Институт проблем промышленной экологии Севера Кольского
advertisement
Т.И.Моисеенко ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ ЕВРО-АРКТИЧЕСКОГО РЕГИОНА И КЛЮЧЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИЗМЕНЕНИЯ ИХ КАЧЕСТВА Институт проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН Водные ресурсы среди природных образований имеют наиболее широкое использование – как источники питьевого и технического водоснабжения, в целях рекреации и водного транспорта, гидроэнергетики, для добычи и воспроизводства ценных видов рыб, как приемники и утилизаторы различных промышленных и хоз-бытовых сточных вод. Поэтому воды суши можно рассматривать в трех взаимоувязанных аспектах – необходимое условие жизни человека и всего живого на планете, ресурс для сельскохозяйственных и промышленных производств, утилизационные мощности по конечной переработки всех отходов жизнедеятельности. Вследствие своего многоцелевого назначения воды суши находятся в числе тех компонентов природы, сознательные преобразования или попутные изменения которых на планете наиболее существенны. Сохранение высокого качества и достаточного количества водных ресурсов является первоочередным условием устойчивого развития России и сохранения здоровья нации. Регионы Севера имеют высокую количественную обеспеченность водными ресурсами, для примера – на Кольском Севере насчитывается 2495 озер, общей площадью 1575км2 , 1379 рек, общей длинной 4761км, около 14 % суши покрыто водным зеркалом (Ресурсы…, 1971). Вместе с тем, загрязнение природной среды, являющееся следствием освоения минеральносырьевых ресурсов и развития горной и металлургической индустрии в регионе, приводит к качественному истощению водных ресурсов. Свойства вод - понятие «качества вод» Под качеством вод понимают совокупность физических, химических и биологических свойств воды с учетом требований конкретных водопотребителей. Уже в самом определении «качество» заложена качественная характеристика свойств вод для различных целей, выражающая в экспертных оценках – чистая, загрязненная, сильно загрязненная и т.д. Предлагается ряд классификационных схем, позволяющих с определенной долей условности по физико-химическим или гидробиологическим показателям отнести водный объект к определенному классу качества. Критерии качества вод разных водопотребителей различны в соответствии с их целями. Наиболее жесткие требования отражены в нормативах "Предельно допустимых концентраций для рыбохозяйственных водоемов (ПДКрбхз)". Свойства вод формируются в результате сложных процессов на водосборе и в водоеме: 1) физико-химических – химическое выветривание, атмосферное поглощение, фильтрация, миграция, адсорбция, десорбция элементов и т.д. 2) биологических - биохимических, микробиологических, биофильтрационных. Относительная стабильность свойств вод и их цикличная (сезонная и др.) повторяемость на протяжении определенного времени в конкретных водоемах поддерживается за счет динамического равновесия указанных процессов. С точки зрения экологической парадигмы, вода – это жизненно необходимый ресурс для всех живых организмов и среда обитания для водных организмов. В процессе своей жизнедеятельности организмы, используя воду как ресурс и среду обитания, активно влияют на ее свойства, в ряде случаев играя определяющую роль. Вода – биокостное тело. Возникает дискуссионный вопрос – по отношению к чему или кому определенные свойства вод носят качественную оценку? Водопотребители оценивают качество вод субъективно с позиций своих интересов. Для промышленного водопользования, питьевого водоснабжения, естественного или искусственного воспроизводства рыб критерии качества вод будут существенно отличаться. В системе санитарной службы качество вод оценивается с точки зрения сохранения здоровья человека. Однако, если сопоставить предельно допустимые концентрации токсичных компонентов для рыбохозяйственных водоемов (ПДКрбхз) и источников питьевого водоснабжения (ПДКсан), то последние значительно мягче как в России, так и зарубежных. Приведем пример по ПДК для меди, в первом случае ее концентрация 0,001 мг/л, во втором – 1 мг/л. Связано это с большей чувствительностью гидробионтов к токсичным компонентам в силу более высокого уровня метаболизма в водных системах и большей зависимостью гидробионтов от факторов водной среды. Таким образом, принимается, что если свойства вод отвечают требованиям существования и воспроизводства наиболее чувствительных водных организмов, то качество вод соответствует требованиям и сохранения здоровья человека. В процессе жизнедеятельности организмы предъявляют определенные требования к ее свойствам. Эти требования могут существенно отличаться. Для примера, если в фоновые южные озера с характерными для них свойствами даже при соблюдении идентичных температурных условий переместить типичные северные виды, адаптированные к низкоминерализованным, олиготрофным водам, то очевидно, данное качество вод не будет для них "хорошим" и наоборот. Абстрагируясь