Техногенез и деградация поверхностных водных объектов

На берегах водоемов-охладителей российских АЭС располагаются жилые массивы и функционируют оборудованные рекреационные зоны. Эти водные объекты также используются местным населением для любительского лова рыбы, а часто и для ее добычи браконьерскими способами.

Во многих водоемах-охладителях электростанций осуществляется садковое и нагульное рыборазведение, чему благоприятствует подогрев вод (незамерзание части акватории зимой) (Корнеев, 1982). В СССР проект АЭС в обязательном порядке включал так называемый «энергобиологический комплекс» (ЭБК), в который входили различные рыбо- и сельскохозяйственные объекты (теплицы и др.), использующие теплые воды, сбрасываемые в водоем-охладитель (Гусаров и др., 1986). Функционирование объектов ЭБК тесно связано с режимом работы АЭС и состоянием водоема-охладителя. Например, даже кратковременное понижение температуры в зимний период, обусловленное уменьшением объема и/или температуры подогретых вод, сбрасываемых в водоем-охладитель, может вызвать массовую гибель акклиматизированных в нем тепловодных видов рыб (Коткин, 2012). Несмотря на то, что по своему генезису водоемы-охладители могут являться как естественными, так искусственными водоемами, их гидрологический и отчасти гидрохимический режимы, а также их динамика обусловливаются работой СТВ электростанции (Суздалева, 2002). Структурно-функциональная организация водной экосистемы изменяется в соответствии с уровнем и характером техногенного воздействия (Безносов, Суздалева, 2005). Но взаимодействие в системе «электростанция - водоем-охладитель» носит двусторонний характер. Любые значимые изменения в экосистеме водоема-охладителя практически всегда отражаются на работе технических агрегатов (Протасов, 1991; Суздалева и др., 2004). Так, спровоцированное процессом эвтрофирования зарастание водоема и «цветение» препятствуют охлаждению вод и снижают эффективность работы электростанции. При определенных обстоятельствах ухудшение экологических условий, сопровождающееся вспышкой развития нежелательных организмов, вызывающих биопомехи в работе СТВ АЭС, может привести к возникновению чрезвычайной ситуации (Горюнова и др., 2002) и даже создать угрозу радиоактивного выброса в окружающую среду (например, при закупорке водоводов СТВ и последующем разрушении трубок конденсатора). Таким образом, водоемы-охладители представляют собой природно-техногенные водные объекты, экологическое состояние которых и работоспособность, а также безопасность производственного объекта, для нужд которого они создавались, неразрывно связаны.

Технико-эксплуатационные параметры будущего водоема-охладителя, которые должны контролироваться для обеспечения нормальной работы СТВ, закладываются еще на стадии его проектирования. В дальнейшем в целях их сохранения осуществляется комплекс специальных постоянных и периодических профилактических мероприятий (подкачка и сброс вод с целью сохранения постоянного уровня, удаление наносов и др.). Таким образом, эти водные объекты изначально планируются как управляемые ПТС. Однако управляемость ПТС, создаваемых на базе водоемов-охладителей, является относительной, что в ряде случаев создает как экологические проблемы, так трудности в эксплуатации СТВ АЭС и ТЭС. В настоящее время экологический механизм техногенеза этих водных объектов следует рассматривать скорее как «поддерживающий» (см. раздел 2.1).

Устранение экологических и связанных с ними технико-эксплуатационных проблем происходит по мере и/или после их возникновения. Главным образом это связано с неразработанностью научной базы протекающих в них процессов техногенеза. Причины и последствия нежелательных явлений зачастую не анализируются в логической связи, в соответствии с этим предпринимаемые меры носят характер «борьбы с симптомами болезни». Борьба с биопомехами в СТВ электростанций проводится, главным образом, путем прямого уничтожения «мешающих организмов» и/или продуктов их жизнедеятельности, покрывающих поверхность технических устройств. Вместе с тем, все эти явления обусловлены различными неконтролируемыми техногенными воздействиями на водоем-охладитель, т.е. различными видами стихийного (спонтанного) техногенеза (Суздалева и др., 2004). Для примера рассмотрим экологический механизм такого важного вида биопомех как биогенная стимуляция процесса накипеообразования в теплообменной аппаратуре. Данный процесс, как правило, связывают исключительно с гидрохимическими параметрами воды (содержанием ионов кальция и др.). Однако биологические факторы, то есть влияние жизнедеятельности различных организмов, часто имеют не меньшее значение. Поэтому во многих случаях образование накипи можно рассматривать именно как вид биопомех. Связано это с тем, что интенсивные процессы фотосинтеза сопровождаются подщелачиванием среды и пересыщением воды карбонатом кальция, которое может превысить произведение растворимости более чем в 30 раз (Кошелева, 1991). При скачкообразном изменении условий (турбулентном перемешивании воды, повышении ее температуры) соли из пересыщенного раствора выпадают, в том числе и на поверхность водоводов СТВ. В свою очередь интенсивность фотосинтеза в водоеме-охладителе, из которого осуществляется забор воды, резко возрастает в результате его эвтрофирования стоками с различных объектов и поверхностного смыва с окружающей территории. Иными словами, истинная причина этого и ряда других видов биопомехНапример, процессы эвтрофирования интенсифицируют также развитие бактериальной биопленки на поверхности теплообменной аппаратуры, способствуют увеличению биомассы макрообрастания в водоводах за счет приноса из водоема-охладителя растворенного и взвешенного органического вещества. (Суздалева и др., 2004) заключается в эвтрофировании водоема-охладителя, которое в свою очередь обусловливается его хозяйственно-бытовым загрязнением. Следовательно, для снижения интенсивности накипеообразования следует идентифицировать и ликвидировать источники загрязнения водоема-охладителя, например, перенаправить их на очистные сооружения, а также осуществить мероприятия по деэвтрофировтрованию его вод (которые мы рассматриваем как один из примеров санационного техногенеза).

