Экологическое состояние малых рек в геосистемах городов

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................3

1. Теоретический обзор проблемы оценки экологического состояния 
   городских малых рек.........................................................................................5
2. Результаты исследования гидрологических и гидрохимических 
   параметров функционирования р. Болховец в г. Белгороде.........................7

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................10

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................11

ПРИЛОЖЕНИЕ.....................................................................................................12

ВВЕДЕНИЕ

По мере расширения человеческой деятельности все меньше остается ландшафтов, которые формируются исключительно  под действием природных факторов. С развитием научно-технического прогресса в промышленности, сельском хозяйстве уровень антропогенных воздействий увеличивается, а вследствие этого отмечается ухудшение качества рек [10]. Наиболее восприимчивы к антропогенному воздействию малые реки (длиной до 100 км), на долю которых приходится значительная часть поверхностного стока России и большинство рек Белгородской области.

В конце XX века резко усилилась деградация речной сети на юго-западе ЦЧР, проявляющаяся в сокращении протяженности водотоков IV порядка и усиленном накоплении наносов [1] в водотоках V порядка, чему в значительной степени способствовало сооружение прудов в верхних звеньях гидросети и расширение русел в населенных пунктах. Гидрохимическое состояние малых рек в последние десятилетия остается неблагоприятным (преимущественно 3 класс качества) [6], причем в Белгородской области реки более загрязнены, чем в соседних областях Черноземья.

Цель нашего исследования – анализ процессов антропогенной трансформации и поиск путей оптимизации экологического состояния и функционирования малых рек в городских геосистемах.

Основные задачи исследования:

1. обзор подходов к геоэкологической оценке состояния городских малых рек;
2. выявление и анализ индикаторов трансформации гидрологического и гидрохимического функционирования малых рек в условиях городского ландшафта;
3. исследование особенностей городского водосбора реки и инженерно-экологических проблем, связанных с воздействием городского хозяйства на речную экосистему;
4. разработка путей оптимизации экологического состояния, сохранения экологических функций и экологической реставрации экосистем городских малых рек.

Объекты исследования – малые городские реки Белгородской области, включая городские реки на территории ЦЧР.

Предмет исследования – особенности трансформации гидрологических, гидрохимических и гидробиологических параметров городских рек на примере малых рек Белгородской области (включая городские реки на территории ЦЧР).

Материалы исследования: данные литературных источников, научно-техническая документация служб экологического мониторинга, техническая документация управлений городского коммунального хозяйства, результаты собственных исследований.

Исследование предполагает использование следующих методов: комплексной геоэкологической оценки территории, дистанционного зондирования, картографического анализа, статистической обработки экспериментальных данных, математического моделирования, ГИС-технологии.

Планируемой работой  предусмотрено получение новых экспериментальных данных об эколого-геохимическом состоянии малых городских рек, особенностях трансформации русел и гидрологических режимов с использованием современных методов пространственного анализа и экоаналитики. Этим определятся новизна исследования.

Практическая значимость планируемого исследования будет заключаться в том, что его результаты будут использованы в учебных целях (в разработке учебно-методических пособий по дисциплинам «Реставрационная экология», «Экспериментальные методы диагностики окружающей среды», «Компьютерные технологии в охране окружающей среды»), а также организационных – прежде всего, для разработки рекомендаций по экологической реабилитации рек в городской черте.

1. Теоретический обзор проблемы оценки экологического состояния 
   городских малых рек

Малые реки – не только и не столько источник водоснабжения, но и один из основных компонентов  географического ландшафта, имеющий большое экологическое значение. Учитывая, что водность и режим стока малой реки целиком определяются ландшафтами ее водосборной площади и естественные или искусственные изменения в ландшафтах отражаются на состоянии реки, целесообразно изучать не только сами малые реки, но и их бассейны. Это обстоятельство приобрело особенно большое значение сейчас, когда так возросли возможности использования техники в процессе хозяйственного освоения территории. В связи с этим необходимо улучшать координацию научных исследований малых рек и их водосборов, упорядочить и централизовать работы по проектированию и строительству хозяйственных объектов на малых реках и их водосборов, усилить их охрану с учетом не только экономических, но и социальных, в том числе и эстетических аспектов [4].

Особой опасности реки подвергаются в пределах городской  территории, где вследствие изменения поверхностного стока и использования больших количеств воды в коммунальном хозяйстве формируются огромные объемы сточных вод [10]. Участки открытых русел рек в условиях города являются важной составной частью природного комплекса - естественной среды обитания человека. Приступая к реабилитации водоемов урбанизированных территорий, необходимо знать, что представляют из себя долины малых рек как природные объекты, какие идут в них процессы. Надо четко понимать, какие проблемы возникают в условиях городской среды и почему и, наконец, какие варианты их решения могут быть найдены [7].