от субъективных требований к качеству вод и исходя из изложенного очевидно, что более универсальным определением будет характеристика с позиций экосистемного подхода: "Качество вод - это физико-химические свойства вод, которые отвечают требованиям существования и воспроизводства видов, адаптированных в процессе эволюционного развития к существованию в условиях конкретного водоема" Природные особенности формирования качества вод арктического бассейна Климатические условия Арктического бассейна обуславливают ряд специфических особенностей формирования качества вод, обуславливающих их уязвимость к антропогенным нагрузкам. Питание озер и рек в большей степени определяется атмосферными осадками, до 75 - 90% годового стока приходится на весеннее половодье и летне-осенний дождевой паводок. Аккумуляция атмосферных выпадений в снежном покрове происходит в течение длительной полярной зимы (6-8 месяцев), и в короткий период весеннего половодья они стремительно поступают -“обрушиваются” в водосборные бассейны. Во время снеготаяния почва находится в промерзшем состоянии, так что ее верхний слой практически водонепроницаем в течение почти всего периода снеготаяния. Слабое развитие растительности и тонкий почвенный покров обеспечивают высокий дренаж выпадающих осадков в летнее время. Следствием преобладания выпадений над испарением и замедленных процессов минерализации органического вещества является наличие большого количества верховых мелких заболоченных озер с высоким содержанием гумуса и природно-кислыми водами, так называемых “Wetland pond”. Формирование поверхностного стока в условиях избыточного увлажнения обуславливает низкую минерализацию и олиготрофный характер вод, так как коренные породы мало выщелачиваются, четвертичные отложения сильно перемыты, почвенный покров тонок. Низкие среднегодовые температуры воздуха ослабляют процессы водной эрозии, следствием этого является низкая минерализация воды; а неразвитость почвенного покрова делает геохимический состав подстилающих пород определяющим фактором в формировании гидрохимии поверхностных вод. Таким образом, в регионах Кольского Севера преимущественно формируются олиготрофные, пресные и ультрапресные воды. В этих условиях миграционная способность поллютантов с водосбора высока, их циклирование в водоемах более продолжительно, ионное равновесие неустойчиво и токсичные воздействия в слабоминерализованных водах много выше. Низкое видовое разнообразия и короткие пищевые цепи способствуют быстрому продвижению ксенобиотиков к конечным продуцентам - рыбам и соответственно - их потребителям. Антропогенная нагрузка на водосборы Кольский Север в силу уникальности и богатства минерально-сырьевых ресурсов имеет высокоразвитый промышленный потенциал, значительно превышающий все другие субарктические регионы в мире. Здесь сосредоточены мощные горно-перерабатывающие и металлургические предприятия, построена АЭС на прямоточной системе охлаждения, созданы города и поселки. Тысячи тонн минеральных солей (сульфатов, хлоридов), взвешенных веществ, биогенных элементов, сотни тонн тяжелых металлов поступают в озера со стоками горнопромышленного комплекса. Ситуация усугубляется выпадением на территорию их водосбора тяжелых металлов и кислых осадков из загрязненной атмосферы. Блок схема антропогенных воздействий на поверхностные воды Крайнего Севера представлена на рисунке 1. А Н Т Р О П О Г Е Н Н Ы Е Ф А К Т О Р Ы Сточные воды металлургических и горноперерабатыва ющих предприятий Дымовые выбросы промпредприятий Взвеси, минеральные соли и др. Токсичные металлы и органические соединения Кислые осадки Хозбытовые стоки городов и поселков Подогретые воды АЭС Биогенные и органические вещества Подогрев воды, удлинение вегетационного периода Изменение ионного состава вод, рост минерализации и мутности: нарушение обмена веществ у беспозвоночных и рыб. Токсикофикация: гибель организмов от острой и хронической интоксикации. Ацидификация: угнетение водной фауны, гибель икры и личинок рыб в период весеннего "рН-шока". Эвтрофикация: интенсивное развитие водорослей и устойчивых к загрязнению гидробионтов Термофикация: активизация биохимических процессов, гибель стенотермных и развитие эврибиотных видов. Рис. 1. Блок-схема антропогенных нагрузок на водные экосистемы Субарктики (Моисеенко,1997) Нарастание антропогенной нагрузки шло с 30-х до 80-х годов, параллельно с увеличением мощности производств. Предпринятые небольшие усилия по вводу в эксплуатацию очистных сооружений и частичного водооборота не приводили к заметному улучшению экологической обстановки в озерах, загрязнение продолжало увеличиваться и достигло максимума в 1985-1990 г.