Таким образом, в благополучном экологическом состоянии водоемов-охладителей заинтересован достаточно широкий круг различных стейкхолдеров АЭС или ТЭС от социальных (населения, использующего эти объекты в рекреационных и иных целях) до территориальных. В число последних входят различные организации, связанные с электростанциями совместным характером водопользования, в т.ч. и объекты ЭБК, многие из которых после перестройки экономической структуры перешли из государственного владения в частное. Решение этой проблемы, как и в рассмотренном ранее случае с зарегулированными речными системами, заключается в превращении водоема-охладителя и связанного с ним комплекса объектов в управляемую ПТС, в которой роль регулятора также выполняет объект энергетики.

3.2.2.2 Значимые аспекты техногенеза и пути экологической оптимизации

На основе анализа имеющихся материалов в таблице 3.3. представлены перспективные пути экологической оптимизации АЭС и ТЭС для различных аспектов техногенеза:

1. Формирование термотехногенных водных экосистемБольшинство рассматриваемых особенностей экосистем водоемов-охладителей АЭС и ТЭС в той или иной мере свойственны и любым другим водным экосистемам, формирующимся на участках теплового загрязнения. Таким образом, термин «термотехногенные экосистемы» включает значительно большую категорию объектов, чем водоемы-охладители.. Постоянное воздействие подогрева и циркуляция вод в водоемах-охладителях АЭС и ТЭС приводит к трансформации состава их биоты и характера пространственного распределения водных сообществ (Каратаев и др., 1989; Суздалева, Безносов, 2000). В результате в них формируются экосистемы, существенно отличающиеся от существующих в других водных объектах водохранилищного типа, расположенных в том же регионе. Их можно обозначить как «термотехногенные экосистемы», возникновение которых можно рассматривать как форму сопутствующего техногенеза. Их отличительными чертами являются:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таблица 3.3. Основные пути экологической оптимизации СТВ АЭС и ТЭС

Размещено на http://www.allbest.ru/

1.1. Зависимость структурно-функциональнойПод структурой экосистемы в данном случае понимается состав и характер пространственного распределения элементов абиотической среды (главным образом, водных масс) и формирующихся на занятых ими участках биотических сообществ. Функциональный аспект организации - это комплекс естественных связей (трофических, топических и др.) и техногенных факторов (циркуляция вод и др.), объединяющих данные элементы в единую экосистему. организации водной экосистемы от режима работы электростанции. Пути становления и характер функционирования термотехногенных экосистем принципиально отличен от естественных. Во-первых, это «техногенность» и относительная кратковременность их биотических сообществ: они существуют не только при наличии технического фактора, обусловливающего их специфику, но и при определенном уровне его воздействия. При изменении любого из этих условий данные сообщества перестают существовать и преобразуются в сообщества, обладающие уже иным составом и структурой. Такие изменения происходят при увеличении мощности электростанции или при ее снижении. Во-вторых, сообщества естественных водных объектов, не подверженных экологической деградации, пребывают в устойчивом «климаксном» состоянии. Их состав отвечает определенным ланшафтно-климатическим условиям. В отличие от этого структура сообществ водоемов-охладителей формируется под влиянием действующего в данный момент комплекса техногенных факторов и в меньшей степени зависит от местных условий. В-третьих, уровень техногенного воздействия в разные периоды может меняться, и меняться скачкообразно (например, в результате изменения мощности электростанции, введения в строй гидротехнических сооружений и др.).

Таким образом, структурно-функциональная организация экосистемы водоема-охладителя определяется уровнем техногенного воздействия, оказываемого на нее в данный период времени. При этом происходит чередование периодов, в течение которых условия в водной среде и состав водных сообществ достаточно постоянны, и периодов, когда в течение относительно короткого времени характер водоема заметно меняется. Эта закономерность носит весьма общий характер, в результате чего в развитии практически любого техногенного водоема, вне зависимости от характера его эксплуатации и местных условий, наблюдаются одни и те же фазы (Безносов, Суздалева, 2005):

Ш Фаза подготовки техногенного водоема к эксплуатации. По своему происхождению водоемы-охладители можно разделить на две категории: природные водоемы, преобразованные для каких-либо технических нужд, и искусственные водоемы, специально созданные для этих целей. В обоих случаях на первом этапе главными факторами формирования водных сообществ являются различные мероприятия, проводящиеся в целях дальнейшего использования этих водоемов. То есть это целенаправленная форма техногенеза водных объектов.

Во вновь создаваемых искусственных водоемах основными факторами формирования водных сообществ являются те же самые процессы, которые играют главную роль и в формировании сообществ водоемов прудового и водохранилищного типов на начальных этапах их развития. Основное значение здесь имеют следующие факторы:

ь гидрохимический состав вод источников заполнения водоема;

ь состав планктона и ларватона (пелагических личинок донных организмов) вод источников заполнения водоема;

ь состав организмов, обитающих в увлажненных местообитаниях и мелких водоемах на затапливаемой территории;

ь процессы переработки затопленных почв и наземной растительности.

Численность первоначально развивающихся в водоеме-охладителе организмов, как правило, не соответствует их частоте встречаемости в заполняющих водах или в существовавших здесь мелких водоемах. Так, некоторые формы, количество которых в самом источнике может быть весьма незначительно, находят в новом водоеме благоприятные условия обитания. В течение короткого времени они, не испытывая пресса хищников и конкурентов, достигают высокой численности. В дальнейшем количество этих форм, как правило, значительно снижается в результате конкурентного вытеснения другими видами. Наблюдается типичная картина «первичной сукцессии», сопровождающейся быстрым ростом разнообразия водной биоты.

