обратить внимание на то, что так называемые «неэнергетические участники» (предприятия промышленного и коммунального водоснабжения, рыбное хозяйство и др.) водохозяйственных систем (ВХС) часто жестко лимитируют режим работы самой ГЭС (Асарин, Бестужева, 1986). При этом, на практике, удовлетворение в полном объеме всех требований водопользователей в маловодных, а иногда даже и в средневодных условиях практически невозможно, поэтому режим фактической эксплуатации ГЭС и регулирующих ГТС всегда в той или иной мере является компромиссным, основанным на учете и соблюдении интересов других стейкхолдеров (Асарин, 1982; Вода России…., 2000). Таким образом, существующие ВХС отчасти являются реализацией на практике идеи управляемых ПТС, регуляторами которых, как правило, являются объекты гидроэнергетики.

Вместе с тем, постоянно возникающие конфликтные ситуации свидетельствуют о том, что эти возможности регулирования стока (или, пользуясь нашей терминологией - аспекты техногенеза речных систем) реализуются в недостаточной степени. Основная причина сложившейся ситуации заключается в недостаточной разработанности научной базы управляемого техногенеза. На практике это, с одной стороны, обуславливает недоучет или игнорирование интересов отдельных стейкхолдеров ВХС, а, с другой стороны, приводит к возникновению пробелов в законодательно-нормативных документах и просчетах в работе надзорных органов. Одним из примеров является проблема, возникшая в связи с повышением нормального подпорного уровня Чебоксарской ГЭС. В данном случае трудноразрешимый конфликт был вызван как раз утратой на определенном этапе связи между отдельными элементами ВХС, а именно: недостаточной обоснованностью последствий для каскада ГЭС пониженного значения НПУ Чебоксарского водохранилища, недоучетом в проекте ГЭС вероятности подтопления территории Нижнего Новгород и, наконец, выдачей местными органами власти разрешений на застройку затапливаемых участков. Эта и многие другие подобные конфликтные ситуации не возникали, если бы объекты гидроэнергетики на этапе их проектирования рассматривались, в том числе, и как регуляторы управляемых ПТС, а не только как объекты, выполняющие определенные защитные функции.

Таким образом, основным путем экологической оптимизации данного аспекта техногенеза зарегулированных водных систем является организация управляемых ПТС на базе существующих ВХС, на основе придания объектам гидроэнергетики функций регулятора данных систем (Федоров, Суздалева, 2014) (табл. 3.2).

v Регулирование потока загрязнителей. В настоящее время многочисленные водохранилища ГЭС являются депозитариями, в которых задерживается значительная часть потока загрязнителей, поступающих в гидросферу (Авакян и др., 1994; Большая Волга …, 1994; Эдельштейн, 1998). Это дает возможность контролировать данный процесс, предотвращать распространение поллютантов и позволяет осуществлять очистку локализованных загрязненных вод, например, путем изъятия и переработки донных отложений или созданием биомелиоративных барьеров (Морозов, 2001). Следовательно, этот процесс также можно рассматривать как один их позитивных аспектов техногенеза, вызывающего зарегулирование речных систем.

Если бы ГЭС в современном мире отсутствовали, то уровень глобального загрязнения водной среды был бы, несомненно, существенно выше. Значительно худшими были бы и экологические последствия (Эдельштейн, 1998; Даценко, 2002). Например, если бы не существовало такой гидроэнергетической системы как Волжско-Камский каскад, интенсивность процесса эвтрофирования Каспийского моря повысилась более чем в 2 раза. Кроме того, тысячи тонн тяжелых металлов (ТМ), которые в настоящее время аккумулируются в донных отложениях, частично осаждались бы в биологически доступной форме на пойменных участках и включались затем в наземный биохимический цикл микроэлементов с прогрессирующим их накоплением в луговых травах, молоке и мясе скота.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таблица 3.2. Основные пути экологической оптимизации ГЭС (регулирующих ГТС)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Остальная часть стока ТМ в меженные периоды поступала бы в водные объекты волжской дельты и ее мелководное приустьевое взморье с концентрацией, превышающей ПДК. Как отмечает один из ведущих специалистов в области гидроэкологии К.К. Эдельштейн (1998, с. 225-226): «При столь низком качестве воды, которое было бы в настоящее время в незарегулированной Волге, трудно представить саму возможность существования в ней осетровых рыб, их захода на нерест, нереста (в особенности проходных осетровых озимой расы, зимующих в реке перед нерестом) и благополучного ската сеголетков в летнюю межень в дельту Волги. Вполне вероятно, что и сама дельта, не будь водохранилищ Волжско-Камского каскада, утратила бы к настоящему времени рыбохозяйственное значение - крупнейшего в мире ареала нагула осетровых рыб - вследствие, если не токсикоза техногенными ТМ и другими ядовитыми веществами, то прогрессирующего эвтрофирования водных объектов дельтовой области из-за чрезмерной нагрузки волжской экосистемы антропогенными биогенными веществами».