г. В последние десятилетие спад производств, особенно на апатитовых и медно-никелевых предприятиях, вызванный экономическим кризисом в стране, привел к сокращению объемов сброса в водоемы и выбросов в атмосферу, что снизило уровень загрязнения природных вод и улучшило их качество. Существующие нормы предельно допустимых концентраций (ПДК) в России ориентированы на водоемы средней полосы страны, как и стандарты для поллютантов в большинстве других стран мира, и практически не учитывают специфику и высокую уязвимость природы северных вод. К тому же сама система ПДК далека от совершенства. Осуществляемый мониторинг качества вод как в России, так и за рубежом концентрируется на измерении содержания элементов антропогенного происхождения (чаще токсикантов) без учета всего комплекса превращений физико-химических показателей водоемов и сложных процессов формирования качества вод под влиянием антропогенных нагрузок как регионального, так и глобального характера. Основные антропогенно-обусловленные процессы в водной среде и изменения качества вод Преобразование водосборов, трансграничные потоки, индустриальные и хоз-бытовые прямые сбросы, неорганизованные стоки приводят к изменению геохимических циклов элементов в системе водосбор - водоем, евтрофированию, закислению, появлению токсичных компонентов в водной среде, что в конечном итоге снижает потенциал водных ресурсов для жизнеобеспечения населения и поддержания возобновимой биологической продукции в регионе. С целью формирования представления о современных тенденциях преобразования качества вод Евро-арктического региона обобщены материалы широкомасштабных исследований, выполненные в 1995 в рамках международного проекта «Survey Lakes» по единой методологии со странами Северной Европы. Было обследовано около 4000 озер, из них 460 на Кольском Севере. Детально методы и принципы регионального исследования качества вод в рамках совместного проекта представлены в работе (Henriksen et al., 1997). Привлекались также оригинальные результаты углубленных исследований процессов закисления (Моисеенко, 1998), евтрофирования (Моисеенко и др., 2001) и токсичного загрязнения вод металлами (Moiseenko, 1999), на характеристике которых мы остановимся. В таблице 1 представлены данные по основным параметрам качества вод Кольского Севера в сопоставлении с другими странами Евро-Арктики Финляндии, Швеции и Норвегии. Проблема загрязнения вод тяжелыми металлами. Основными источниками загрязнения поверхностных вод металлами являются горно-обогатительные и металлургические производства. Особую опасность для региона представляют предприятия по производству цветных металлов – комбинаты «Североникель» и «Печенганикель», которые сбрасывают сточные воды с высоким содержанием металлов в водоемы, соответственно в озеро Имандра и Куэтсиярви, где концентрации Ni и Cu многократно превышают ПДК. В составе пылевой эмиссии металлы распространяются на расстояния и выпадают на водосборы. Высокие концентрации металлов (> 10мкг/л) ограничиваются 30 км зоной вокруг плавильных цехов (рис. 2). Вскрышные породы, отвалы руд, “хвосты” обогащения являются также источником техногенной миграции многих элементов, приобретающих особую опасность в окружающей среде. Положение усугубляется кислотными выпадениями, которые приводят к повышенному вымыванию металлов из природных и техногенных геохимических аномалий. Среди аккумулированных тяжелых металлов в геосистемах арктического бассейна представлены все три группы степени токсичности. К веществам с высокой степенью опасности относятся: Hg, As, Pb, Cd, Zn. Преобладающие в выбросах предприятий цветной металлургии в Заполярье металлы: Cu, Co, Ni, Cr относятся к группе менее опасных веществ. Таблица 1. Распределение основных показателей химического состава поверхностных вод (по накопленным процентам) Кольского Севера и стран Северной Европы (Henriksen et al.,1997) рН Финляндия Норвегия Швеция Кольский Север 2.5% 5,12 4,72 4,86 4,49 10% 5,68 5,07 5,76 4,80 25% 6,19 5,67 6,40 5,92 50% 6,58 6,36 6,75 6,45 75% 6,90 6,92 7,03 6,79 90% 7,08 7,30 7,30 7,11 97.5% 7,29 7,66 7,68 7,34 (Сa + Mg + Na + K), мкэкв/л Финляндия Норвегия Швеция Кольский Север 2.5% 49 5 30 28 10% 130 14 71 51 25% 173 33 138 95 50% 240 79 226 172 75% 352 193 392 277 90% 490 367 701 391 97.5% 753 846 1504 1019 Щелочность, мкэкв/л Финляндия, n=873 Норвегия, n=1006 Швеция, n=3075 Россия (Кольский), n=460 2.5% -6 <0 -23 <0 10% 22 <0 10 <0 25% 53 8 49 32 50% 111 36 119 79 75% 181 123 223 170 90% 278 298 446 266 97.5% 521 667 1081 558 SO4, мкэкв/л Финляндия Норвегия Швеция Кольский Север 2.5% 15 6 12 1 10% 23 10 18 10 25% 34 15 26 20 50% 57 26 41 36 75% 106 45 85 65 90% 155 80 162 106 97.5% 250 142 317 352 РОВ, мгС/л Финляндия 2.5% 1,72 10% 3,57 25% 5,36 50% 7,64 75% 11,56 90% 15,74 97.5% 22,90 Норвегия Швеция Кольский Север <0,2 0,69 2,22 0,22 1,76 3,51 0,58 3,35 4,86 1,87 6,07 7,62 4,38 9,33 11,82 7,33 13,03 17,36 10,54 19,73 26,92 Nобщ, мкг/л Финляндия Норвегия Швеция Кольский Север 2.5% 119 36 118 66 10% 191 51 179 94 25% 281 80 270 135 50% 401 138 402 201 75% 556 240 644 299 90% 746 368 953 478 97.5% 1000 568 1423 848 Pобщ, мкг/л Финляндия Норвегия Швеция Кольский Север 2.5% 2 <1 3 1 10% 4 <1 4 2 25% 7 1 6 3 50% 13 2 9 6 75% 22 5 14 10 90% 33 8 21 20 97.5% 59 19 37 49 На примере детальных исследований на