Когда техногенный водоем создается на базе природного водоема, большое значение на подготовительном этапе могут иметь различные мероприятия по изменению его морфометрии и гидрологии (изменение конфигурации береговой линии и рельефа дна и др.). Как правило, сукцессионные процессы на подготовительной фазе наблюдаются только на отдельных участках и происходят в виде «вторичной сукцессии», то есть изменения уже сложившихся сообществ. Исключением являются те случаи, когда подготовка водоема сопровождается существенным изменением состава водной среды, тогда облик водной биоты может принципиально поменяться. Например, на Украине в качестве водоема-охладителя Змиевской ГРЭС было использовано ранее солоноватоводное оз.Лиман, которое впоследствии было заполнено пресной водой из р.Северный Донец. Изменение солевого состава водоема, повлекшее за собой принципиальные изменения в составе обитающих в нем гидробионтов, производилось при подготовке водоема-охладителя Экибастузской ГРЭС (Казахстан) (Некрасова, 1990).

Ш Фаза начала эксплуатации техногенного водоема. В этот период на формирование водных сообществ начинает оказывать воздействие собственно работа электростанции. Следует обратить особое внимание на одно немаловажное обстоятельство: как правило, эксплуатация искусственно созданного техногенного водоема начинается через относительно короткое время после его заполнения. Сукцессионные процессы, начавшиеся на предшествующем этапе (фаза подготовки) еще далеки от завершения. Например, в водоемах-охладителях в это время при относительно низком уровне биоразнообразия численность отдельных пионерных видов находится на весьма высоком уровне. Пуск АЭС или ТЭС нарушает ход сукцессии, численность некоторых форм, процветавших до этого, резко снижается. Может наблюдаться значительное уменьшение общей биомассы планктона и бентоса. Эти явления иногда используются для иллюстрации степени техногенного воздействия. Однако, в действительности, рассматривать эти факты как меру негативного воздействия работы электростанции нельзя. Это - начало нового этапа сукцессионных процессов: вторичная сукцессия водных сообществ, идущая в другом направлении. Практически всегда через относительно короткое время биоразнообразие, биомасса и продукция в водоемах-охладителях не только достигают первоначального уровня, но и превосходят его (Вирбицкас, Егоров, 1994; Безносов и др., 1995).

Ш Фаза первой относительной стабилизации. На следующем этапе существования водоема-охладителя, при постоянном уровне оказываемой на него нагрузки, условия на определенный период времени стабилизируются и состав его сообществ на протяжении относительно длительного времени остается также более или менее стабильным. Поэтому этот период можно назвать «фазой первой относительной стабилизации». Длительность этого периода может быть достаточно велика (10-15 лет и более), в связи с чем в ряде случаев он интерпретируется как устойчивое климаксное состояние водоема-охладителя. Однако в большинстве случаев для нормальной эксплуатации водоема-охладителя необходимо периодическое проведение специальных мероприятий. В естественных условиях климаксное сообщество наиболее полно соответствует конкретным ланшафтно-климатическим условиям. Время существования этих условий несравнимо больше длительности сукцессии. Стабилизация состава сообществ в техногенных водоемах носит принципиально иной характер - их состав отвечает уровню техногенной нагрузки в данный период эксплуатации.

Ш Последующие фазы развития термотехногенной экосистемы. Достигнутое на первой фазе стабилизации относительное постоянство условий при изменении нагрузки на водоем нарушается. В соответствие с этим происходит трансформация абиотических и биотических компонентов водной экосистемы. Именно эти процессы и наблюдаются во многих водоемах-охладителях при пуске новой очереди электростанции или других заметных изменений в режиме ее работы, например, в результате реконструкции гидротехнических сооружений. Этот этап развития термотехногенной экосистемы можно обозначить как «второй период сукцессионных изменений», исходя из того, что в качестве «первого периода сукцессионных изменений» более целесообразно рассматривать сукцессионные процессы на «фазе начала эксплуатации», а не на «фазе подготовки», когда водный объект часто не имеет специфических черт, присущих техногенному водоему. Снижение разнообразия водных сообществ, наблюдающееся на этой фазе, также как и на фазе начала эксплуатации, может носить временный характер.

После нарушения условий, наблюдавшихся на первой фазе относительной стабилизации, и последующих сукцессионных процессов следует период, когда водные сообщества стабилизируются на новом уровне и существуют до тех пор, пока не произойдут новые значительные изменения в режиме работы электростанции - это «вторая фаза относительной стабилизации».

Если скачкообразные изменения, обусловленные изменением режима работы электростанции, будут происходить многократно, то, в соответствии с этим, в дальнейшем можно выделить третьи, четвертые и т.д. «периоды сукцессионных изменений» и соответствующие им «фазы относительной стабилизации», каждая из которых будет характеризоваться определенным составом сообществ.

Несомненно, что все водоемы-охладители будут функционировать только определенное время. В связи с этим, в развитии их экосистем будет наблюдаться и «посттехногенный период», когда работа СТВ прекратится. Это вызовет как существенные изменения гидрологического и термического режимов, так и обусловит еще один период сукцесионных процессов. Данная проблема в настоящее время практически не изучена, хотя необходимость таких исследований очевидна. Можно ожидать, что эти водные объекты будут интенсивно зарастать и заиляться.