Рассматривая вопросы регулирования потока загрязнителей, следует обратить внимание и на тот факт, что в последние десятилетия количество природных и техногенных катастроф возросло в несколько раз (Осипов, 1995). По прогнозам специалистов эта тенденция, скорее всего, сохранится и в ближайшем будущем. Независимо от природы катастроф практически все они сопровождаются поступлением в окружающую среду огромных количеств различных загрязнителей. Их последующее распространение в окружающей среде осуществляется главным образом с водными потоками. Даже загрязнители, выбрасываемые во время катастроф в атмосферу, по большей части достаточно быстро осаждаются на земную поверхность и с поверхностным смывом также поступают в водные объекты. Единственный реальный путь локализации таких потоков - это эффективное использование существующих ГЭС (и других регулирующих ГТС), что собственно и делается при возникновении многих чрезвычайных ситуаций.

Однако на современном этапе механизм данного аспекта техногенеза можно рассматривать только как поддерживающий. Перспективным путем экологической оптимизации является переход к управляющему механизму техногенеза (табл. 3.2), что подразумевает создание специальных ИТС, включающих ловушки-депозитарии для аккумуляции загрязнителей, а также устройства для их извлечения из депозитариев и утилизации.

v Интенсификация процессов самоочищения. Некоторые воздействия, сопутствующие эксплуатации ГЭС (аэрация, турбулентное перемешивание), интенсифицируют процессы самоочищения и способствуют значительному улучшению экологического состояния водных объектов. По этой причине качество вод, сбрасываемых из водохранилищ, часто существенно выше, чем в источниках их подпитки. Это еще один пример позитивного аспекта техногенеза.

Данное направление экологической оптимизации ГЭС должно заключаться как в разработке мер, направленных на интенсификацию процессов самоочищения, так и выработке проектных и эксплуатационно-технических решений, позволяющих избежать искусственного замедления этих процессов (образования застойных зон и др.). В целом эти меры можно рассматривать как целенаправленный природообустройственный техногенез (табл. 3.2).

В тех случаях, когда аналогичная деятельность осуществляется в целях улучшения экологического состояния существующих водохранилищ, это является примером санационного и/или санитарного техногенеза. В современной России данная проблема особенно актуальна. Развитие многоукладной экономики привело к тому, что совокупный негативный эффект, оказываемый мелкими хозяйствующими субъектами на водные объекты, может быть весьма значителен и достигать уровня, сопоставимого с промышленным загрязнением (Суздалева и др., 2004). Ситуация усугубляется тем, что ранее построенные системы отведения поверхностного стока и его очистки постепенно выходят из строя, а многочисленные мелкие хозяйства очисткой вод не занимаются, поскольку не располагают ни достаточными для этого средствами, ни техническими возможностями. Результатом является закономерно возрастающий уровень загрязнения большинства российских водных бассейнов.

v Внедрение природоохранного оборудования и технологий, то есть использование на практике инженерно-технических решений, способствующих целенаправленному улучшению состояния природной среды или предотвращению нанесения ущерба ее отдельным компонентам. Следовательно, ожидаемым результатом является создание поддерживающего или управляющего механизма техногенеза (табл. 3.2). Данная деятельность не может рассматриваться как позитивный аспект техногенеза, но, вместе с тем, является одним из главных направлений экологической оптимизации ГЭС и, следовательно, улучшения их функционирования в качестве регулятора управляемых ПТС.

Уже в настоящее время внедрение природоохранного оборудования и технологий осуществляется на многих объектах гидроэнергетики (Троицкий, 2006). Однако, прежде чем перейти к рассмотрению основных направлений этой деятельности, необходимо уточнить некоторые термины. Согласно общепринятому определению, технология - это «совокупность методов обработки, изготовления, переработки сырья, материалов или полуфабрикатов в совокупности с приборно-аппаратным оформлением, применяемая в процессе производства для получения готовой продукции (Данилов-Данильян и др., 2002 стр. 671). Следовательно, в качестве природоохранной технологии может рассматриваться любое мероприятие, осуществляемое в ходе эксплуатации ГЭС, целью которого является улучшение или сохранение состояния окружающей среды в зоне ее влияния (т.е. в зоне ее техногенеза). Иными словами, эти меры направлены на снижение (предотвращение) негативных аспектов техногенеза, источником которого являются объекты гидроэнергетики.

Спектр мероприятий природоохранной деятельности, осуществляемой в настоящее время, на крупных ГЭС, значительно шире. Некоторые из них не связаны с производственным циклом, и их целью является не снижение негативного техногенного воздействия или увеличение позитивного, а непосредственно охрана и защита окружающей среды, а также ее восстановление. Например, целая система подобных мер осуществляется на Бурейской ГЭС. Как и другие притоки Амура, р. Бурея - место нереста многих ценных пород рыб. После того, как река была перегорожена плотиной, часть нерестилищ на ней стала недоступной. Поэтому сметой строительства Бурейской ГЭС в качестве компенсационной меры было предусмотрено возведение рыборазводного завода. Используя предложенную нами терминологию (см. раздел 1.4), данные мероприятия можно рассматривать как примеры природообустройственного техногенеза.