Кольском Севере обоснованы основные положения, характеризующие особенности миграции и круговорота техногенно-привнесенных металлов в поверхностных водах арктического бассейна. Основной формой техногенной миграции металлов – Ni, Cu, Mn, Sr, Fe, Al, Co, Cr, Cd, Pb и As является ионная (как в составе стоков металлургических производств, так и аэротехногенных потоков). Содержание лабильных (ионных) форм металлов в водах Севера значительно превышает количество связанных и закомплексованных вследствие чрезвычайно низкой комплексообразующей способности вод в регионах Субарктики – сумма нелабильных форм рассматриваемых элементов в среднем (для примера по озеру Имандра) не превышает 20 мкг/л, что составляет менее 15% от общего содержания элементов. Основной причиной низкой комплексообразующей способности является чрезвычайно малые содержания взвешенных частиц (<1 мг/л) и органических веществ в воде олиготрофных озер Кольского Севера (< 4,5 мг/л). По нашим данным 1 мг/л органического вещества может связать до 7 мкг/л условного металла. Рис. 2. Распределение концентрации никеля (мкг/л) в воде озер, 1995 год Дефицит органических лигандов приводит к конкурентному связыванию с ними металлов, т.е. при низких концентрациях органического вещества, в первую очередь, будет связано железо (для вод Кольского Севера 80-95% органических лигандов расходуется на комплексы с железом), затем медь и Аl, остальные элементы находятся в виде ионов (что согласуется с данными прямых измерений). Поглощение металлов фитопланктоном даже в период летней вегетации не более 30% от содержания элемента во взвешенной фракции, которая в целом низка и варьирует для различных металлов. В условиях эвтрофирования в периоды открытой воды и высокого насыщения вод кислородом биопоглощение элементов водорослями может несколько возрастать. Однако в зимний подледный период при появлении кислородного дефицита в придонных слоях воды резко увеличивается значимость процессов десорбции на границе вода – донные отложения, которые увеличивают концентрацию ряда элементов многократно. Данный феномен достаточно хорошо известен для меди и железа, последними исследованиями показано, что в этот процесс вовлекается большой спектр металлов – концентрация элементов в придонных слоях увеличивается, например для Ni, Mo, Cr , Bа, As до 10, Pb, Cu, Hg – до 5 раз (Moiseenko,1999). В условиях закисления содержание ионных форм металлов возрастает вследствие ускоренного вымывания кислыми осадками элементов из слагающих пород, высвобождения из донных отложений и минеральных частиц. В последние годы доказано, что не столько низкие значения рН, а ионные формы Аl оказывают токсичное влияние на биоту (Rosseland and Staurnes, 1992). Для других металлов этот феномен также очевиден. В восточных тундровых озерах Кольского Севера (условно фоновые районы), где отсутствует индустрия, содержания многих элементов в кислых озерах высокое по сравнению с водоемами, где рН вод близки к нейтральным. При высокой буферной емкости пород рН может сохранять нейтральные значения, однако под влиянием кислых дождей в озера поступают элементы, создающие там высокие концентрации лабильных форм металлов по сравнению с природными значениями. В пределах Кольского п-ова в озерах в Хибинских горах, где породы легко подвержены химическому выветриванию, отмечаются аномально высокие концентрации стронция и алюминия (до 400 мкг/л). Особенно критическая ситуация создается в северных регионах в период половодья, когда талые снеговые воды с высоким содержанием протонов стремительно поступают в водосборные бассейны. Резкое снижение рН сопровождается увеличением содержания элементов за счет их ионных форм (Моисеенко и др., 1996). Экологический риск от загрязнения вод металлами зависит от их концентрации, форм нахождения и особенностей поведения, комбинаций и сопутствующих факторов (закисление, эвтрофирование). В его оценке можно выделить два аспекта: непосредственное токсичное действие на водные организмы и способность накапливаться в живых организмах, вызывая отдаленные негативные последствия. В настоящее время сложно оценить токсикологические свойства всех металлов и вклад каждого из них – в геохимических или техногенных аномалиях одновременно на живые организмы воздействует широкий спектр металлов. Поскольку металлы в тех или иных концентрациях всегда присутствуют в окружающей среде, важно определить до каких пределов повышение их уровня можно допускать без риска для животных и человека. Эта задача особенно сложно решается по отношению к металлам, которые в микроколичествах свойственны и даже необходимы для живых организмов. Для Кольского региона нами рассчитан и отражен на картосхеме показатель, отражающий суммарную дозу воздействия металлов в водных системах. Вокруг металлургических комплексов экологический риск связан с прямым распространением пылевых выбросов от плавильных цехов комбинатов “Североникель” и “Печенганикель”. В отдаленных восточных регионах риск возникает вследствие