1.2. Высокая биопродуктивность. Искусственный подогрев вод, как правило, сопровождается интенсификацией биопродукционных процессов и повышением трофического статуса водного объекта (Безносов, Суздалева, 2004; Кучкина, 2004)При анализе данного аспекта техногенеза (стимулирования биопродуктивности искусственным подогревом вод), обусловленного работой СТВ АЭС и ТЭС, мы сочли целесообразным абстрагировать его от значительно более широкой проблемы эвтрофирования водоемов-охладителей. Этот процесс в большей степени связан не работой СТВ, а с поступлением эвтрофикантов из источников, непосредственно не связанных с электростанцией (Кучкина, 2004; Суздалева и др., 2013). . В большинстве водоемов умеренной зоны оптимальная для развития фитопланктона температура выше естественной (Девяткин, Мордухай-Болтовской, 1974). Поэтому повышение температуры водной среды во многих случаях сопровождается заметным увеличением биомассы водорослей. Повышение температуры может стимулировать и развитие высшей водной растительности (макрофитов) (Зубарева, 1971; Катанская, 1979). На участках сброса подогретых вод наблюдается значительное (иногда в несколько раз) увеличение биомассы и микрофитобентоса (Гринь и др., 1974; Девяткин, 1974). Увеличению биомассы различных групп фотосинтезирующих растений в искусственно термофицированных водоемах способствует и так называемая «термическая эвтрофикация» (Веригин, 1977; Безносов и др., 2002), заключающаяся в поступлении в воду дополнительных количеств биогенных элементов (азота, фосфора и др.) за счет интенсификации биологического круговорота в водоеме при повышенной температуре. В результате подогрев воды часто вызывает заметное повышение уровня биопродукционных процессов. Экологические последствия этих процессов могут носить как позитивный, так и ярко выраженный негативный характер. При этом, поскольку подогрев вод - это ни что иное, как проявление физического техногенеза водного объекта, то и подобные явления представляют собой аспекты техногенеза. В позитивном плане подогрев используется для создания упоминавшегося выше тепловодного рыборазведения (Итоги…, 1998).

Негативные последствия обусловлены возникновением дисбаланса продукционно-деструкционных процессов, заключающегося в недоиспользовании части создаваемого органического вещества в последующих звеньях трофической цепи (Богатова, 1971; Суздалева, Безносов, 2001б). В водоемах-охладителях это проявляется в интенсификации их зарастания и возникновении «цветений» фитопланктона. При этом более раннему развитию высшей водной растительности часто сопутствует и более раннее ее отмирание (Лисицына, Жукова, 1971; Экзерцев, Лисицына, 1975; Катанская, 1979 Кацман, 2004). Разложение отмерших растений происходит не в осенний период, а в разгар теплого сезона и может обусловить развитие так называемого «вторичного загрязнения вод» (Безносов и др., 2006б). В период наших исследований водоема-охладителя Курской АЭС подобные явления вызывали массовую гибель гидробионтов в ряде прибрежных участков в результате ухудшения кислородного режима и отравления продуктами разложения.

Позитивная или негативная тенденция в развитии экологических последствий увеличения биопродуктивности водоемов-охладителей определяется механизмом их техногенеза. В случае отсутствия специальных мероприятий по утилизации биологической продукции и деэвтрофированию вод данный процесс протекает первоначально по модифицирующему экологическому механизму (развитие водной растительности и связанных с ней животных-фитофилов), который закономерно переходит в деградационный механизм.

1.3. Доминирование эвритермных и эврибионтных форм. Водные сообщества водоемов-охладителей, состоят, главным образом, из видов, обитающих в данной климатической зоне. Однако подогрев вод существенно изменяет роль отдельных видов. Массовое развитие в них получают не теплолюбивые, а эвритермные организмы. Причем, как свидетельствует проведенный нами анализ биоты водоемов-охладителей, расположенных в разных географических зонах (от Казахстана до европейской Арктики), в состав доминантов, вне зависимости от макроклиматических условий и ландшафтных особенностей, входят одни и те же виды (Безносов, Суздалева, 2001в; 2004). При этом следует обратить внимание на то, что априорное использование материалов о степени термофильности и термотолерантности отдельных видов, полученных в лабораторных условиях или на основе анализа их распределения по климатическим поясам, неприемлемо для прогнозов возможности обитания этих форм в водоемах-охладителях (Безносов, Суздалева, 2001а). Это касается не только прогнозирования возможности существования в этих условиях видов с высокой степенью термотолерантности, но и, напротив, делает необоснованным прогноз о невозможности существования в водоемах-охладителях видов, считающихся стенотермными и холодолюбивыми. Как правило, имеющиеся сведения о термофильности и термотолерантности организмов характеризуют лишь потенциальные возможности этих видов, которые в реальных условиях не реализуются в силу воздействия других факторов. Например, предполагалось, что сброс подогретых вод в Кучурганское водохранилище (Молдова) создаст благоприятные условия для обитавших в нем некоторых теплолюбивых планктонных ракообразных (Scapholeberis kingii, Simocephalus elizabethae, Ceriodaphnia reticulata) (Набережный, Есауленко, 1988). Эти виды хорошо переносят температуру 33-39С. Тем не менее, после пуска ТЭС эти виды оказались на грани исчезновения.

В большинстве случаев при тепловом загрязнении водоемов наблюдается снижение численности стенотермных видов и увеличение количества более эврибионтных форм, которые обитали здесь и ранее. Довольно характерным является более интенсивное развитие видов, являвшихся ранее второстепенными по своему значению в экосистемах (Сергеева и др., 1988; Сергеева, 1991; Кафтанникова, 1991). Некоторые из них становятся новыми доминантами. Полное исчезновение холодолюбивых организмов происходит редко. Причем довольно часто это обусловлено не повышением температуры, а другими видами антропогенного воздействия, наблюдающимися при превращении озера или участка реки в водоем-охладитель (загрязнением, увеличением мутности воды и др.). Часть видов, считающихся стенотермными, оказывается способными адаптироваться к новым температурным условиям (Садырин, 1985; Протасов, Афанасьев, 1991). Даже в водоеме-охладителе Кольской АЭС, расположенном в Заполярье, значительная часть биоты в кратчайший срок смогла приспособиться к повышенной температуре (Крючков и др., 1985).