Кроме того, ГЭС используются для защиты населения и территорий от различных негативных процессов, в том числе ЧС природного и техногенного характера (наводнений и др.). Таким образом, эти объекты выполняют ряд дополнительных функций, которые при анализе возможных путей экологической оптимизации целесообразно дополнительно выделить в две отдельные категории: «природоохранная функция» и «средозащитная функция» ГЭС, к рассмотрению которых мы вернемся несколько позже.

В отличие от природоохранных и средозащитных функций, «внедрение природоохранного оборудования и технологий», с точки зрения экологической оптимизации, подразумевает, главным образом, не улучшение качества водной среды и экологического состояния водных объектов, а снижение негативного воздействия (или повышения позитивного), непосредственно обусловленного эксплуатацией ГЭС. В качестве основных направлений этой деятельности отметим следующие:

Ш проведение реконструкции и модернизации гидротурбинного оборудования с использованием новых экологически чистых конструкций с целью устранения сбросов загрязнителей в нормальных условиях и нештатных ситуациях;

Ш внедрение нового оборудования, снижающего гибель и травмирование рыб и планктона при прохождении воды через гидросооружения и гидроагрегаты;

Ш модернизацию рыбопропускных и рыбозащитных сооружений;

Ш реконструкцию систем водоотведения с целью полного прекращения сбросов в водные объекты неочищенных хозбытовых стоков, организацию сбора и очистки поверхностного стока с территорий производственных объектов ГЭС;

Ш использование потоков, создаваемых работой ГЭС, для разбавления сточных вод (например, отвод сточных вод с очистных сооружений в деривационный канал и т.п.);

Ш реконструкцию ГЭС, проводимую с целью улучшения гидрологического, гидрохимического и кислородного режимов водных объектов (ликвидация застойных зон, аэрация вод, предотвращение заморов и др.).

v Повышение эффективности природоохранных мероприятий (природоохранной функции ГЭС). Это еще одно важное направление экологической оптимизации, которое можно рассматривать и как позитивный аспект техногенеза. Природоохранная функция ГЭС реализуется в форме мероприятий по сохранению (улучшению состояния) природной среды и ее отдельных компонентов, проводимых силами и средствами его собственника (или организации, осуществляющей его эксплуатацию). Во многих случаях данная деятельность представляет собой не что иное, как одну из разновидностей целенаправленного техногенеза окружающей среды, целью которого является не восстановление ранее существовавших природных условий, а создание ПТС, благополучное состояние которой поддерживается искусственно с использованием технических средств (поддерживающий механизм техногенеза).

Очевидно, что четко провести границу между «внедрением природоохранных технологий» и «природоохранной функцией ГЭС» достаточно сложно. Главный критерий, в данном случае, заключается в том, каким образом (непосредственно или косвенно) реализуемое мероприятие связано с эксплуатацией ГЭС, то есть проявляется в виде «прямого» или «косвенного» техногенеза.

В настоящее время мероприятия по повышению природоохранной функции ГЭС получили в России достаточно широкое распространение (Стахеев, 1998; Малик, 2003; Троицкий, 2003; 2006). Во многом это связано с необходимостью формирования позитивного экологического имиджа для повышения их инвестиционной привлекательности (Безносов и др., 2007б). Кроме того, в ряде случаев своевременно проведенные природоохранные мероприятия могут существенно снизить финансовые издержки, обусловленные нерациональным природопользованием. В силу этих причин природоохранная деятельность постепенно становится обязательным компонентом систем корпоративного экологического менеджмента гидроэнергетических объектов.

По своим целям природоохранные мероприятия ГЭС можно условно разделить на две группы: восстановительные и санационныеРезультаты данных мероприятий могут соответственно рассматриваться как «природообустройственный» и «санационный» виды техногенеза..

К восстановительным мероприятиям относятся различные виды деятельности по восстановлению компонентов среды и природных ресурсов, нарушенных или утраченных в предшествующий период, такие как:

ь мероприятия по восстановлению биологических ресурсов водных объектов (зарыбление водохранилищ, улучшение кормой базы рыб, создание специализированных рыбоводных хозяйств с целью восстановления рыбных запасов);

ь мероприятия по охране, восстановлению численности и искусственному переселению редких видов наземных животных и растений в восстановленные биотопы в зоне влияния ГЭС;

ь мероприятия по восстановлению и сохранению мест размножения (нереста) и нагула животных; создание специальных охраняемых природных территорий, играющих роль «экологического буфера»;

ь мероприятия по рекультивации нарушенных участков почвенного покрова, окультуриванию земель, улучшению их плодородия, улучшению условий произрастания растений (мелиоративные мероприятия);

ь организация лесопосадок и другие биотехнические мероприятия.