опосредованного выщелачивания ионных форм металлов кислотными осадками. Проблема закисления вод. Антропогенное закисление вод развивается вследствие поступления кислот из загрязненной диоксидом серы и оксидами азота атмосферы на площадь водосбора и их сухого поглощения (Израэль и др., 1989). Интенсивность развития закисления определяется двумя условиями: а) уровнем антропогенной нагрузки с учетом фактора продолжительности действия и б) природной чувствительностью территории. На Кольском Севере России (северо-восточная часть Скандинавского щита) функционируют мощные медно-никелеевые комбинаты «Североникель» и «Печенганикель». Суммарная эмиссия техногенной серы превышает 500 тыс. тон, а природные условия формирования вод на большей части территории характеризуются как уязвимые к кислотным нагрузкам (Моисеенко, 1997). Техногенное закисление вод проявляется: 1) в снижении рН малых озер автономных ландшафтов - 5,6% исследованных озер имели рН вод < 5; 2) в стремительном развитии «рНшока», когда в течении короткого периода интенсивного снеготаяния рН вод малых ручьев резко снижается до 4.7-4.4, а щелочность, даже при исходной высокой буферной емкости, принимает нулевое значения; 3) в устойчивых трендах нарастания сульфатов и снижения буферной емкости крупных водосборов за последние 50 лет – каждые 10 лет содержание гидрокарбонатов, в среднем для рек Кольского Севера снижается на 5 мкэкв/л, что свидетельствует о глубоких преобразованиях всей водосборной системы (Moiseenko, 1994). Следует отметить, что в радиусе 30-40 км вокруг металлургический комплексов при выпадении техногенной серы 1,8–2.2 гS/м2год для большей части водных объектов становится характерен процесс подщелачивания вод, как следствие распространения здесь пылевой эмиссии и высокой буферной емкости слагающий пород. Однако, на возвышенностях и в удаленных районах, где геологическое строение представлено гранито-гнейсовыми формациями, при уровне выпадения техногенной серы 0.4-0.6 гS/м2год, встречаются техногенно-закисленные озера с низкой цветностью и значениями рН 4-5 (рис. 4). Это свидетельствует о ведущем значении геологического строения в развитии процесса. Рис.3. Распределение интегрального показателя токсичного загрязнения вод металлами (I tox), рассчитанного по методу (Moiseenko,1999). Наиболее критическая ситуация формируется вокруг металлургических комплексов и связанна с распространением металлов в составе пылевой эмиссии, в отдаленных восточных районах – с опосредованным их выщелачиванием. Рис. 4. Содержание техногенных сульфатов и показателя рН в воде озер Кольского Севера. Максимальные концентрации сульфатов характерны для вод вокруг металлургических комбинатов. Их влияние распространяется на 1/3 территории. Низкие значения рН мозаично распределены, чаще характерны для северо-восточной тундровой зоны. Известно, что в природных условиях, особенно в северных заболоченных и лесных водосборах, распространенны обогащенные гумусом озера с низкими значениями рН. Поэтому, чрезвычайно важно понимание механизма закисления вод и взаимосвязь природных и техногенных факторов в развитии этого процесса. На примере изучения эпизодического закисления ручьев различных типов водосборов (горного, горно-лесного, лесного, заболоченного, тундрового, прибрежного) установлено, что закисление вод контролируется следующими основными факторами: 1) поступление серной кислоты из природных геологических или антропогенных источников (приоритет последних очевиден); 2) разбавление вод более кислыми низкоминерализованными атмосферными выпадениями в процессе снеготаяния или дождевого паводка; 3) поступление азотной кислоты с осадками или естественное ее высвобождение из верхнего органогенного слоя почв; 4) поступление органических кислот из почв и болот, расположенных на водосборе; 5) появление соляной кислоты в воде ручьев вследствие ионнообменных превращений морских аэрозолей на водосборах прибрежных зон (Моисеенко, 1998). Jeffrey et al. (1992) отмечал большое значение времени действия кислотной нагрузки и степени изменения природного состояния водосбора для развития процесса закисления вод. Длительная антропогенная нагрузка сульфатов на водосборы, бесспорно, приводит к изменению химического состава почв, почвенных и грунтовых вод, постилающих пород. Под влиянием кислотных нагрузок на лесные водосборы более интенсивно происходит опад и минерализация листвы, что в свою очередь приводит к более высокому уровню выноса гумусовых кислот в водные объекты и снижению рН. Обеднение почв обменными основаниями способствует поглощению натрия на водосборе и высвобождению соляной кислоты в водные объекты. Поэтому, влияние последних двух факторов усиливается под влиянием длительных кислотных нагрузок на водосборы и может являться их опосредованным эффектом. Таким образом, закисление вод развивается вследствие сложного взаимодействия техногенных и различных природных факторов, определяющий вклад которых может меняться в зависимости от типа водосбора и условий