Немаловажную роль в  формировании экологического состояния  рек играет накопление наносов в донных отложений – техногенных илов, состав которых определяется характером поступающих с водосборов продуктов смыва. Береговая эрозия усугубляется засорением русла наносами и приводит к изменению водности, глубины и ширины реки. Из-за наносов возникают и серьезные экономические проблемы. Отложения заполняют и перекрывают русла ручьев и рек, усугубляя проблемы паводков и береговой эрозии. Донные отложения наиболее адекватно отражают современное состояние водного объекта и несут информацию о его загрязнении вследствие инженерно-хозяйственной деятельности на водосборной территории. Донные отложения поверхностных водотоков и водоемов играют роль аккумулятора, трансформатора техногенного воздействия и являются индикатором его уровня [5]. Аккумулируя тяжёлые металлы, высокотоксичные органические вещества, донные отложения с одной стороны оказывают содействие самоочищению водной среды, тем не менее, с другой – представляют собой постоянный источник вторичного загрязнения водоёмов [11].

Окончательно проблема осадконакопления неразрешима, так как расчищенные участки вскоре вновь заполняются наносами, а очистными работами, где они необходимы, охвачены не все районы. Наряду с затратами на расчистку проблему создает размещение извлеченного материала. Его нецелесообразно складировать рядом с водотоком, так как донный осадок сильно отличается от исходной почвы. Нарушение почвенного покрова распространено настолько широко, что лишь немногие ручьи и реки не пострадали от избыточного осадконакопления. Следовательно, наносы – наиболее опасный их загрязнитель. Загрязняющие вещества, поступающие в поверхностные воды, накапливаются в донных отложениях, создавая вторичное загрязнение рек. В результате возникают экологические риски ухудшения качества воды, изменяются классы качества воды в городской черте и ниже по течению, происходит трансформация водных экосистем [9].

Исследованию экологического состояния малых городских рек  и, в частности, изучению содержания и поведения тяжелых металлов в донных отложениях и воде посвящено немало работ ученых-гидрологов. Соколова О.В. в работе «Экспериментальное исследование и термодинамическое моделирование миграции тяжелых металлов в системе "вода - донные отложения" в зоне антропогенного воздействия» [8] использовала новую расчетную методику термодинамического моделирования, позволяющую на основе эмпирической информации по формам нахождения ТМ в осадках рассчитывать межфазовые распределения металлов в системе "раствор - донные отложения". Была разработана комбинированная равновесно-динамическая модель, основанная на принципе проточного ступенчатого реактора, позволяющая прогнозировать распространение загрязнения Zn, Pb и Cu в малой реке. В работе Лубковой Т.Н. в «Оценка и прогноз техногенного загрязнения локальных экосистем химическими элементами на основе балансовых расчетов» [3] разработана модель и предложено уравнение, позволяющее проводить оценку загрязнения донных отложений химическими элементами, аккумулирующимися в снежном покрове. В.И. Косов, Г.Н. Иванов, В.В. Левинский занимались исследованиями загрязнения тяжелыми металлами донных отложений Верхней Волги [2], количественно охарактеризовали степень техногенной нагрузки на водный объект показателем накопления.

Существует огромный объем данных, констатирующих ухудшение качества воды под влиянием урбанизированных систем, но при этом отсутствует детальная оценка источников этого загрязнения, их распределения во времени и пространстве. А это препятствует разработке эффективных мероприятий по охране поверхностных вод. Важным условием является необходимость детализации оценки воздействия всех уровней урбогеосистемы на поверхностные воды [9]. Кардинальное решение проблемы снижения антропогенных воздействий на водную среду может быть достигнуто только комплексом мероприятий природоохранного характера с оптимизацией их с точки зрения экономики и комплексной оценки водной экосистемы в целом.

2. Результаты исследования гидрологических и гидрохимических 
   параметров функционирования р. Болховец в г. Белгороде

В предыдущих исследованиях нами были изучены основные характеристики геоэкологического состояния, гидрологические, гидробиологические и гидрохимические особенности режимов функционирования малых рек в городских геосистемах. Объектом исследования являлась малая река Болховец, протекающая в черте города Белгорода. В частности, был проведен анализ гидрохимических, биоиндикационных и гидрологических исследований, построены трехмерные модели исследуемых участков искусственных расширений русла реки Болховец, определена интенсивность водообмена в каждом из них, составлены карты глубин и оценена потенциальная опасность заиления данных водоемов, дана геоэкологическая характеристика реки в участках искусственного расширения русла на основе исследования химического состава воды и донных отложений.

