На правах рукописи Власов Василий Анатольевич ИНЖЕНЕРНО
advertisement
На правах рукописи Власов Василий Анатольевич ИНЖЕНЕРНО-МЕЛИОРАТИВНЫЕ ПОДХОДЫ К УЛУЧШЕНИЮ СОСТОЯНИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ Специальность 06.01.02-Мелиорация, рекультивация и охрана земель АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2009 Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном университете природообустройства (ФГОУ ВПО МГУП) Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Сметанин Владимир Иванович Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» (ФГОУ ВПО МГУП) Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Волшаник Валерий Валентинович Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет» (ГОУ ВПО МГСУ) кандидат технических наук, доцент Лагутина Наталья Владимировна Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» (ФГОУ ВПО МГУП) Ведущая организация: Государственное Унитарное Предприятие «МосводоканалНИИпроект» Защита диссертации состоится «2» июня 2009 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.01 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550 Москва, ул. Прянишникова, д. 19, зал заседаний Ученого Совета (1 учебный корпус, ауд. 201), тел./факс: 8(495)976-10-46. С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московском государственном университете природообустройства и на официальном сайте ФГОУ ВПО МГУП www.msuee.ru. Автореферат разослан «30» апреля 2009 года Ученый секретарь диссертационного совета Сурикова Т.И. 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Урбанизация создает достаточно сложный комплекс проблем, среди которых одной из важнейших является экологическая проблема городской среды, а именно – загрязнение среды обитания. Стремительное развитие и расширение урбанизированных территорий оказывают отрицательное влияние на экологию городов, в том числе и на водные объекты. Водотоки и водоемы в пределах урбанизированных территорий все время испытывают мощное негативное воздействие процессов урбанизации как фактора техногенеза, являясь приемниками загрязняющих веществ, поступающих с очищенными сточными водами и поверхностным стоком. В настоящее время многие городские реки и пруды находятся в таком состоянии, что одни только природоохранные меры не могут дать желаемого эффекта. Существует настоятельная необходимость создания новых методологий, позволяющих при разработке проектов сохранения и восстановления малых водных объектов осуществлять комплексное решение экологических и инженерно-мелиоративных задач. Таким образом, устойчивое улучшение экологического состояния городских водных объектов может быть достигнуто только за счет совершенствования технологий очистки и разработки принципов и эффективных способов экологического регулирования. Цель работы – разработка научно обоснованных инженерномелиоративных подходов к улучшению состояния городских водных объектов. Задачи работы: – исследовать факторы, определяющие общее экологическое состояние водных объектов; – разработать комплексный метод оценки инженерно-экологического состояния водных объектов, как элементов техно-природных систем; – провести инженерно-экологический мониторинг состояния городских водных объектов в реальных условиях с оценкой обустроенности пойменных и прибрежных территорий и качества водной среды в них; – на основании инженерно-экологического мониторинга состояния городских водных объектов разработать универсальную классификацию городских водных объектов с учетом типа их водопользования; – разработать организационно-технологическую систему приемов, направленных на улучшение состояния городских водных объектов. Объект исследования – природно-территориальный комплекс водных объектов, расположенных на территории г. Москвы, включающий сам водный объект и его прибрежную зону. Предмет исследования – комплексная оценка состояния природнотерриториального комплекса водных объектов и инженерно-мелиоративные подходы к его улучшению. 3 Рабочая гипотеза – обоснование предложений по комплексной оценке состояния природно-территориального комплекса водных объектов для последующего выбора инженерно-мелиоративных подходов, направленных на его улучшение. Научная новизна работы: – предложен усовершенствованный метод оценки инженерноэкологического состояния городских водных объектов; – выполненный инженерно-экологический мониторинг позволил комплексно оценить современное состояние городских водных объектов и обосновать их целевой потенциал и значимость; – предложена классификация водных объектов в соответствии с их целевым потенциалом и значимостью; – разработана организационно-технологическая система приемов улучшения состояния водных объектов; – разработаны и обоснованы инженерно-мелиоративные и экологические решения по восстановлению и обустройству малых городских водных объектов. Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты могут быть использованы в следующих областях деятельности: – при проведении инженерно-экологического контроля за состоянием городских водных объектов как элементов техно-природных систем; – при разработке и обосновании инженерно-мелиоративных и экологических мероприятий по улучшению состояния водных объектов в условиях городской застройки; – при разработке и проведении ландшафтно-экологического обустройства природно-территориальных комплексов городских водных объектов с целью повышения их рекреационной значимости; – при разработке городских программ инженерно-экологического обустройства водоемов и их рекреационных зон с учетом индивидуальных особенностей каждого водного объекта. Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются: – достоверностью исходной информации для последующего анализа, определяемой использованием обширных фактических отечественных и зарубежных данных по экологическому состоянию городских водных объектов; – информационной базой на основании научных трудов российских и зарубежных ученых; – использованием опробованных научных методов оценки прибрежных и пойменных территорий водных объектов; – использованием опробованных научных методов оценки экологического состояния водных объектов и анализа причин их загрязнения; 4 – применением современного приборного оборудования для определения показателей качества воды в водных объектах с использованием стандартных методик. На защиту выносятся: – особенности водных объектов в условиях городской застройки; – основные источники и виды загрязнений городских водных объектов; – результаты аналитических исследований критериев оценки качественного состояния природно-территориальных комплексов городских водных объектов; – результаты лабораторно-полевых исследований и инженерноэкологического мониторинга городских водных объектов; – организационно-технологические особенности восстановления городских водных объектов. Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на: Международных научно-практических конференциях и семинарах (Россия, г. Москва, ФГОУ ВПО МГУП, 2005–2008 гг.); 8-ой Российской Агропромышленной выставке «Золотая осень-2006» (Россия, г. Москва, ВВЦ 2006 г.); Международной молодёжной конференции «Молодежь за безопасную окружающую среду и сохранение культурного разнообразия в интересах устойчивого развития» (Россия, г. Дубна, университет «Природы, Общества, Человека», 2006 г.); Международной научно-практической конференции «ЭКВАТЕК–2008» (Россия, г. Москва, 2008 г.); втором Всероссийском открытом конкурсе «Будущее регионов России 2008» (Россия, г. Москва, Институт демографии, миграции и регионального развития, 2008 г.); открытом городском мероприятии «Экология воды» (Россия, г. Москва, Московский Государственный Колледж книжного бизнеса и информационных технологий, 2008 г.); Международной конференции «Чистая вода» (Россия, г. Москва, гостиница «Президент-отель», 2009 г.). Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах, в том числе в научном журнале, рекомендованном ВАК РФ: «Мелиорация и водное хозяйство». Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов к ним, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и трёх приложений. Основной текст диссертации изложен на 191 странице машинописного текста, иллюстрирован 62 рисунками и содержит 54 таблицы. Библиографический список включает 125 наименований, из них 10 на иностранном языке. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение. На основе аналитического обобщения литературных источников обосновывается актуальность темы диссертационной работы, 5 определяются цели и задачи диссертационного исследования, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы. В главе 1 «Водные объекты в условиях городской застройки, их роль и значение» изложены результаты аналитического обзора литературных источников, отражающих современное состояние водных объектов, расположенных на урбанизированных территориях и определена необходимость проведения «комплексной оценки» природно-территориальных комплексов городских водоемов с целью их последующего восстановления. Проблеме восстановления водных объектов посвящены научные работы Айдарова И.П., Голованова А.И., Сметанина В.И., Румянцева И.С., Волшаника В.В., Печникова В.Г., Великанова Н.Л., Плугатырева М.Н., Гаврилюка А.А., Родионова В.Б., Безносова В.В., Боровкова, В.С., Орехова, Г.В., Щербиной Е.В., Нелюбиной Е.А., Хлыниной Н.Г., Кирейчевой Л.В., Горюновой С.В. и других ученых. Выполненные теоретические исследования показали, что состояние водных объектов сегодня является важнейшим показателем экологического благополучия города, т.к. они являются неотъемлемыми элементами всей ландшафтно-архитектурной системы мегаполиса, поддерживают гомеостаз ландшафта, выполняют санитарно-биологическую, климатообразующую, культурно-историческую, рекреационную функции. В то же время, малые реки, озера и пруды на территории крупного города в наибольшей степени подвергаются мощному антропогенному воздействию. Поэтому практически все городские водоемы и водотоки представляют собой природноантропогенные или полностью антропогенные (техногенные) объекты. Интенсивность естественных процессов самоочищения в них зачастую несравнима с потоком поступающих в водную среду загрязняющих веществ. Повышенная рекреационная нагрузка, отбор воды на бытовые и хозяйственные нужды, отведение в водные объекты сбросных сточных вод и неочищенных стоков, поступление загрязненных поверхностных вод, изменение физикомеханических свойств донных грунтов – все эти, отнюдь неконечные факторы являются основными причинами прогрессирующего заиления и загрязнения водных объектов на урбанизированных территориях. Современное состояние водных объектов характеризуется значительными изменениями их природных свойств и угнетением оставшихся в естественном состоянии рек и ручьев. В настоящее время одних только природоохранных мер для сохранения городских водных объектов недостаточно, необходимо осуществление специальных инженерномелиоративных и экологических мероприятий, направленных на восстановление природно-территориальных комплексов городских водных объектов. Немаловажным фактором, влияющим на принятие тех или иных инженерно-технических решений, является состояние природнотерриториального комплекса водного объекта – самого водоема и водосборной 6 (прибрежной) территории – в современных (реальных) условиях. Следовательно, требуется глубокое и детальное изучение всех значащих признаков, характеризующих качественное состояние природнотерриториального комплекса того или иного водного объекта, и оценки их возможного влияния на существо принимаемого технического решения. Существующие в настоящее время подходы к оценке экологического состояния водных объектов можно разделить на 3 группы: 1. Компонентный подход, основанный на измерении 6–9 приоритетных показателей, включая содержание кислорода и биохимическую потребность в кислороде; 2. Комплексный подход, заключающийся в совместном использовании биологических методов в комплексе с данными по гидрохимии. 