Санационные мероприятия проводятся с целью ликвидации негативных последствий антропогенного воздействия, вызванного другими видами человеческой деятельности. При этом, как показывает практика, достаточно часто эти негативные последствия не связанны со строительством и эксплуатацией самих ГЭС. К их числу можно отнести:

ь мероприятия по борьбе с загрязнением и эвтрофированием водохранилищ, предотвращению их цветения, зарастания и заиления;

ь мероприятия по очистке водохранилища от плавающей и затопленной древесины (включая организацию предприятий по экологически чистой технологии переработки и утилизации древесины);

ь мероприятия по берегоукреплению и защите берегов и прибрежных участков от антропогенной эрозии и абразии.

v Повышение средозащитной функции ГЭС. Под средозащитной функцией ГЭС мы понимаем все аспекты их эксплуатации, прямо или косвенно способствующие снижению риска нанесения ущерба окружающей среде в результате негативного воздействия природных и техногенных явлений и процессов, а также снижения размеров этого ущерба. В настоящее время эта функция, пожалуй, является первостепенным по своему значению и наиболее известным позитивным аспектом техногенеза.

В современном мире регулирование стока рек предотвращает как катастрофические наводнения, так и маловодья (Авакян, 2000; Эдельштейн, 1998). В обоих случаях, именно благодаря наличию крупных гидротехнических систем, удается не только защитить население огромных территорий, но и предотвратить массовую гибель животных, уничтожение многих биотопов вследствие размыва почв, их затопления, подтопления, отложения на их поверхности наносов. Как засухи, так наводнения приводят к ухудшению санитарно-эпидемиологической и эпизоотической обстановки (Эльпинер, 2003). Кроме того, наводнения практически всегда сопровождаются сильным химическим и микробиологическим загрязнением среды в результате размыва промышленных и хозяйственно-бытовых объектов. При попадании в зону затопления радиационно-опасных объектов возникает угроза радиоактивного загрязнения обширных территорий. В период засух возникают трудности с очисткой сточных вод, нарушается функционирование систем водоотведения. Таким образом, уже сейчас значительная часть ГЭС выполняет функцию регулятора управляемых ПТС. Однако эта деятельность осуществляется в отсутствие обобщающей научной базы, в форме практического решения насущных проблем.

Особо следует отметить тот факт, что в период наблюдающихся в настоящее время значительных гидроклиматических изменений частота и негативные последствия перечисленных явлений существенно возрастают (Осипов, 1995). В соответствии с этим повышается и значение средозащитной функции ГЭС.

Основными направлениями повышения средозащитной функции ГЭС являются: во-первых, регулирование водного режима рек и водохранилищ; во-вторых, разработка превентивных мер по предотвращению ЧС и снижению их последствий (в аспекте рассматриваемой проблемы - снижения размеров возможного экологического ущерба).

Регулирование водного режима рек и водохранилищ включает:

ь мероприятия по защите природной и социальной среды от наводнений и подтопления; разработка режима попусков половодий и паводков, минимизирующих сопутствующие негативные воздействия на окружающую среду (снижение площадей затопления и времени затопления до срока, не вызывающего деградацию наземных экосистем и др.);

ь санитарные попуски, обеспечивающие расходы воды в объеме, гарантирующем бесперебойную работу питьевых водозаборов, благоприятные условия для культурно-бытового водопользования населения;

ь экологические попуски, т.е. регулярная, периодическая или эпизодическая подача воды из водохранилища в нижний бьеф в объемах, необходимых для поддержания естественного состояния наиболее ценных элементов природной среды. Разновидностью являются так называемые «нерестовые попуски» (Раткович и др., 2003), осуществляемые с целью создания благоприятных условий для нереста ценных пород рыб и «санитарно-экологические попуски в маловодные годы», проводимые для обеспечения нормальной работы систем коммунально-бытового, промышленного, сельскохозяйственного водоснабжения, работы систем орошения, функционирования других хозяйственных и рекреационных объектов;

ь разработка режима эксплуатации ГЭС, способствующего улучшению качества вод и условий существования водных организмов, например, дополнительные сбросы в зимний период, благодаря которым в нижнем бьефе образуется обширная полынья, препятствующая развитию заморных явлений (Тимченко, Оксиюк, 2002);

ь разработка мероприятий по контролю за сбросом загрязненных вод из водохранилища при ЧС природного и техногенного характера, с целью недопущения ухудшения экологической и санитарно-эпидемиологической ситуации на нижележащих участках речной системы (в отличие от п.1, в данном случае подразумевается не разработка программы по регулированию потока загрязнителей, а конкретные действия в период возникновения ЧС);

ь предотвращение нежелательных изменений микроклимата в районе нижнего бьефа;

ь мероприятия по предотвращению отложения наносов в русле или размыва русла, мероприятия по сокращению выноса твердого стока;

ь строительство сооружений, предназначенных для гашения энергии воды, и специальные мероприятия по защите от размывов повышенными расходами воды;

ь ограничение скорости сработки уровня водохранилищ с целью недопущения ущерба землям прибрежной зоны в результате оплывания или сползания грунта в водохранилище, а также образования заторов и зажоров в хвостовой части водохранилища при быстрой сработке уровня и затопления в зимний период прибрежных территорий.