По результатам наших исследований были получены фактические данные, отражающие экологическое состояние городского участка реки Болховец. В частности, на основе данных химического анализа проб воды в р. Болховец, а именно, в створах искусственного расширения русла «Квадрат», было установлено, очищающая способность подобных расширений достаточно эффективна весной в отношении взвешенных частиц, но мало способствует очистке от растворенных органических веществ. Биоиндикационные исследования показали, что вода в реке Болховец соответствует 3-му и 4-му классам качества – умеренно загрязненная в пределах расширений русла «Квадрат» и «Парк Победы», загрязненная на участке «Университетская набережная».

Анализ трехмерных моделей  дна русла реки позволяет говорить о снижении скорости водообмена в реке. В 2007-2008 годах наибольшая скорость водообмена наблюдалась на участках «Квадрат» и «Парк Победы» – 32,5 м³/ч и 30 м³/ч, соответственно, наименьшая – на участке «Университетская набережная» - 13,6 м³/ч. В наибольшей степени заилено дно расширения русла на месте впадения р. Гостянка («Квадрат»), а наиболее интенсивное образование отмелей происходило в водоеме парка Победы. Однако, в 2009 году во втором водоеме (участок «Парк Победы») проводились очистные работы по удалению донных отложений при помощи земснаряда, а в настоящее время проводятся на участке «Квадрат».

На протяжении всего  городского участка реки Болховец (по данным рентгенфлуоресцентного анализа) наблюдается накопление в донных отложениях тяжелых металлов, таких, как Zn, Ni, Cu, Pb, As, Co. По данным зимних исследований (февраль 2010 года), в наибольшей степени загрязнены участки расширений русла реки «Расширение 2» и «Диорама». Важным источником поступления ТМ является ливнесток с территории города Белгорода. Как показали исследования, вместе с ним в реку поступает огромное количество цинка и свинца, многократно превышающее их предельно допустимые концентрации.

Результаты проведенных  исследований позволяют рекомендовать  проведение мероприятий по очистке и предотвращению дальнейшего загрязнения реки. В числе таких мероприятий должна стать регулярная расчистка речного русла от донных отложений в местах их активного накопления при помощи земснаряда небольшой мощности. Проведенные нами исследования позволяют говорить о высокой эффективности такой очистки – сравнение очищенного и неочищенного участков русла реки («Университетская набережная» и «Квадрат», соответственно, в 2008 году) показало высокую разницу в количественном содержании тяжелых металлов в донных отложениях данных участков. Однако, с экологической точки зрения, такие мероприятия могут повлечь за собой деградацию речной экосистемы как природного объекта – вследствие уничтожения гидробионтов и нарушения трофических связей, – превратив ее тем самым в техногенный объект, полностью управляемый человеком.

В отношении предотвращения дальнейшего поступления в реку загрязненных тяжелыми металлами стоков и, как следствие, накопления загрязненных донных отложений, могут быть предложены технические мероприятия по обустройству водоохранной зоны реки – прежде всего, создание на крупных ливнестоках резервуаров, выполняющих функцию первичных отстойников (песколовок), которые предотвратят поступление крупнодисперсных наносов в реку.

Как показали наши исследования, русло реки Болховец в урбогеосистеме Белгорода испытывает значительное антропогенное воздействие, вызывающее трансформацию ее гидрологического и гидрохимического режимов. Тенденции развития экосистемы городской реки таковы, что в случае полного прекращения проведения технических мероприятий по ее благоустройству и расчистке она перейдет в компенсационный режим функционирования, который будет сопровождаться процессами эвтрофикации, заиления дна, накоплением наносов и, как следствие, уменьшением водообмена и формированием застойного (болотного) режима. Всё это, безусловно, способствовало бы повышению эффективности естественных механизмов самоочищения; река Болховец и в таком случае выполняла бы функцию очистки воды от городских стоков, предотвращая их попадание в реку Северский Донец. Однако, в условиях города данный подход неприемлем – река, выполняя эстетическую и рекреационную функцию, играя роль экологического каркаса города, нуждается в осуществлении комплекса водоохранных и эколого-реабилитационных мероприятий не только инженерно-технического, но и ландшафтно-планировочного характера.

С целью экологической  оптимизации дальнейшего функционирования реки в геосистеме города необходим  поиск и установление баланса  между поддержанием естественных природных  механизмов функционирования экосистемы реки и проведением комплекса инженерно-технических мероприятий по благоустройству, экологической реставрации водоохранной зоны реки и реконструкции ее русла. Решить проблему деградации реки может только комплексное водоохранное обустройство ее бассейна на всем протяжении.