3. Экосистемный подход, который состоит в оценке не только качества водной среды в водоеме, но и экологического состояния водосбора и рассмотрении его как целостной экосистемы. Данные методы рассмотрены в работах Сидоренко А.В. (2003 г.), Чермных Л.П. (2005 г.), Черепановой Ю.А. (2005 г.), Носаль А.П. (2006 г.). При компонентном и комплексном подходах оценивается только качество воды, а экологическое состояние прилегающей территории не учитывается и показатели состояния водосбора в мониторинг не включаются. Экосистемный подход ввиду отсутствия единого понимания самой экосистемы и унифицированных показателей оценки ее экологического состояния также ещё не получил достаточно широкого распространения (Могилюк С.В. (2005 г.), Голованов А.И., Зимин Ф.М., Козлов Д.В. и др. (2008 г.)). Для комплексной оценки экологического состояния водного объекта и водосбора был предложен «ландшафтный (системный) подход», который позволяет принять в качестве объекта антропогенного воздействия элемент биосферы в виде ландшафта – генетически однородного природнотерриториального комплекса (Голованов А.И., Зимин Ф.М., Козлов Д.В. и др. (2008 г.)). Таким образом, в составе водосбора можно выделить несколько ландшафтов различного уровня и определить границы воздействия. Для решения задачи восстановления природной среды водного объекта необходим выбор вполне определенных критериев, основанных на системном подходе к проблеме восстановления природно-территориального комплекса водного объекта и отражающих качество жизни человека. Их можно разделить на две взаимосвязанных группы: – критерий, отражающий качество водной среды в водоеме; – критерий устойчивости ландшафтов, входящих в состав водосбора. В главе 2 «Источники и виды загрязнений городских водных объектов» рассмотрены вклады различных источников в загрязнение городских водных объектов и определены основные типы загрязнений водных объектов. Значительный вклад в загрязнение водных объектов вносят источники «первичного» загрязнения, т.е. источники, способствующие поступлению в 7 поверхностные воды загрязняющих веществ, имеющих происхождение от отходов, или являющихся продуктом реализации непосредственно технологических процессов (физическое и химическое загрязнения). Источники «первичного» загрязнения способствуют образованию в водных объектах источников «вторичного» загрязнения, т.е. источников загрязнения, сформировавшихся в результате физических, биохимических и прочих процессов в водных объектах после поступления в них ингредиентов от источников «первичного» загрязнения. Существенную роль в ухудшении качества воды, общего экологического состояния водоемов, в том числе в изменении внутрирусловых процессов, играют сточные воды, отведенные в водотоки. Источники водного питания водных объектов, расположенных в условиях нарушенного и слабонарушенного ландшафтов, показаны на рис. 1. Рис. 1. Источники водного питания водных объектов, расположенных в условиях нарушенного и слабонарушенного ландшафтов Из приведенной диаграммы видно, что основная масса загрязнений поступает в водные объекты вместе с естественным поверхностным (35%) и техногенным грунтовым (32%) стоками. В сумме они составляют порядка 70% всего водного питания водных объектов. Если анализировать диаграмму по вкладу в загрязнение водных объектов поверхностным и грунтовым стоками в отдельности, то становится очевидным, что доля каждого из них составляет примерно половину (55% и 45% соответственно). Загрязнения, поступающие в водные объекты с урбанизированных территорий, имеют различную физическую природу и химические свойства и условно разделяются на: физическое («мутьевое»); химическое; биологическое; бактериальное; радиоактивное; тепловое. Используя опытные данные Государственного унитарного предприятия «МосводоканалНИИпроект», определены вклады различных источников в физическое и химическое загрязнение водоемов города Москвы. Результаты исследований приведены на диаграммах (рис. 2а; б). 8 а б Рис. 2. Вклад различных источников в физическое (а) и химическое (б) загрязнения воды Таким образом, из приведенных диаграмм (рис. 2а; б) становится очевидно, что дождевые стоки и талые воды оказывают значительное влияние как на физическое (в сумме они составляют более половины всего их водного питания), так и на химическое загрязнение воды (в сумме они составляют около половины всего их водного питания), в отличие от промышленных стоков, вклад которых велик только в химическое загрязнение воды (около половины всего их водного питания). Это объясняется смывом дождевыми и талыми водами значительного количества нерастворенных примесей, содержащихся в грунтах, на поверхности которых сорбированы различные виды загрязнителей, которые влияют на общее экологическое состояние водоема. Структурно-логическая схема возможного изменения экологического состояния водного объекта от воздействия техногенных загрязняющих веществ показана на рис. 3. 