1.4. Появление экзотических форм в результате искусственной акклиматизации и спонтанной инвазии термофилов. Средняя температура поверхностных вод в водоемах-охладителях заметно выше естественного уровня, характерного для данного региона, и часто соответствует средней температуре другой климатической зоны (Иванов, Старобогатов, 1974). Например, Б.В. Веригин (1962) сравнивал термический режим водоема-охладителя одной из подмосковных ТЭС с водоемами Египта, Среднего и Южного Китая. При планировании первых водоемов-охладителей высказывались предположения, что в них через определенное время возникнут своеобразные островки субтропической или тропической биоты (Мордухай-Болтовской, 1975). В действительности этого не происходит. В термофицированных водных объектах отмечены лишь отдельные экзотические формы. Причем их появление редко происходит в форме спонтанной инвазии. В большинстве случаев оно прямо или косвенно связано с целенаправленной деятельностью человека (т.е. является результатом биотического техногенеза). Например, субтропическая пресноводная креветка Macrobrachium nipponense завезена в некоторые водоемы-охладители при искусственной акклиматизации рыб (белого амура и толстолобика) из реки Янцзы (Иванов, Старобогатов, 1974). Тропические брюхоногие моллюски Physella integra и красная катушка, вероятнее всего, попали в эти водоемы из аквариума (Садырин, 1985; Безносов, Суздалева, 2001а). Аналогичное предположение можно высказать и относительно распространившегося во многих водоемах-охладителях России и Украины водного растения валлиснерия спиральная (Vallisneria spiralis) (Шахматова и др., 1971; Лукина, 1972; Журавель, 1974; Шкорбатов и др., 1976; Ваулин, Зубарева, 1979; Лунгу, 1990; Безносов, Суздалева, 2001а). Этот субтропический вид теперь нередко можно встретить значительно севернее пределов его естественного ареала, даже в таежной зоне на границе с Полярным Уралом. Однако, как отмечает В.М. Катанская (1979), валлиснерию скорее можно причислить к синантропным видам. Ее распространение на север связано не только с повышением температуры, а с образованием в водоемах-охладителях целого комплекса условий, специфически благоприятных для этого вида.

Появления значительного числа субтропических и тропических видов не наблюдается и на участках акватории Мирового океана, подверженных термальному загрязнению (Милейковский, 1979), несмотря на то, что перенос пелагических личинок водных организмов морскими течениями на большие расстояния и интенсивное судоходство создают предпосылки инвазии экзотических видов в термофицированные участки прибрежной зоны. Те же тепловодные виды, которые осваивают подобные местообитания, также представляют собой синантропов, для которых подогрев вод - лишь один из техногенных факторов, обеспечивающих условия для их массового развития. Например, это организмы-обрастатели подводных антропогенных субстратов (балянусы и др.).

Незначительность инвазионных процессов нельзя объяснить только кратковременностью существования водоемов-охладителей (точнее, участков постоянного подогрева вод) и трудностью проникновения в них южных видов. Например, водоем-охладитель ГРЭС им. Классона, находящийся в Московской области, существует с 1914 г.; водоемы-охладители Шатурской и Горьковской ТЭС функционируют с 1925 г. (Катанская, 1979). Вероятность случайного заноса субтропических видов в эти водоемы, например, при ежегодных миграциях водоплавающих птиц или как косвенный результат человеческой деятельности, за этот период была достаточно высока. О принципиальной возможности вселения в водоемы-охладители видов из других климатических зон свидетельствует то, что отдельные субтропические виды в них все же обнаружены. В водоеме-охладителе Зуевской ГРЭС на Украине в массе обнаружены несколько субтропических видов синезеленых водорослей (Виноградская, 1971а,б). Экзотические виды фитопланктона отмечены и при исследовании водоема-охладителя Курской АЭС (Шидловская и др. 2004).

Существует мнение (Протасов, Афанасьев, 1991), что большая редкость находок экзотических термофильных форм в водоемах-охладителях может объясняться трудностями конкуренции с видами-автохтонами. Кроме того, не следует упускать из виду, что термофильные виды могут погибать в периоды экстремальных снижений температуры в зимний период (этот вопрос более подробно будет рассмотрен ниже). Вероятно, большинство тропических и субтропических видов, случайно заносимых в водоемы-охладители, в дальнейшем не выживает.

Результаты обобщенного анализа рассмотренных выше отличительных особенностей термотехногенных экосистем можно резюмировать следующим образом. Возникая как одна из форм сопутствующего техногенеза, они в дальнейшем развиваются как ПТС, состояние которых зависит как от режима работы электростанции, так и от некоторых специальных мер по поддержанию приемлемого экологического состояния водного объекта и его эксплуатационных параметров. Эти меры, являющиеся отдельными аспектами техногенеза, мы рассмотрим позже. В контексте анализа общих тенденций развития термотехногенных экосистем следует обратить внимание на механизм техногенеза. До определенного момента он, как правило, носит модифицирующий характер. Наиболее заметно он проявляется в виде биотического, физического, гидрологического и геоморфологического техногенеза, не сопровождающегося устойчивой экологической деградацией. Временное снижение показателей экологического состояния (уровня биоразнообразия и др.) происходит только в периоды перехода из одного периода стабилизации экосистемы в другой. Но в определенный момент времени, когда уровень антропогенной нагрузки достигает некоего критического уровня, начинается процесс экологической деградации (Горюнова, 2006). В большинстве случаев во многом эти явления обусловлены эвтрофированием вод со стороны хозяйствующих субъектов, непосредственно не связанных с электростанцией (Кучкина, 2004, Суздалева и др., 2013). Вместе с тем, они создают угрозу для ее нормальной работы - в результате зарастания мелководий и цветений фитопланктона происходит ухудшение технико-эксплуатационных характеристик водоема-охладителя. Кроме того, ухудшение качества воды интенсифицирует развитие различных биопомех во внутренних узлах СТВ (Суздалева и др., 2004). По этим причинам персонал электростанции вынужден осуществлять меры по сохранению удовлетворительного состояния водоема-охладителя. То есть происходит переход от модифицирующего механизма техногенеза к поддерживающему. На практике эти мероприятия зачастую осуществляются бессистемно, т.е. направлены на ликвидацию уже возникших негативных явлений, а не их источника. Например, при зарастании мелководий, затрудняющих циркуляцию вод, производится их механическая расчистка или уничтожение водной растительности с помощью гербицидов. Вместе с тем, причина этих явлений заключается в поступлении в водоем-охладитель различных стоков, приносящих в него агенты эвтрофирования (соединения фосфора и азота). Если эти источники эвтрофирования не контролировать, то процессы зарастания и цветения вод будут продолжаться. Возможным путем решения проблемы является деэвтрофирование вод. Таким образом, возникает необходимость перехода к управляющему механизму техногенеза. Очевидно, что наиболее эффективным данное направление экологической оптимизации СТВ АЭС и ТЭС будет в том случае, если эти меры будут запланированны еще на этане проектирования и будут носить системный характер, иными словами, тогда, когда водоем-охладитель будет проектироваться как управляемая ПТС.