формирования вод, связь между выпадением техногенной серы и степенью закисления вод не имеет прямой зависимости. Вместе с тем, для определения допустимых поступлений кислотообразующих веществ на водосборы необходим метод, позволяющий учесть сложный механизм развития процесса под воздействием прямых и опосредованных факторов и предсказать реальную ситуацию с закислением вод. Расчет критических нагрузок по фактору закисления показал, что почти 50% территории Кольского Севера имеет низкую буферную емкость к кислотным выпадениям, критические нагрузки превышены не только для ряда озер в регионах, где выпадение техногенной серы превышает 1 гS/м2год, но и в отдаленных тундровых районах, где выпадения значительно меньше (< 0,5 rS/м2год), но природные условия формирования вод более уязвимы. Ситуация с закислением вод на Кольском Севере сопоставима с северными европейскими странами (табл. 2): в Норвегии для - 27% озер нагрузки кислот превышены, для Дании, Финляндии и Швеции – 9% озер, для Кольского Севера России – для 17%. (Henriksen et al., 1997). Таблица 2 Распределение значений критических нагрузок и их превышений (по накопленным процентам, в мкэкв/м2год) в различных странах северной Европы (Henriksen at al.,1997) 2.5 Финляндия Норвегия Швеция Россия, Кольский п-ов Финляндия Норвегия Швеция Россия, Кольский п-ов 10 25 50 75 90 Критические нагрузки 15 32 46 63 86 117 7 15 28 56 115 271 9 21 39 61 107 215 7 17 36 57 86 126 Превышение критических нагрузок -169 -94 -59 -36 -16 -1 -745 -257 -91 -28 3 37 -503 -194 -88 -43 -19 -1 -254 -105 -60 -30 -10 9 97.5 n 192 736 552 110 873 1010 3075 460 14 66 12 23 873 1010 3075 460 Проблема эвтрофирования вод арктического бассейна является практически не освещенной в современной лимнологической литературе. В отчете АМАР (Arctic Pollution…, 1997) она даже не обозначена, а на многочисленных конференциях, связанных с исследованиями арктического бассейна, вопрос об особенностях эвтрофирования вод высоких широт не выносится. Вместе с тем, урбанизация регионов Крайнего Севера ведет к обогащению вод биогенными и органическими веществами и создает предпосылки для антропогенного эвтрофирования вод в локальных местах сброса хозбытовых сточных вод. Два основных условия предопределяют интенсивность эвтрофирования вод – уровень биогенной нагрузки и скорость водообмена. Многочисленными исследованиями показано, что основными критериями процесса эвтрофирования вод являются: уменьшение концентрации растворенного кислорода в гиполимнионе, увеличение концентрации биогенных элементов, рост содержания органических взвешенных веществ и снижение прозрачности, увеличение концентрации фосфора в донных отложениях, интенсивное развитие и последовательная смена популяций водорослей с преобладанием сине-зеленых или зеленых, а также смена фаунистического ядра экосистем в направлении доминирования видов широкой экологической валентности. (Хендерсен-Селлер, Маркленд, 1990). На примере двух объектов на Кольском Севере – озера Имандра и озерно-речной системы Пасвик рассмотрены особенности эвтрофирования водных систем Субарктической зоны. На берегах озере Имандра проживает более 300 тысяч жителей, что приводит к высокой биогенной нагрузке. Общая нагрузка фосфора оценивается 81, а вынос - 53 т/ год. Озерно-речная система Пасвик является на большей части мелководной прогреваемой рекой, имеет множество заливов, на ее берегах развито сельское хозяйство. Дополнительно река получает хозбытовое загрязнение - поступление фосфора с точечными источниками оценивается приблизительно в 10 тонн, объем поступления с площадными смывами не установлен. В подледный период на этих водоемах зарегистрирован дефицит кислорода в придонных слоях воды, а по концентрации фосфора отдельные заливы (плесы) соответствуют мезотрофному и даже эвтрофному статусу. Избыток биогенных элементов в водоемах на большей части акватории (Робщ. – 20-60мкг/л, Nобщ. – 100-300мкг/л) не приводит к заметному накоплению растворенного органического вещества(значения сохраняются на уровне 4-6 мл/л), что мы объясняем быстрой его утилизацией последующими звеньями экосистемы. В водоемах не происходит и вспышки развития водорослей, которое соответствовало бы данным концентрациям фосфора в более южных районах. Очевидно, в водоемах северного бассейна эвтрофирование вод лимитируется низкими температурами воды, высокой проточностью и водообменом. Вместе с тем, в ряде отдельных мелководных прогреваемых заливах численность фитопланктона в пик вегетации достигает 1-5 тыс. экз./м3 в условиях загрязнения хозбытовими стоками, т.е. соответствует гиперэвтрофному уровню (Моисеенко и др., 2001). Показатель содержания хлорофилла ”а”, регулярно используемый при измерении “откликов” экосистемы на биогенную нагрузку, находился в пределах 2 - 6 мг/л при характерном для вод арктики значении менее 0,5 мг/м3 , т.