9 Виды загрязнений Физическое Химическое Биологическое Бактериальное Радиоактивное Тепловое Характер распространения загрязнений Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу Ветровая эрозия Водная эрозия Неорганизованный сброс загрязняющих веществ на рельеф местности Русловые процессы и переработка берегов Места временного накопления и постоянного размещения отходов производства и потребления Сброс сточных вод Неорганизованный сброс ливневых и паводковых вод Загрязнение водосборов Поверхностный и грунтовый стоки Загрязнение акватории водных объектов Рис. 3. Структурно-логическая схема возможного воздействия загрязняющих веществ на водные объекты 10 В главе 3 «Аналитические исследования критериев оценки качественного состояния природно-территориальных комплексов городских водных объектов» выполнен анализ критериев, отражающих качественное экологического состояния природно-территориального комплекса водного объекта, и предложена «комплексная оценка», позволяющая на основе ландшафтного (системного) подхода оценить общее экологическое состояние прибрежных территорий, водоема и качества водной среды в нем. Организационно-техническая система инженерно-экологических изысканий (рис. 4) выполняет следующие задачи: 1. Сбор и распространение достоверной и оперативной информации о состоянии природно-территориальных комплексов водных объектов, ориентированной на пользователя; 2. Анализ получаемой информации с целью оценки влияния источников распространения загрязняющих веществ на окружающую среду и составление прогнозов экологической ситуации; 3. Разработка проектов инженерно-технических и мелиоративных решений по улучшению экологической ситуации природно-территориальных комплексов водных объектов. Из приведенной схемы видно, что оценка состояния водного объекта складывается из достаточно широкого спектра показателей, которые условно можно разделить на три блока. Блок №1 – генезис водного объекта; Блок №2 – оценка состояния водосбора водного объекта, включающая в себя ряд показателей, анализ которых производится с применением бальной шкалы. Предлагаемая комплексная оценка состояния водосбора основывается на системном подходе с целью более подробного рассмотрения основных критериев качественного экологического состояния природного комплекса в целом. Увеличение бальности в каждой группе критериев показывает, на какие именно аспекты следует обратить особое внимание при разработке проекта инженерно-мелиоративного обустройства и принятии типовых технически совершенных и рентабельных решений с целью улучшения экологической ситуации, придания компонентам природного комплекса качественно новых ценностных характеристик и повышения их потребительской стоимости. Блок №3 – оценка качества водной среды, проведение которой регламентировано нормативными документами. Существующие нормативы позволяют определить класс и разряд качества воды по каждому показателю, провести необходимые расчеты по определению основных показателей качества воды, что в свою очередь позволяет выявлять основные источники загрязнения и вклад каждого из них в загрязнение воды. При осуществлении анализа качества воды в рассматриваемых водоемах учтены основные требования к средствам и методам аналитического контроля качества воды. 11 Требования к испытательным лабораториям регламентированы ГОСТ РИСО/МЭК 17025–2000 «Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий». Требования к метрологическому обеспечению регламентированы ГОСТ Р 8.315–97 «Стандартные образцы состава и свойств веществ. Порядок изготовления, аттестации и применения». Действующими нормативными документами установлены требования к отбору проб различных категорий вод и средствам пробоотбора. При отборе проб воды из рассматриваемых водоемов в соответствии с регламентацией использован ГОСТ Р 51592–2000. Вода. Общие требования к отбору проб; ИСО 5667–1:1980. Качество воды. Отбор проб. Часть 1. Руководство для составления программы отбора проб. При выполнении анализов качества воды учтены требования, регламентируемые ГОСТ Р 8.563–96 «ГСИ. Методики выполнения измерений». Выбор показателей качества поверхностных вод (органолептические (запаха, привкуса, окраски); гидрофизические (мутности, цветности, взвешенных частиц); гидрохимические (температуры, водородного показателя рН, перманганатной окисляемости (ПО), биохимической потребности в кислороде (БПК), химической потребности в кислороде (ХПК) или бихроматной окисляемости, растворенного в воде кислорода (О 2)); содержание в воде химических веществ и их соединений) осуществлен на основании регламентации действующих нормативов: ГОСТ Р 51232–98. Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля качества; ГН 2.1.5.689–98. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурнобытового водопользований. При определении содержания вредных веществ в воде учитывался класс опасности нормированных веществ. Помимо класса опасности веществ учтен также и лимитирующий показатель вредности (ЛПВ). Расчет ЛПВ для данной группы вредности g и данного типа использования водоема осуществляется по формуле: ЛПВg jg Cj ПДК j , (1) где C j – концентрация j-го загрязняющего вещества из данной группы вредности; ПДК j – предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества для данного типа использования водоема. Группа вредности, как совокупность загрязняющих веществ, имеющих одинаковый ЛПВ, для различных элементов для водоемов соответствующего назначения содержатся в различного рода справочниках по качеству воды. Основное расчетное уравнение выглядит следующим образом: 12 Ci ПДК 1, (2) i где Ci – концентрация i-го загрязняющего вещества из данной группы вредности; ПДКi – предельно допустимая концентрация данного вещества для определенного типа использования водоема. Среди показателей, использующих только гидрохимические наблюдения, наиболее простым и довольно репрезентативным является индекс загрязненности вод (ИЗВ), который вычисляют по 6 ингредиентам: кислороду, органическим веществам, определяемым по биохимическому потреблению кислорода за 5 суток (БПК5), и 4 веществам с наибольшим превышением ПДК: ИЗВ 1 6 Ci , 6 i 1 ПДКi (3) где Ci и ПДКi – концентрация и предельно допустимая концентрация каждого из 6 ингредиентов. Также для оценки экологического состояния водоема применяется интегральный показатель химического загрязнения (ПХЗ). Этот показатель вычисляется отдельно для загрязняющих веществ 1-2 классов и 3-4 классов опасности. ПХЗ = (С1/ПДК1 + С2/ПДК2 + ... + С10/ПДК10) (4) где ПДКi – предельно допустимая концентрация i-го химического вещества; Сi – концентрация i-го химического вещества в воде. На основании сопоставления выводов по блокам №2 и №3 выбирается тип проекта инженерно-мелиоративного обустройства, включающий в себя типовые инженерно-технические и экологические решения, учитывающие характерные особенности существования водного объекта в реальных условиях и его качественные характеристики. Направление инженерно-мелиоративного обустройства природнотерриториальных комплексов водных объектов следует выбирать в зависимости от степени их сохранности и вовлечения в градостроительную обстановку: – менее 5 баллов – охрана; – 5-10 баллов – охрана, консервация; – 10-15 баллов – защита, консервация; – 15-20 баллов – реконструкция; – 20-30 баллов – реставрация, реконструкция; – 30-40 баллов – реабилитация; – более 40 баллов – реабилитация, ликвидация при обосновании. 13 Оценка состояния природно-территориального комплекса водного объекта Блок №1 Блок №2 Генезис водного объекта Блок №3 Оценка состояния водосбора водного объекта Уровень техногенной трансформации водного объекта Вывод по бальной шкале (0-6) Состояние ПТК в зависимости от уровня антропогенной дигрессии Вывод по бальной шкале (0-6) Оценка ландшафтно-архитектурной среды Вывод по бальной шкале (0-5) Оценка рекреационной значимости Вывод по бальной шкале (1-5) Оценка рекреационного потенциала Вывод по бальной шкале (1-5) Оценка уровня инженерномелиоративного обустройства Вывод по бальной шкале (1-6) Культурно-историческое значение Вывод по бальной шкале (1-5) Общий вывод Оценка качества водной среды в водном объекте Органолептические показатели Вывод по нормативам Гидрофизические показатели Вывод по нормативам Гидрохимические показатели Вывод по нормативам Гидробиологические показатели Вывод по нормативам Микробиологические показатели Вывод по нормативам Общий вывод Выбор типа проекта инженерно-мелиоративного обустройства Рис. 4. Унифицированная схема комплексной оценки состояния водного объекта 14 В главе 4 «Лабораторно-полевые исследования и инженерноэкологический мониторинг природно-территориальных комплексов городских водных объектов» проведены комплексные исследования общего экологического состояния природно-территориальных комплексов городских водных объектов, на основании которых даны рекомендации по их улучшению и разработана универсальная классификация городских водоемов по их целевому потенциалу и значимости. Основным материалом для проведения анализа послужили количественные и качественные результаты, полученные в 2005 – 2007 гг. в ходе комплексных инженерно-экологических исследований качественного состояния природно-территориальных комплексов водных объектов, расположенных на территории г. Москвы. В ходе исследований дана общая характеристика городских водных объектов и проведен анализ экологического состояния их природно-территориальных комплексов с оценкой состояния прибрежной территории (водосбора) и качества водной среды в них (река Жабенка, Большой Садовый пруд, река Лихоборка, Головинские пруды). Кроме этого, были проведены визуальные исследования природно-территориальных комплексов еще ряда водоемов (река Чермянка, сеть прудов в парках «Дружба», «Покровское-Стрешнево»). Все исследуемые водные объекты относятся к I виду водопользования – водоемы хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (II категория – водные объекты, используемые для купания, занятия спортом и отдыха населения). Инженерно-экологическая оценка природных комплексов прибрежных территорий показала, что их состояние в целом можно охарактеризовать как относительно удовлетворительное. Конфигурация исследованных водных объектов подверглась определенной трансформации на данной эволюционной стадии развития по сравнению с более ранним периодом. Ложе и берега водоемов изменены частично или полностью в связи с необратимой трансформацией водосборного бассейна, вызванного в основном факторами от процессов урбанизации территорий. Таким образом, большинство городских водоемов имеют средний уровень техногенной трансформации. В то же время оценка прибрежных территорий водоемов по уровню их антропогенной дигрессии показала, что также имеют место определенные изменения. На некоторых участках сохранен типичный облик с типичным и разнообразным пойменным био- и зооценозом, способным к самоподдержанию. Вызвано это в основном определенным регламентом ведения хозяйственной деятельности на территории (территория Лесной дачи в парке сельскохозяйственной академии им. К.