К превентивным мерам по предотвращению ЧС и снижению их негативных экологических последствий можно отнести:

ь включение в программы экологического менеджмента объектов гидроэнергетики планов по взаимодействию их персонала с региональными подразделениями МЧС, природоохранными службами, органами Санэпиднадзора;

ь осуществление мероприятий по инженерной защите земель в зоне влияния ГЭС (строительство защитных дамб, сооружений, предназначенных для защиты от селей, эрозии, оползней и других неблагоприятных природных процессов);

ь контроль за использованием временно затопляемых территорий, недопущение размещения на них экологически опасных веществ и материалов.

Почти все из перечисленных выше направлений средозащитной деятельности по своей сути также являются техногенными изменениями окружающей среды, то есть одним из видов ее техногенеза. Но по характеру своего эффекта должны рассматриваться как позитивные аспекты данного процесса. Экологический механизм техногенеза при осуществлении мер по средозащитной функции ГЭС в одних случаях является поддерживающим, в других - управляющим. Экологическая оптимизация в данном направлении должна осуществляться как переход к управляющему механизму (табл. 3.2).

v Меры по сохранению, восстановлению и рациональному использованию природных ресурсов региона. Строительство и эксплуатация ГЭС может оказать значимое воздействие практически на все виды природных ресурсов, начиная от ресурсов полезных ископаемых до лесных ресурсов (Троицкий, 2003; 2006). Меры, предпринимаемые для их сохранения, восстановления и рационального использования уже сейчас весьма многообразны и зависят от характера природного ресурса и региональных условий. Любая из этих мер также может рассматриваться и как позитивный аспект техногенеза и как самостоятельное направление экологической оптимизации ГЭС.

Например, при создании гидроузлов с напором более 100 м в сейсмически опасных районах возникают явления так называемой «наведенной сейсмичности». Заключаются они в том, что по контуру водохранилища увеличивается частота землетрясений. По этой причине в последнее время в проектах ГЭС на основании прогноза воздействия на геологическую среду разрабатываются решения о защите того или иного вида ресурсов полезных ископаемых. Так, в проекте Нижнекамской ГЭС были предусмотрены затраты на инженерную защиту месторождений нефти в Татарстане, в ТЭО Среднеенисейской ГЭС - инженерная защита Горевского полиметаллического месторождения. Не менее важную задачу представляет собой рациональное использование земельных ресурсов при эксплуатации ГЭС. Водохранилищами энергетического и комплексного назначения в Российской Федерации к настоящему времени затоплено порядка 4,5 млн. га земли, или около 0,3% общего земельного фонда государства. Для сравнения, этот показатель в Канаде составляет 0,6%, а в США - 0,8%. Устойчивой тенденцией отечественной гидроэнергетики является снижение площади затоплений, приходящейся на 1 млн. кВт/ч вырабатываемой на ГЭС электроэнергии. Если в прошедшие годы этот показатель в среднем составлял примерно 11-15 га на миллион киловатт-часов, то по объектам, строящимся в настоящее время или намечаемым на ближайшую перспективу, он не превышает по общим затоплениям 6 га, в том числе: по затоплениям сельхозугодий 1 га, лесопокрытых площадей 5 га. Уменьшение воздействия на земельные ресурсы достигается за счет разбивки участка водотока на ступени энергетического использования. Создание ряда средне- или низконапорных гидроузлов вместо одного с высокой подпорной отметкой позволяет сократить площади затопления в несколько раз. Другим направлением уменьшения воздействия водохранилищ ГЭС на земельные ресурсы является инженерная защита земель. Так, на Нижнекамском водохранилище уже осуществлена инженерная защита земель общей площадью 19,9 тыс. га, из которых под сельхозугодья предназначается использовать 16,6 тыс. га. На Чебоксарском водохранилище осуществлена инженерная защита 10 массивов земель (низин) площадью более 30 тыс. га земель, в том числе более 15 тыс. га сельхозугодий.