2. Инженерно-технические и биомелиоративныеПод биомелиорацией (биологической мелиорацией водного объекта) понимается улучшение состояния водного объекта при помощи биологических мероприятий (ГОСТ 17.1.1.01 -77 «Охрана природы. Гидросфера. Использование и охрана вод. Основные термины и определения», пункт 51). мероприятия по снижению загрязнения и эвтрофирования водоема-охладителя. Для того, чтобы рассматривать эту деятельность в качестве позитивного аспекта процесса техногенеза, обусловленного эксплуатацией водоема-охладителя, необходимо сделать некоторые пояснения. В отличие от водохранилищ ГЭС, задача обеспечения приемлемого экологического состояния водоема-охладителя АЭС или ТЭС непосредственно возлагается на руководство этих объектов. Мероприятия, осуществляемые с этой целью, в совокупности можно рассматривать как поддерживающий механизм техногенеза, а в том случае, если они способны оперативно реагировать на нежелательные изменения экологического состояния и корректировать его в нужном направлении - как механизм управляющего техногенеза (табл. 3.3). Однако на современном этапе создание управляющего механизма техногенеза - это лишь цель экологической оптимизации. Осуществить ее на практике пока удается лишь на относительно коротких временных интервалах.

Во многих случаях при проведении на водоемах-охладителях экологических исследований или организации мониторинговых наблюдений электростанция априорно рассматривается только в качестве главного источника загрязнения водной среды. Вместе с тем, как показывает опыт нашей многолетней работы на различных АЭС и анализ литературных источников, в реальности это далеко не так. Электростанция при нормальном режиме работы не является источником заметного загрязнения водной среды (за исключением теплового). Значительно большее негативное воздействие, как правило, оказывают стоки с других промышленных и бытовых объектов и загрязнение водотоков, служащих источником водоснабжения электростанции (Кошелева, 1991; Бондаренко и др., 1994; Кучкина, Безносов, 2012). Например, при обследовании водоема-охладителя Курской АЭС в начале 2000-х годов только на одном небольшом участке его береговой линии, примыкающей к городской застройке, мы обнаружили более 10 источников несанкционированного сброса сточных вод. Практически всегда эти явления способствуют экологической деградации экосистемы водоема-охладителя, проявляющейся в зарастании прибрежий, цветениях фитопланктона, ухудшении качества вод, снижении рыбохозяйственного и рекреационного потенциалов. Это наносит ущерб не только электростанции (в форме биопомех в ее СТВ), но и различным группам других стейкхолдеров данной ПТС, использующих этот водный объект в своих целях.

Электростанция, выступая в роли регулятора ПТС, способна улучшить ситуацию двумя способами: осуществлением инженерно-технических и биомелиоративных мероприятий. Первое из этих направлений включает строительство специальных сооружений по предотвращению и очистке стоков в водоем-охладитель. В некоторых случаях, с целью улучшения экологического состояния водоема-охладителя, проводятся меры по его инженерно-технической мелиорации: расчистке засоренных и заболачиваемых прибрежных участков, уборке скоплений отмершей погруженной растительности и скоплений плавающих нитчатых водорослей (флотона), являющихся источником вторичного загрязнения вод (Безносов и др., 2006б) и др.. В совокупности все эти мероприятия можно рассматривать как пример природообустройственного техногенеза.

Второе направление - биомелиорация - заключается в целенаправленной модификации экосистемы водоема-охладителя путем разведения в нем организмов (в т.ч. экзотических для данного региона), которые способны снизить последствия эвтрофирования и загрязнения водоема-охладителя. Эти мероприятия можно рассматривать как пример целенаправленного биотического техногенеза. Например, в первоначальный этап существования водоема-охладителя Курской АЭС на его берегах производилась посадка тростника. Сформировавшиеся заросли макрофитов, окаймляющие берега этого водоема в настоящее время, не только препятствуют их размыву, но и задерживают значительную часть эвтрофикантов и загрязнителей. В последующий этап для борьбы с бурным развитием погруженной растительности в водоеме многократно проводилась акклиматизация растительноядных рыб. В течение многих лет эти мероприятия поддерживали относительно благополучное состояние водоема-охладителя как с экологической, так и с эксплуатационной точки зрения.

3. Техногенная мелиорация водПод техногенной мелиорацией мы понимаем улучшение качества вод, происходящее вследствие побочного воздействия техногенных факторов. В отличие, от этого инженерно-техническая мелиорация вод - это использование различных устройств и сооружений для целенаправленного улучшения качества водных объектов.. Данный позитивный аспект техногенеза свойственен всем водоемам-охладителям и происходит как в результате прямого воздействия работы СТВ на водную среду, так и косвенного, результатом чего является улучшение качества вод или его сохранение на определенном уровне в условиях интенсивного загрязнения.