е. увеличен в 4-12 раз. Таким образом, в условиях локального загрязнения озерах и рек арктического бассейна хозбытовыми стоками развиваются процессы эвтрофирования вод, регистрируемые рядом показателей. По нашим оценкам, локальное эвтрофирование будет иметь повсеместное явление в водоемах-приемниках сточных вод хоз-бытового и животноводческого происхождения. Несмотря на то, что природные условия формирования вод ограничивают развитие данного процесса, а именно: большой вклад атмосферного питания, высокий промывной режим озер, незначительное поступление биогенных элементов с водосбора, низкие температуры воды, ограничивающие развитие водорослей, появляется ряд негативных побочных явлений, приводящих к ухудшению качества вод и нарушению условий обитания. Особую опасность в арктических регионах представляет появления кислородного дефицита для оксифильной фауны в период длительной полярной зимы. Основные принципы совершенствования водопользованием Вода находится в числе тех компонентов природы, сознательные преобразования или попутные изменения которых наиболее существенны. Использование водных ресурсов, как правило, носит комплексный характер. Каждый вид водопотребления и водопользования предполагает свои требования как в количественном, так и в качественном отношении, а также по разному влияет на качество воды при ее использовании. Низкое качество окружающей среды, в том числе и водной, экологически обусловленное ухудшение здоровья населения, становятся ограничивающими факторами устойчивого социально-экономического развития регионов. В условиях арктического бассейна взаимодействие антропогенных факторов с окружающей средой имеет наиболее выраженные отрицательные эффекты. В то же время водоемы здесь приобретают особое значение в силу больших запасов высококачественной пресной воды и ценной рыбной продукции в виде лососевых и сиговых рыб. При комплексном использовании водных ресурсов в регионах Субарктики приоритет должен быть отдан чистой воде и формированию в ней рыбопродукции. Основные принципы сохранения высокого качества вод вытекают из самой сути явлений формирования водных ресурсов в процессе естественного круговорота воды: - охрану вод необходимо осуществлять преимущественно в процессе их использования; охрана, как правило, должна стать неотъемлемой частью использования; - устранение причин, вызывающих загрязнение, взамен преобладающей ныне борьбы с последствиями загрязнения, т.е. принцип профилактики взамен борьбы с последствиями; - дифференциальный подход к защите вод в зависимости от природных условий водоема, а также специфики и характера действия загрязняющих компонентов в конкретных условиях, установление региональных экологически допустимых норм нагрузок; - всемерная изоляция хозяйственного звена круговорота воды от естественного, речного, озерного и подземного; дифференциация двух групп водоотведения - коммунально-бытового и промышленного; - устранение нарушений природного круговорота, преимущественно биогенных элементов и металлов; - полное прекращение сброса токсичных веществ в составе промышленных стоков в реки и водоемы (Львович, 1986; Ласкорин, Лукьяненко, 1991). Промышленное водопользование. В последние годы, наряду с техническими и экономическими показателями, важным критерием прогрессивности технологии производства является экологический фактор. Существующая технология на горно-обогатительных и металлургических предприятиях Крайнего Севера допускает загрязнение водных объектов путем оступления недостаточно очищенных сточных вод из хвостохранищ или в результате прямых сбросов, а также распространения дымовых выбросов на водосборы. В основе решения проблемы защиты водных ресурсов от загрязнения промышленными сточными водами лежит профилактический принцип (Львович, 1986; Ласкорин, Лукьяненко, 1991). Весь комплекс водохозяйственных мер в промышленности будет правильно организован лишь в том случае, если охрана водных ресурсов будет осуществляться в процессе их использования: - снижение водоемкости производств вплоть до перехода на безотходную и маловодную, "сухую" технологию; другими словами, не использовать воду в технологических процессах во всех случаях, где это возможно; - локальная очистка промышленных сточных вод, т.е. замкнутое оборотное водоснабжение, основой которого является очистка сточных вод технологических линий, цехов и т.д., которые содержат одно или группу однородных загрязнений; - изменение технологий, позволяющее получать сточные воды, легко поддающиеся очистке или регенерации. Для всех видов производства невозможно предложить универсальные методы. Но любые из них будут достаточно совершенными только на основе профилактического принципа, который открывает пути экономии водных ресурсов. Хозяйственно-бытовое водоснабжение. Использование воды для хозяйственного и питьевого водоснабжения - одно из звеньев круговорота воды. Но антропогенное звено отличается от естественного тем, что лишь часть воды в виде испарения возвращается в атмосферу опресненной. Другая ее часть, например при водоснабжении городов (до 50%) сбрасывает обратно в реки и водоемы в виде сточных вод. Первым средством