Однако, рассматривая вопросы природопользования в аспекте проблемы экологической оптимизации ГЭС, нельзя ограничиваться лишь возможными путями снижения негативных эффектов на основе поддерживающего и управляющего механизмов техногенеза. Строительство и эксплуатация ГЭС может сопровождаться не только утратой, но и расширением ресурсной базы. Прежде всего, это касается водохозяйственного и рыбохозяйственного потенциалов. Благодаря строительству ГЭС в современном мире возник большой дополнительный фонд водных ресурсов. В России суммарный объем водохранилищ превышает 400 км3 (Эдельштейн, 1998). Стационарные водные ресурсы водохранилищ, хотя и называются «мертвым объемом», на самом деле служат местообитанием многочисленных видов организмов, в том числе хозяйственно ценных, а также редких и нуждающихся в особой охране. На фоне сокращения запасов питьевой воды и биологических ресурсов водных объектов, которые ряд исследователей рассматривает как кризис в сфере водопотребления (Данилов-Данильян, Лосев, 2006), организацию водохранилищ, напротив, можно рассматривать как позитивное явление. Следовательно, разумное, сбалансированное увеличение водных ресурсов и запасов биологических ресурсов, происходящее вследствие строительства и эксплуатации ГЭС, представляет собой одно из важных направлений их экологической оптимизации. С точки зрения рассматриваемой нами проблемы этот процесс можно квалифицировать как «креативный техногенез» (табл. 3.2).

v Координация режимов эксплуатации ГЭС, входящих в комплексный гидроузел (каскад). Комплексные гидроузлы могут являться регулятором более обширной (региональной) ПТС, включающей в себя группу взаимосвязанных ПТС, каждая из которых регулируется отдельной ГЭС, входящей в данный каскад. Таким образом, с экологической точки зрения, комплексным гидроузлам свойственна эмерджентность, то есть наличие у системного целого особых свойств, не присущих его подсистемам и блокам, а также сумме элементов, не объединенных системообразующими связями. Следовательно, координация и интеграция программ экологической оптимизации ГЭС на уровне комплексных гидроузлов может дать принципиально иные результаты. Это один из реальных путей создания управляемых ПТС регионального масштаба (Федоров, Суздалева, 2014).

В настоящее время наиболее актуальным является вопрос использования комплексных гидроузлов для снижения риска экстремальных и катастрофических явлений гидрологического характера (наводнений, паводков) (Федоров, Масликов, 2013). Вместе с тем, игнорирование принципа эмерджентности при разработке программ экологической оптимизации ГЭС может значительно снизить эффект от многих природоохранных и средозащитных мероприятий. Так, усилия, предпринимаемые на водохранилище отдельной ГЭС для интенсификации процессов самоочищения, во многом теряют свое значение, если в ходе эксплуатации нижерасположенных объектов гидроэнергетики, входящих в тот же каскад, уровень загрязненности вод вновь повышается (например, в результате образования застойных зон и аккумуляции в них сбросов сточных вод).

v Улучшение видеоэкологического потенциала и социальной привлекательности территорий. Благоприятные условия для жизни людей - это не только набор физико-химических условий среды, подходящих для жизни. Весьма важным для человека является эстетическое восприятие условий, в которых он существует: вид из окна его дома, пейзаж, видимый им по дороге на работу и др. Актуальность этой проблемы породила возникновение целой научной дисциплины - видеоэкологии (Филин, 1997), значение которой в условиях стремительной урбанизации, охватывающей все новые и новые территории, неуклонно возрастает. В современном мире в эксплуатацию ежегодно вводится от 300 до 500 водоемов-водохранилищ. Общее их число превысило 30 тыс., площадь водного зеркала - около 400 тыс. км2, а с учетом подпруженных озер - 600 тыс. км2 (Сухоруких, 2006). Берега большинства из них быстро заселяются. Процессы урбанизации и зарегулирования водных бассейнов взаимосвязаны и взаимообусловлены. Для населения многих индустриальных городов, например, расположенных на берегах средней и нижней Волги, основным позитивным видеоэкологическим элементом являются водохранилища. Кроме того, они служат местом массового отдыха. Таким образом, от экологического состояния водохранилищ зависит социальная привлекательность региона в целом. Это также один из примеров позитивного аспекта техногенеза речных систем.

Рекреационный и видеоэкологический потенциал водохранилищ во многом определяется режимом эксплуатации ГЭС, а также специальными мероприятиями, проводимыми их силами и средствами. Следовательно, данный аспект может быть включен в программы их экологической оптимизации. Конечной целью подобной деятельности (например, обустройство пляжей и организация зон отдыха на берегах водохранилищ) является создание благоприятных условий для жизнедеятельности человека. Мы рассматриваем ее как один из специфических видов техногенеза - «рекреационный». Экологический механизм техногенеза может быть как поддерживающим, так и управляющим (табл. 3.2).

Изложенные выше суждения в краткой форме можно резюмировать в виде следующих выводов:

· Оценка современного характера техногенеза, обусловленного функционированием объектов гидроэнергетики, должна носить комплексный характер и осуществляться на основе непредвзятого анализа как негативных, так и позитивных аспектов данного процесса.