А. Тимирязева). Некоторые участки изменены в большей степени. На них прослеживаются лишь отдельные элементы природного пойменного биогеоценоза, встречаются отдельные виды типичной фауны. Имеются также и участки, на которых наблюдается переход к 15 необратимым нарушениям структуры биогеоценоза. Анализируя состав изученных сообществ на данных участках, нужно отметить, что большая часть из них подверглась сильным антропогенным изменениям в связи с совокупным влиянием различных факторов: нерациональное городское благоустройство, отсыпка неплодородного грунта, землекопные работы, выравнивание русла, укрепление берегов бетонными конструкциями, образование свалок строительного и бытового мусора, чрезмерная рекреационная нагрузка и др. Таким образом, состояние природно-территориальных комплексов исследуемых водоемов, в зависимости от степени антропогенной дигрессии, можно охарактеризовать диапазоном от слабо до сильно нарушенного. Оценка ландшафтно-архитектурной среды природно-территориальных комплексов водных объектов показала неоднозначные результаты. Это объясняется различной степенью урбанизированности исследуемых участков территорий. Анализируя данный критерий, удалось установить, что в случаях, если урбанизировано менее 25% территории водосборного бассейна, ландшафт требует лишь незначительного изменения ландшафтной среды для подчеркивания естественно-природных свойств территории. В случаях же, если урбанизировано более 25% территории водосборного бассейна, то природный комплекс зачастую нуждается в коренном благоустройстве и требует создание новой ландшафтной среды для придания территории принципиально новых ценностных характеристик. Ситуация усложняется в случае линейно протяженных водных объектов (реки, водотоки), которые, как правило, занимают значительные по площади территории. Все исследуемые природно-территориальные комплексы городских водоемов являются рекреационно значимыми, но уровень этой значимости различный. В случаях с сосредоточенными водоемами (пруды) уровень рекреационной значимости можно охарактеризовать как высокий, т.е. данные природные комплексы благоприятны для рекреационного использования. Линейно протяженные водоемы (водотоки, реки) имеют различные участки, ряд из них благоприятен для целей рекреации и отдыха населения, другие ограниченно пригодны, а некоторые участки вообще не пригодны для рекреационного использования. Вызвано это в основном плановым расположением участков территории в ландшафте города, а также влиянием других факторов (близкое расположение автомагистралей, ЛЭП, неудовлетворительное санитарно-эпидемиологическое состояние территории и т.д.). В то же время все исследуемые водоемы обладают достаточно высоким рекреационным потенциалом, учитывающим возможность превращения некоторых участков их территорий в качественно иное состояние и придание им качественно новых характеристик. Природные комплексы ряда водных объектов представляют культурно-историческую ценность, являются «памятниками природы» и входят в состав особо охраняемых территорий (река Жабенка, река Лихоборка, Головинские пруды). 16 Оценка инженерно-мелиоративного обустройства территорий водоемов показала, что ряд участков природных комплексов благоустроен и повышена их рекреационная значимость, проведены работы по улучшению состояния акватории водоема с восстановлением элементов природного комплекса, созданием благоустроенных рекреационных зон (река Лихоборка, река Чермянка, сеть прудов в лесопарке Покровское-Стрешнево), реконструкцией существующих и строительством новых пешеходных мостов (сеть прудов в парке Дружба). Следует также отметить, что на реках, протекающих в городской черте, до сих пор остаются неблагоустроенные участки, требующие качественных изменений, улучшения экологической ситуации и повышения потребительской стоимости компонентов окружающей среды. Оценка прибрежных территорий линейно протяженных водных объектов (реки, водотоки) не может быть однозначной вследствие того, что и водосборный бассейн также располагается на разных площадях. В этом случае целесообразно выделять ландшафты различного уровня, определяя тем самым и границы воздействия. Каждый из них может иметь индивидуальные качественные характеристики. Проведенный анализ качества водной среды (апрель-октябрь 2007 г.) в рассматриваемых водоемах показал следующие результаты. Оценка качества воды по органолептическим показателям показала допустимый уровень загрязнения воды во всех водоемах за весь период наблюдений (табл. 1). Таблица 1 Оценка качества воды по органолептичесим показателям Степень загрязнения Запах, привкус балл 1 2 Допустимая 2 Оценка качества воды по гидрофизическим показателям за весь период наблюдений показала относительное постоянство результатов во всех исследуемых водоемах. На основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы. 1. По содержанию взвешенных веществ в пробах вода относится: – класс качества воды: 5. грязная; – разряд качества воды: 5а. весьма загрязненная. 2. Мутность воды превышает предельно допустимое значение (1,5 мг/л), что характеризует загрязненность воды нерастворенными и коллоидными примесями. 3. По показателю «цветность» вода относится: – класс качества воды: 3. удовлетворительной чистоты; – разряд качества воды: 3а. достаточно чистая. 17 Средние значения гидрофизических показателей качества воды за весь период наблюдений в исследуемых водоемах представлены на диаграмме (рис. 5). Рис. 5. Гидрофизические показатели качества воды Оценка качества воды по гидрохимическим показателям за весь период наблюдений также показала относительное постоянство результатов во всех исследуемых водоемах. На основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы. 1. По отношению Ci ПДК 1: i – для веществ 4 и 3 классов опасности по всем признакам вредности качество воды удовлетворяет предъявляемым требованиям; – для веществ 2 класса опасности по данному признаку вредности наблюдается незначительное превышение значения, вследствие значительного по содержанию вклада алюминия и марганца в общий ряд веществ по данному признаку вредности. 