Прямое воздействие заключается в подогреве, турбулентном перемешивании и аэрации отработанных вод в районе сброса в водоем-охладитель. Это интенсифицирует процессы разложения органического вещества, что в ряде случаев приводит к значимому улучшению качества вод, проходящих через СТВ АЭС и ТЭС (Суздалева и др., 2007; Кучкина, Безносов, 2012). Так, в водоем-охладитель Добротворской ГРЭС (Украина) впадает р.Полтва, загрязненная промышленно-бытовыми стоками г.Львова и некоторых других населенных пунктов. Попадая в водоем-охладитель, эти грязные воды при повышенной температуре подвергались интенсивному самоочищению, в результате чего их качество заметно улучшалось (Кошелева, 1991). Известны даже случаи, когда сброс подогретых вод предотвращал полную гибель организмов на загрязненных участках водоема. Подобное явление, например, описано в р.Северный Донец в месте сброса подогретых вод Ворошиловоградской ГРЭС (Украина). На участке реки, расположенном выше электростанции, в отдельные периоды макрозообентос практически отсутствовал, вследствие сброса в эту реку большого количества промышленных стоков (Протасов и др., 1991). Вместе с тем ниже по течению, в тот же период была обнаружена достаточно разнообразная донная фауна. В связи с этим высказывалось мнение, что в тех случаях, когда водоемы-охладители загрязнены, многократное прохождение вод через систему технического водоснабжения электростанции только улучшит их качество (Топачевский, Пидгайко, 1971). Однако следует отметить, что высказывалось и почти противоположное мнение (Коненко и др., 1971): в водоемах, сильно загрязненных органическим веществом, повышенная интенсивность его минерализации может привести к резким колебаниям в содержании растворенного кислорода и, тем самым, ухудшить санитарно-химический режим водного объекта. Реализация одной из этих тенденций во многом зависит от конструктивно-компоновочных решений, используемых при проектировании (реконструкции) водосбросных сооружений СТВ, и режима циркуляции вод.

Косвенное воздействие работы СТВ, вызывающее техногенную мелиорацию вод, связано с тем, что постоянное циркуляционное течение более менее равномерно распределяет поступающие в водоем-охладитель загрязнители по значительной части его объема (водной массе циркуляционного течения). По этой причине во многих случаях здесь на участках загрязнения не формируется характерных «пятен» или «шлейфов» с повышенным содержанием загрязнителя (Суздалева, 1999). Подобное искусственное разбавление также способствует интенсификации самоочищения вод. Вместе с тем, данное явление представляет опасность, поскольку маскирует процессы загрязнения и эвтрофирования водоемов-охладителей. До определенного момента, благодаря постоянной циркуляции вод, последствия данных процессов малозаметны. Однако, когда концентрация эвтрофиканта или загрязнителя во всей массе циркуляционного течения достигает критического уровня, нежелательные явления (цветение вод, ухудшение кислородного режима и др.) принимают залповый, катастрофический характер и сразу охватывают значительную часть акватории водоема-охладителя (Суздалева и др., 2013).

Разработка проектных и эксплуатационных решений, повышающих результативность техногенной мелиорации, является одним из направлений экологической оптимизации СТВ АЭС и ТЭС (табл. 3.3). Внедрение подобных инноваций представляет собой смену форм техногенеза: от сопутствующего к целенаправленному, а также возможную смену его механизмов (от поддерживающего к управляющему).

4. Снижение процента гибели организмов, попадающих во внутренние узлы СТВ. В зависимости от состава планктонных организмов их гибель в этих условиях может составлять до 80% (Мордухай-Болтовской, 1975; Протасов, 1991). Негативное воздействие комплекса факторов (скачок температуры, механические удары, изменение давления и др.) способно вызывать гибель различных групп водной биоты, в том числе и бактериопланктона (Суздалева, 1998). Однако в наибольшей степени эти воздействия сказываются на организмах зоопланктона (Ривьер, 1971; Сергеева, 1991).

Очевидно, что данные воздействия не могут не оказывать существенного влияния на состав планктона, а учитывая, что планктонный образ жизни ведут личиночные формы многих донных организмов, то и на состав бентических сообществ. При этом особенно высокий процент гибели отмечается у видов, имеющих относительно крупные размеры и сложную форму тела. В то же время виды, которые в силу своих морфологических и/или физиологических особенностей более толерантны к воздействию работы СТВ, получают определенные преимущества. В большинстве водоемов-охладителей после стабилизации экосистемы по прошествию некоторого периода после начала эксплуатации СТВ происходит не снижение уровня биоразнообразия, а перераспределение роли отдельных видов (Суздалева, Безносов, 2000). Аналогичная картина наблюдается и при изменении режима работы электростанции (например, пуска новых энергоблоков) (Безносов, Суздалева, 2005). Поэтому мы рассматриваем это явление не как деградационный, а как модифицирующий механизм техногенеза (табл. 3.3).

Как показывают результаты наших исследований, проведенных на водоемах-охладителях Курской, Калининской и Смоленской АЭС, доля травмированных и/или погибших организмов при прохождении СТВ редко превышает 50% (Суздалева и др., 2007). В отдельные периоды гибель зоопланктона составляет всего 3-5%, что меньше его выедания рыбами в естественных условиях. По-видимому, объясняется это тем, что при оборотной системе водоснабжения основная водная масса циркуляционного течения периодически проходит через систему охлаждения через относительно короткий период времени. Поэтому виды зоопланктона, в наибольшей степени подверженные травматизму, в таких водах встречаются редко. Об этом свидетельствуют изменения в характере распределения зоопланктона, наблюдающиеся при превращении естественного водоема в водоем-охладитель АЭС (Суздалева, Безносов, 2000). Формы, становящиеся доминантами в водной массе циркуляционного течения, как правило, более толерантны. В связи с этим общий процент травмированных в системе водоснабжения особей зоопланктона в начальный период эксплуатации водоема-охладителя весьма высок, а затем постепенно снижается. Снижение процента гибели зоопланктона по мере развития экосистем водоемов-охладителей отмечено и другими исследователями (Бондаренко и др., 1994). Например, если в начале эксплуатации гибель зоопланктона в системе охлаждения Змиевской ГРЭС (Украина) составляла 75-80%, то в последующий период она снизилась до 20%.

Экологическая оптимизация возможна и в данном направлении путем разработки проектных и эксплуатационных решений, снижающих вероятность гибели организмов во внутренних узлах СТВ.