· В настоящее время большинство крупных водных бассейнов уже в той или иной степени зарегулированы и представляют собой не природные, а природно-технические системы. В соответствии с этим, целью создания управляемых ПТС (с использованием объектов гидроэнергетики в качестве регуляторов) является не искусственное преобразование окружающей среды, а лишь управление факторами, определяющими это состояние в исторически сложившейся ситуации.

3.2.2 Водоемы-охладители АЭС и ТЭС

3.2.2.1 Общая характеристика

Работа атомных (АЭС) и тепловых электростанций (ТЭС) всегда сопряжена с использованием значительных объемов воды, необходимых для охлаждения их технических агрегатов. Для больших современных ТЭС с энергоблоками мощностью 500, 800 и 1200 МВт для отвода теплоты из конденсаторов турбин требуется расход воды соответственно 17, 28 и 40 м3/с на каждую турбину (Гавриш и др., 1989). Для АЭС на эти же цели удельные расходы воды в 1,5-1,6 раза больше. Таким образом, АЭС и ТЭС являются крупными водопользователями, но их безвозвратное водопотребление относительно невелико. Почти вся использованная в их системах технического водоснабжения (СТВ) вода сбрасывается во внешнюю среду. После того, как температура этих вод понизится, они могут быть повторно использованы для водоснабжения электростанции (оборотная СТВ) или, поступая в открытые водные системы, могут быть переданы другим водопользователям (прямоточная СТВ). В обоих случаях необходимым условием является понижение температуры сбросных вод перед их дальнейшим использованием, регламентированное технико-эксплуатационными и природоохранными нормативами. Для этой цели используются градирни или специальные водоемы, приспособленные для охлаждения сбросных вод энергетических объектов, получившие название «водоемы-охладители»В литературе также в качестве синонимов употребляются термины «водохранилище-охладитель» (Виноградова, 1971; Катанская, 1979 и др.) и «пруд-охладитель», а при организации первых таких объектов также использовался ныне неупотребляемый термин «пруды-холодильники» (Винберг, 1935). Водоемы-охладители организуются также и при других производственных объектах, например, при некоторых геотермальных электростанциях (Суздалева и др., 2010).. Развитие энергетики привело к тому, что водоемы-охладители уже сейчас являются достаточно распространенным типом водных объектов и, по-видимому, в будущем их количество будет увеличиваться. Водоемы-охладители одновременно являются водными объектами и частью технических систем (СТВ электростанций или иных производственных объектов).

На большинстве АЭС осуществляется оборотная система технического водоснабжения. В результате возникают водоемы, в которых вода постоянно циркулирует по замкнутой траектории, закономерно изменяя свою температуру. Поэтому водоемы-охладители представляют собой особую специфическую категорию водных объектов (Суздалева, Безносов, 2000; Суздалева, 2002), не имеющую сколько-нибудь близких аналогов в природной среде.

Вне зависимости от местных условий все водоемы-охладители имеют сходную гидрологическую структуру. Их водный объем состоит из нескольких более или менее обособленных основных и вторичных водных масс (рис. 3.1). К основным водным массам, во-первых, относится водная масса, формирующаяся на сбросе из СТВ АЭС. Ее воды, двигаясь по замкнутой траектории и постепенно охлаждаясь, образуют циркуляционное течение. При периодическом прохождении через СТВ вода и попадающие с нею водные организмы подвергаются воздействию комплекса факторов (Суздалева и др., 2007). Достаточно часто в районе сброса подогретых вод, по сравнению с водозабором электростанции, наблюдается значительное изменение ряда гидрохимических параметров.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3.1. Водные массы водоемов-охладителей Курской (A), Смоленской (B) и Калининской (C) АЭС (штриховкой обозначена водная масса циркуляционного течения; части акватории, занятые периферическими автохтонными водными массами не заштрихованы; крестиками обозначены участки вторичных водных масс).

Непосредственное воздействие работы СТВ на организмы носит двоякий характер. Определенный процент организмов (в некоторых случаях весьма значительный), попадающих с током воды в технические агрегаты, погибает (Мордухай-Болтовской, 1975; Суздалева и др., 2007). Но, одновременно, происходит и другой процесс, связанный с развитием внутри СТВ сообщества организмов-обрастателей (перифитона). Часть этих организмов, а также их личинки, отрываясь от субстрата, уносятся с током воды и распространяются в акватории, увлекаемые циркуляционным течением. В результате, например, численность гетеротрофных бактерий на участках циркуляционного течения, расположенных вблизи от точек сброса подогретых вод, как правило, на порядок и более вышеЧисленность гетеротрофных бактерий (сапрофитов) используется в качестве одного из основных показателей санитарно-экологического состояния водных объектов (например, по ГОСТ 17.1.3.07-82 «Охрана природы. Гидросфера. Правила контроля качества воды водоемов и водотоков»). Это связано с тем, что численность сапрофитных бактерий отражает уровень хозяйственно-бытового загрязнения вод. В районах сброса подогретых вод высокая численность бактерий обусловлена иными причинами и использование данного оценочного критерия приводит к неадекватным выводам. (Суздалева, 2001а).