уменьшения сброса загрязненной воды является биологическая очистка сточных вод, применяемая с конца прошлого столетия. Данный метод очистки хозяйственнобытовых сточных вод недостаточен. Он позволяет уменьшить содержание азота и фосфора - в 2 раза, калия - в 1,2, легкоокисляемых органических веществ (БПК) - в 4 и сухой остаток - в 1,5 раза. Все большее распространение получают химические методы, которые совместно с биологическими дают больший эффект. В США (штат Невада) применяется комплексная трехступенчатая очистка (Львович, 1986). Не касаясь подробно технологий, приведем результаты очистки: данная вода пригодна для питья, но она перекачивается в горное водохранилище СьерраНевады, которое используется для разведения форели, водного спорта, орошения. Приоритет рыбной продукции. Перспективы прогрессивных форм ведения рыбного хозяйства на Крайнем Севере связаны с непременным условием - сохранением качества воды, удовлетворяющего высоким требованиям лососевых и сиговых рыб. Развитие рыбного хозяйства на внутренних водоемах районов Крайнего Севера может внести существенный вклад в обеспечение проживающего здесь населения белковыми продуктами питания. Оно имеет преимущества перед морским промыслом в непрерывном воспроизводстве ценных рыб и доступности их промысла. Перспективы прогрессивных форм ведения рыбного хозяйства в северных регионах связаны с развитием аквакультуры, искусственным пополнением водоемов жизнестойкой молодью, рыбохозяйственным использованием подогретых вод и развитием фермерских хозяйств на водоемах. Проблема нормирования антропогенных нагрузок. Экологическое нормирование – ключевая в формировании экологической безопасности ( Израэль,994). Постановка проблемы о приоритете чистой воды и высокой рыбопродукции требует новых подходов к оценке качества вод и определению допустимых нагрузок на поверхностные воды. Как показано, в регионах арктического бассейна даже соблюдение ПДК по отдельным параметрам не защищает водные сообщества от деградации. Нормирование нагрузок должно основываться: а) на знаниях природных условий региона и водных объектов; б) особенностей поведения и превращений всего комплекса загрязняющих веществ в конкретных условиях водоема, в) обосновании биологических критериев ранней диагностики нарушений на различных уровнях организации водных экосистем; г) определении реальных критический уровней комплексного загрязнения вод. ЛИТЕРАТУРА 1. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной Среды. М: Гидрометеоиздат, 1984, 560 с. 2. Израэль Ю.А., Назаров И.М., Прессман А.Я., Ровинский Ф.Я., Рябошапко А.Г., Филиппова Л.М. Кислотные дожди. Л., 1989. 269 с. 3. Ласкорин Б.Н., Лукьяненко В.И. Стратегия и тактика охраны водоемов от загрязнений. Тез. докл. II Всесоюзной конференции по рыбохозяйственной токсикологии. Санкт-Петербург, 1991. С. 5 -8. 4. Львович М.И. Вода и жизнь. М.: Наука, 1986. 255 с. 5. Моисеенко Т.И. Теоретические основы нормирования антропогенных нагрузок на водоемы Субарктики. Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 1997. 261 с. 6. Моисеенко Т.И. Механизмы эпизодического закисления природных вод в период половодья (на примере Кольской Субарктики) // Водные ресурсы.1998, № 1. C.16-23. 7. Моисеенко Т.И., Родюшкин И.В., Даувальтер В.А., Кудрявцева Л.П. Формирование качества поверхностных вод и донных отложений в условиях антропогенных нагрузок на водосборы арктического бассейна. Апатиты. Изд-во Кольского научного центра РАН, 1996. 264 с. 8. Моисеенко Т.И., Сандимиров С.С., Кудрявцева Л.П. Особенности евтрофирования вод арктического бассейна // Водные ресурсы, 2001, №1. 9. Ресурсы поверхностных вод СССР / Т.С.Антонова, Ю.А.Елшин, М.Г.Тушинская и др. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. Т.1. 316 с. 10. Хендерсон-Саллерс Б., Маркленд Х.Р. Умирающие озера. Причины и контроль антропогенного эвтрофицирования. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 279 с. 11. Arctic Pollution Issues: A state of the Arctic Environment Report, 1997. Published by AMAP, Oslo, Norway. 188 pp. 12. Jeffrey S.K., Norton S.A.,Haines T.A. Rochette E.A. Heath R.H., Nordvin S.C. Mechanisms of Episodic acidification in low-order streams in Marine, USA // Environmental Pollution, №79, 1992. P.37-44. 13. Moiseenko T. Acidification and Critical Loads in Surface Waters: Kola, Northern Russia.// AМВIO, 1994, vol. 23, P. 418-424. 14. Moiseenko T. I. A Fate of Metals in Arctic Surface Waters. Method for Defining Critical Levels // The Science of the Total Environment. – 1999. P.19-39. 15. Henriksen A., Traaen Т., Moiseenko Т. И et al. Regional Lake Surwey 1995 in Finland Norwey, Sweden - Denmark - Russian Kola -Russian Karelia - Skotland and Wales. Report Nordic Council of Ministers. 1997. 102 p. 16. Rosseland, B. O., Staurnes M. Physiological Mechanism for Toxic Effects and Resistance to Acidic Water: An Ecophysiological and Ecotoxicological Approach // Acidification of Freshwater Ecosystem: Implications for the Future. 1994. P. 227-245.