5. Оптимизация уровня и режима подогрева вод. Данное направление должно базироваться на оценке различных аспектов теплового воздействия и комплексном прогнозе его экологических последствий. Существует несколько видов воздействия подогрева вод на организмы. Во-первых, постоянное тепловое воздействие, не достигающее пороговых значений, вызывающих нарушение жизнедеятельности организмов. В этих пределах искусственный подогрев вод может оказывать стимулирующие влияние на водные организмы и повышать биологическую продуктивность водоема (Топачевский, Пидгайко, 1971; Пидгайко, 1971б). Данный эффект использовался на практике для создания объектов так называемого «рыбоводства на теплых водах» (Итоги…, 1998). Для обозначения подобного теплового воздействия предлагался специальный термин - «калефакция» (нагревание) (Мордухай-Болтовской, 1975), противопоставляемый понятию «тепловое загрязнение», который используется для обозначения негативного влияния искусственного подогрева вод на организмы.

Вместе с тем, следует отметить, что термин «калефакция» изначально подразумевал лишь только отсутствие прямого неблагоприятного воздействия подогрева вод. В этих условиях массовая гибель гидробионтов может происходить в результате косвенного воздействия данного фактора. Прежде всего, это ухудшение кислородного режима в придонных слоях, обусловленное рассмотренным выше явлением термотехногенной стратификации, а также спровоцированное подогревом нарушение жизненных циклов гидробионтов (Суздалева, Безносов, 2001а). Так, у насекомых, личинки которых развиваются в водной среде, искусственное увеличение продолжительности теплого периода приводит к тому, что их массовый вылет в воздушную среду происходит не весной, а осенью, в результате чего они погибают.

Во-вторых, кратковременные повышения температуры до экстремального уровня, сопровождающиеся массовой гибелью гидробионтов вследствие прямого воздействия подогрева. Как правило, такие явления происходят в результате совпадения (комплементарного воздействия) естественного повышения температуры среды в теплое время года и временного увеличения мощности электростанции.

Для подавляющего большинства водных организмов пороговым значением подогрева является температура 40оС (Мордухай-Болтовской, 1975). Данный температурный предел свойственен видам, обитающим в различных климатических зонах. По этой причине даже относительно небольшой скачок температуры в сбросных водах электростанций, расположенных в тропиках, может вызвать уничтожение водных биоценозов на значительных участках.

Экологические последствия подобных температурных скачков в конкретных случаях могут существенно различаться. На основании результатов исследований, проведенных нами на различных российских водоемах-охладителях, была разработана классификация подобных явлений, которая подробно рассмотрена в разделе 5.2.2.

6. Временное понижение температуры на подогреваемых участках до естественного уровня. Также обычно наблюдается при комплементарном сочетании климатических условий и режима работы электростанции (снижение мощности в период минимальных зимних температур). Поскольку эти явления обусловлены непреднамеренным воздействием работы СТВ, их следует рассматривать как форму сопутствующего техногенеза. Практически всегда постоянный искусственный подогрев вод сопровождается биотическим техногенезом. Эти явления носят многоплановый характер, основные аспекты которого мы рассмотрим позже - при обсуждении закономерностей процесса формирования экосистем водоемов-охладителей. В данном контексте интерес представляет развитие в них тепловодных видов, несвойственных данной климатической зоне (Безносов, Суздалева, 2001а). Эти виды условно могут быть подразделены на две группы. Первая - это спонтанноК этой группе условно можно отнести виды, вселение которых осуществлялось человеком в той или иной степени преднамеренно, но не было санкционировано и не преследовало какой-либо практической цели. Например, многие из этих вселенцев - типичные обитатели любительских аквариумов. вселившиеся организмы, нашедшие в водоемах-охладителях благоприятную среду обитания. Вторая группа - это искусственно интродуцированные виды. К ней, прежде всего, относятся рыбы-биомелиораторы, которые акклиматизированы в ряде водоемов-охладителей для борьбы с зарастанием и дрейссеной, а также виды рыб, вселявшиеся в целях нагульного разведения.

Даже кратковременное понижение температуры в зимний период до определенного уровня, который, также как и в случае с нагревом вод можно обозначить как «экстремальный», способно вызвать в водоемах-охладителях массовую гибель тепловодных организмов. Это влечет за собой ухудшение санитарного состояния вод и дестабилизацию экосистемы, сформировавшейся в этих водных объектах. Так, в зимний период 2009 г. в результате временного понижения температуры в водоеме-охладителе Курской АЭС нами наблюдалась массовая гибель тиляпии, огромная массаВодолазами в этот период было извлечено несколько тонн рыбы, что являлось лишь относительно небольшой частью погибших особей. которой в результате последующего повышения температуры начала быстро разлагаться. Аналогичные явления ранее наблюдались и в водоемах-охладителях некоторых ТЭС (Мордухай-Болтовской, 1975). Возникновение таких же событий можно ожидать при снижении уровня подогрева и в других термофицированных водных объектах. Например, прекращение работы Кольской АЭС приведет к исчезновению карпа, в настоящее время обитающего в оз.Имандра (Лукин, 1999). В некоторых водоемах-охладителях умеренной зоны России обширные мелководья обогреваемой зоны покрыты густыми зарослями валлиснерии спиральной, являющейся видом-эдификатором, формирующим среду обитания для всех других существующих здесь организмов. Например, в водоеме-охладителе Смоленской АЭС заросли валлиснерии занимают квадратные километры. Очевидно, что гибель этих растений при понижении температуры в зимний период вызовет экологическую катастрофу. Подобные явления можно рассматривать как разновидность термального загрязнения водной среды, только не «теплового», а «холодового», свойственного некоторым современным видам человеческой деятельности (Безносов, Суздалева, 2001б). Высказывалось мнение о необходимости введения специального природоохранного норматива, ограничивающего пределы понижения уровня подогрева вод (Коткин, 2012).