Более высокой может быть и количество планкто-перифитонных водорослей, смываемых со стенок открытых водосбросных каналов (Суздалева, 2001б). Внутри технических агрегатов могут поселяться и другие водные организмы (моллюски, мшанки и др.). Их личинки могут присутствовать в районе сброса подогретых вод в значительном количестве.

При этом наблюдается один интересный феномен, связанный с тем, что сезонный ритм размножения у организмов, живущих внутри технических агрегатов, нарушается, и они начинают размножаться в не характерное для них время. Подобные явления, заключающиеся в появлении зимой личинок организмов (моллюсков и др.), размножающихся в теплое время года, наблюдались в Севастопольской бухте и были связаны со сбросом подогретых вод ТЭЦ, расположенной на ее берегу (Шадрина и др., 1996). В водоемах-охладителях неоднократно отмечалось появление личинок дрейссены, когда нерест этого моллюска в самом водоеме-охладителе был еще невозможен (Каратаев, 1981; Lewandowski, Ejsmont-Karabin, 1983). Для обозначения рассмотренных выше явлений - выноса перифитонных организмов и их личинок из биообрастаний технических агрегатов, а также последующего их распространения по акватории водных объектов течением, возникшим вследствие сброса использованных вод, нами был предложен термин «биотехнопульверизация» (Суздалева, 2001б).

В результате комплекса процессов (подогрева вод, гидрохимической трансформации вод, гибели организмов при прохождении через технические агрегаты) физико-химические и биотические параметры водной массы циркуляционного течения, занимающей, как правило, центральную часть водоемов-охладителей, значительно отличаются от таковых в других участках их акватории, где формируются автохтонные периферические водные массы. Условия в них, а также факторы, определяющие гидрохимический и гидробиологический режимы, в целом аналогичны автохтонным водным массам водохранилищ. Помимо прямого воздействия, организмы, обитающие в водоемах-охладителях АЭС и ТЭС, испытывают различные косвенные воздействия работы СТВ, большинство которых связано со спецификой структуры водных масс этих объектов. В некоторых случаях в придонных слоях водоемов-охладителей образуется особая малоподвижная водная масса. Это происходит, когда теплые воды циркуляционного течения, двигаясь в поверхностном слое водоема, в той или иной мере препятствуют конвективному перемешиванию вод в период осеннего охлаждения и, таким образом, изолируют лежащие под ними холодные глубинные воды. В результате продолжительность периода стратификации на таких участках увеличивается или, в теплые зимы, стратификация вод может наблюдаться круглогодично. Для обозначения подобных явлений нами были предложены термины «термотехногенная стратификация» и «термотехногенная меромикссия» (Суздалева, Безносов, 1999; Суздалева и др., 2000). Гидрохимический состав и население водной массы, образующееся вследствие указанных явлений, достаточно специфичны. В одних случаях здесь скапливаются холодолюбивые формы, уходящие из поверхностных нагретых слоев. В других случаях подавление конвективного перемешивания вод приводит к ухудшению кислородного режима в придонных слоях. Например, при проведении нами исследований на Десногорском водохранилище в его нижней части, служащей водоемом-охладителем Смоленской АЭС, на глубинах свыше 15-20 м отмечено присутствие сероводорода и гибель всех высокоорганизованных форм бентоса.

При функционировании любых водоемов-охладителей испарение с поверхности воды резко возрастает, что обуславливает необходимость их постоянной подпитки. В связи с этим в акватории водоемов-охладителей образуются вторичные водные массы, располагающиеся поблизости от выхода источников его подпитки и образующиеся за счет постоянного смешения вод различного происхождения (аллохтонных вод, поступающих извне, и водной массы, сформировавшейся в данном водоеме).

В связи с тем, что сброс подогретых вод происходит постоянно, вне зависимости от времени года, общий характер конфигурации водных масс в водоемах-охладителях более консервативен, чем в естественных водоемах, гидрологическая структура которых подвержена значительным сезонным изменениям. Ряд факторов (режим работы АЭС или ТЭС, гидрометеорологические условия и др.) может существенно изменить границы отдельных водных масс, но общий характер гидрологической структуры водоемов-охладителей остается неизменным.

Вопреки распространенному мнению, водоемы-охладители представляют собой не технические бассейны, содержащаяся в которых вода может быть использована исключительно для нужд СТВ электростанции, а водоемы многоцелевого пользования с водной экосистемой, уровень биоразнообразия которой, как правило, не ниже, чем в естественных водных объектах данного региона (Лихачева и др., 2001; Коткин, 2012). Более того, подогрев воды создает в водоемах-охладителях условия для развития в них некоторых экзотических тепловодных видов (Безносов, Суздалева, 2001а; Суздалева, Безносов, 2004).