2. По индексу загрязнения воды (ИЗВ) класс качества воды – «чистая». 3. По показателю химического загрязнения (ПХЗ): – для веществ 4 и 3 классов опасности ПХЗ<10, что соответствует относительно удовлетворительной ситуации; – для веществ 2 класса опасности ПХЗ<1, что соответствует относительно удовлетворительной ситуации. 4. По повторяемости показателей загрязняющих ингредиентов (П) – П1 – экологическое состояние норма, что характеризуется повторяемостью содержания в воде загрязняющих ингредиентов выше 1ПДК, но ниже 10ПДК. 5. По показателю «водородный показатель» вода относится: – класс качества воды: 3. удовлетворительной чистоты; 18 – разряд качества воды: 3а. достаточно чистая. 6. По показателю «растворенный кислород» вода относится: – класс качества воды: 2. чистая; – разряд качества воды: 2б. вполне чистая. 7. По показателю «перманганатная окисляемость (ПО)» вода относится: – класс качества воды: 3. удовлетворительной чистоты; – разряд качества воды: 3б. достаточно чистая. 8. По показателю «химическое потребление кислорода (ХПК)» вода относится: – класс качества воды: 3. удовлетворительной чистоты; – разряд качества воды: 3а. достаточно чистая. 9. По показателю «биохимическое потребление кислорода (БПК)» вода относится: – класс качества воды: 3. удовлетворительной чистоты; – разряд качества воды: 3б. слабо загрязненная. 10. Тяжелые металлы в концентрациях, превышающих их ПДК, не обнаружены, за исключением алюминия, где наблюдается незначительное превышение ПДК. Средние значения гидрохимических показателей качества воды за весь период наблюдений в исследуемых водоемах представлены на диаграмме (рис. 6). Рис. 6. Гидрохимические показатели качества воды Городские водные объекты являются неотъемлемыми элементами всей ландшафтно-архитектурной системы мегаполиса. Их качественное состояние 19 должно удовлетворять не только санитарно-гигиеническим нормам, но и эстетическим, видеоэкологическим и социально-психологическим требованиям. Поэтому в настоящее время основным критерием оценки состояния городских водных объектов является уровень их качественного благоустройства. На основании результатов комплексных исследований различных водоемов и водотоков, нами была уточнена классификация городских водных объектов по градостроительным и хозяйственным признакам и разработана универсальная классификация городских водных объектов по их целевому потенциалу и значимости. 1. Непригодные для рекреационного использования водные объекты. 2. Малопригодные для рекреационного использования водные объекты. 3. Ограниченно пригодные для рекреационного использования водные объекты. 4. Благоприятные для рекреационного использования водные объекты. 5. Весьма благоприятные для рекреационного использования водные объекты. 6. Водные объекты являющиеся «памятниками природы». 7. Исторически ценные водные объекты. В главе 5 «Организационно-технологические особенности восстановления городских водных объектов» рассмотрена общая концепция «Целевой долгосрочной программы по восстановлению малых рек и водоемов Москвы» на период до 2010 года, предложенная Государственным унитарным предприятием «МосводоканалНИИпроект», обоснована необходимость привлечения ландшафтного (системного) подхода к восстановлению городских водных объектов и разработана структурно-логическая схема организационных, инженерно-технических и природоохранных мероприятий, направленных на восстановление природно-территориального комплекса водного объекта. Концепция «Программы по восстановлению малых рек и водоемов Москвы» основывается на реализации бассейнового принципа рационального градостроительного использования и реабилитации малых рек и прибрежных территорий, обеспечении системного подхода к управлению водопользованием в Москве, при котором все водные объекты, расположенные на территории столицы, независимо от их ведомственной принадлежности, рассматриваются как единый водный фонд. Привлечение ландшафтного подхода является главной мерой по разработке и решению проблем по восстановлению водных объектов. Приостановить неблагоприятные изменения природной среды водных объектов можно только целенаправленным воздействием на факторы, способствующие снижению эмиссии загрязнений в компоненты природной среды. Поставленную задачу можно решить только путем выполнения системы инженерно-мелиоративного обустройства водных объектов, т.е. комплексного решения инженерно-технических и экологических проблем. 20 Структурно-логическая схема организационных, инженернотехнических и природоохранных мероприятий, направленных на восстановление природной среды водного объекта и его показана на рис. 7. Организационно-технологическая система приемов улучшения водных объектов Стадия №1 Стадия №2 Стадия №3 Стадия №4 Стадия №5 Предпроектный анализ Предварительный выбор способа инженерномелиоративного обустройства водного объекта Разработка проекта инженерно-мелиоративного обустройства водного объекта Осуществление проекта инженерно-мелиоративного обустройства водного объекта Инженерноэкологический мониторинг и природоохранные мероприятия Этап №1 Этап №2 Этап №3 Рис. 7. Структурно-логическая схема улучшения состояния природнотерриториального комплекса водного объекта Структурно-логическая схема улучшения состояния водных объектов должна включать 5 стадий. Стадия №1. Предпроектный анализ исходной информации, полученной при комплексной оценке состояния природнотерриториального комплекса водного объекта (в соответствии с рекомендациями, приведенными в главе 3). Стадия №2. Предварительный выбор типа проекта и обоснование способов инженерно-мелиоративного обустройства водного объекта. Выбор типа проекта инженерно-мелиоративного обустройства зависит от современного качественного состояния природно-территориального комплекса водного объекта, которое в свою очередь должно характеризовать выбор определенных целей, приоритетов и задач. Для этого И.