Основные результаты данных исследований опубликованы в открытой печати (4 публикации), использованы при подготовке отчета по хоздоговорной тематике «Геоэкологическая оценка функционирования р. Везелка в условиях городского ландшафта» (тема № 63-07), реализованы в проекте «Живи, Везелка!» (2008-2009 гг.); результаты проведенных исследований были использованы при выполнении проектов по грантам: конкурсу НОЦ «Фундаментальные проблемы геоматики в науке, образовании и управлении» в 2007 году (научная работа на тему: «Морфология русел рек как фактор их самоочищения») и по внутривузовскому конкурсу 2009 года для аспирантов, магистрантов и студентов Белгородского государственного университета на соискание грантов на проведение исследований по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники (научная работа на тему «Эколого-геохимические исследования процесса осадконакопления в искусственных расширениях русла городской реки (на примере реки Болховец)».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Малые реки значительно  быстрее, чем средние и тем  более большие реки, меняют качество и количество своих вод под  влиянием техногенных нагрузок. В городской экосистеме, где темпы и степень антропогенной нагрузки оказывают значительное влияние на условия формирования стока и качество воды, малые реки претерпевают кардинальную трансформацию гидрологического, гидрохимического и гидробиологического режимов функционирования. В данной ситуации возникает необходимость поиска путей экологической реставрации малых городских рек, которая позволила бы предотвратить дальнейшую деградацию рек и сохранить их функции как экологического каркаса города.

Приступая к экологической реабилитации водоемов урбанизированных территорий, необходимо знать, что представляют из себя долины малых рек как природные объекты, какие идут в них процессы; четко понимать, какие проблемы возникают в условиях городской среды и почему и, наконец, какие варианты их решения могут быть найдены.

В перспективе дальнейших исследований нами предусмотрено проведение мероприятий по выявлению и анализу индикаторов трансформации гидрологического и гидрохимического функционирования малых рек в условиях городского ландшафта. Для решения данной задачи будут применены современные методы гидрологических и гидрохимических исследований, в частности,  использование ГИС-технологий и новейшего лабораторного оборудования по определению химических элементов в донных отложениях и воде. В продолжение исследований планируется также обследование городского водосбора реки с целью выявления инженерно-экологических проблем, связанных с воздействием городского хозяйства на речную экосистему. Заключительным этапом исследований будет разработка путей оптимизации экологического состояния малых городских рек на основании поиска и установления баланса между сохранением и поддержанием экологических функций и проведением комплекса мероприятий по экологической реставрации экосистем городских малых рек.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дегтярь А.В. Освоение территорий и деградация рек Белгородской области (на примере бассейнов Врсклы и Везелки) / А.В. Дегтярь // Историческая геоэкология, география и природопользование: новые направления и методы исследования: материалы II междунар. науч. конф. – СПб.: Изд-во РГГМУ, 2002. – С. 91-92.
2. Косов В.И., Иванов Г.Н., Левинский В.В. Исследования загрязнения тяжелыми металлами донных отложений Верхней Волги // Рациональное природопользование и экология  – Режим доступа: http://www.tstu.tver.ru/transactions/years/year_2002/ar_02_01_01.pdf
3. Лубкова Т.Н. Оценка и прогноз техногенного загрязнения локальных экосистем химическими элементами на основе балансовых расчетов // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук, 2007 г. – Режим доступа: http://geo.web.ru/db/msg.html?mid=1178357&uri=index.html
4. Малые реки. Вопросы географии. Сб.118, М.: 1981. – 195 с.
5. Моделирование эрозионных процессов на территории малого водосборного бассейна / А.С. Керженцев, Р. Майснер, В.В. Демидов и др.; [отв. ред. А.С. Керженцев, Р. Майснер] ; Ин-т фундамент. проблем биологии РАН. – М.: Наука, 2006. – 224 с.
6. Петин А.Н. Анализ и оценка качества поверхностных вод: учеб. пособие / А.Н. Петин, М.Г. Лебедева, О.В. Крымская. – Белгород, Изд-во БелГУ, 2006. – 252 с.
7. Попов М.А., Перетятько И.Б., Ежов П.Н. К вопросу охраны малых рек России // «Роль природообустройства в обеспечении устойчивого функционирования и развития экосистем»  Материалы международной научно-практической конференции, - Москва, 2006 г. – Режим доступа: http://www.msuee.ru/science/1/sb-06.files/1_90_sb_06.html
8. Соколова О.В. Экспериментальное исследование и термодинамическое моделирование миграции тяжелых металлов в системе "вода - донные отложения" в зоне антропогенного воздействия // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук, 2008 г. – Режим доступа: http://geo.web.ru/db/msg.html?mid=1179972&uri=index.html
9. Степанова Н.Ю., Петров А.М., Латыпова В.З., Шагидуллин Р.Р. и Габайдуллин А.Г. (2000). Экологические критерии управления нагрузкой на водоем. Экологич. xимия. 9, 38–48.
10. Фильчагов Л.П., Возрождение малых рек / Л.П. Фильчагов, В.В. Полищук. – К.: Урожай, 1989. – 182 с.
11. Янин Е.П. Техногенные илы в реках Московской области (геохимические особенности и экологическая оценка). - М.: ИМГРЭ, 2004. – 94 с.

Приложение 1

Список

научных работ

Прядко Марии Павловны