П. Айдаровым (2002 г.) были предложены конкретные способы осуществления проектных работ, характеризующих специфику проекта инженерно-мелиоративного обустройства. Охрана – разработка и осуществление мероприятий, обеспечивающих соблюдение установленного регламента хозяйственной деятельности на водных объектах. Защита – мера, целью которой является изоляция и/или локализация источника ухудшения состояния водного объекта. Консервация – комплекс 21 мероприятий, направленных на сохранение существующего облика водного объекта. Реабилитация – возвращение водным объектам экологически приемлемых свойств и качеств. Реставрация – деятельность, целью которой является придание водному объекту облика, свойственного ему в конкретную историческую эпоху. Реконструкция – мероприятия, целью которых является приспособление водного объекта к современным условиям с сохранением (воссозданием) его отдельных исторически или мемориально-ценных элементов. Ликвидация – комплекс мероприятий, целью которых является уничтожение нежелательного водного объекта. Данная стадия должна включать: 1. Предварительную разработку инженерно-технических решений по приоритетным вариантам типа проекта инженерно-мелиоративного обустройства. 2. Предварительное технико-экономическое обоснование возможных вариантов типа проекта инженерно-мелиоративного обустройства водного объекта. 3. Оценку возможных экологических последствий от реализации инженерно-технических решений проекта. 4. Выбор оптимальных инженерно-технических и экономических вариантов проекта. Стадия №3. Разработка проекта инженерно-мелиоративного обустройства водного объекта. На данной стадии все работы целесообразно проводить в 3 этапа. Этап №1. Экологический аудит природно-территориального комплекса водного объекта, включающий следующие оценочные критерии: качество водной среды, состояние водосборного бассейна, характеристика источников загрязнения, тип водопользования и социально-экономические потребности населения. Этап №2. Разработка организационно-технологической последовательности инженерно-мелиоративных и экологических мероприятий с принятием наиболее приемлемых технически совершенных и рентабельных проектных решений. Цель выполнения инженерно-технических работ – создание в водных объектах условий, обеспечивающих эффективное функционирование различных очищающих процессов в водной среде за счет возведения специальных очистных сооружений и выполнения работ по ликвидации или уменьшению негативного воздействия источников распространения загрязняющих веществ как внеруслового, так и руслового происхождения. 1. Мероприятия и работы, проводимые на водосборе: 1.1. Организационные (совершенствование природоохранного законодательства и нормативной базы; нормирование отходов, экологический контроль, инвентаризация мест размещения и обезвреживания отходов; повышение ответственности). 22 1.2. Технологические (рекультивация нарушенных земель; реабилитация загрязненных земель и территорий; создание водоохранных зон), связанные с регулированием поверхностного стока и недопущением попадания загрязняющих веществ в водоем. 2. Работы, выполняемые в акватории водного объекта (ликвидация источников руслового загрязнения (сапропели, минеральные илы, техногенные илы, плавающий мусор); очистка вод (от химических и бактериологических загрязнений, от сырой нефти и нефтепродуктов); активизация процессов самоочищения (устройство водохранилищ-отстойников, замедление движения воды, активизация окислительных процессов, устройство проточных мелководий, очистка воды фильтрованием, использование биофильтров); Этап №3. Окончательное технико-экономическое обоснование проекта инженерно-мелиоративного обустройства. Стадия №4. Осуществление проекта инженерно-мелиоративного обустройства водного объекта на основе системного подхода. Стадия №5. Инженерно-экологический мониторинг функционирования преобразованной техно-природной системы, обеспечивающий поддержание экологического состояния природно-территориального комплекса водного объекта, и осуществление природоохранных мероприятий. Основная задача выполняемых природоохранных мероприятий и инженерно-экологических работ на водосборе – уменьшение образования отходов и недопущение несанкционированного сброса загрязняющих веществ на рельеф водосбора. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Состояние водных объектов сегодня является важнейшим показателем экологического благополучия города, так как они являются неотъемлемыми элементами всей ландшафтно-архитектурной системы мегаполиса, поддерживают гомеостаз ландшафта, выполняют санитарнобиологическую, климатообразующую, культурно-историческую, рекреационную функции. 2. Практически все городские водоемы и водотоки представляют собой природно-антропогенные или полностью антропогенные (техногенные) объекты. Интенсивность естественных процессов самоочищения в них зачастую несравнима с потоком поступающих в водную среду загрязняющих веществ. Все загрязняющие вещества, поступающие в водные объекты или продуцируемые ими, являются в конечном итоге следствием хозяйственной деятельности человека и продуктом действия вполне определенного источника загрязнения, образовавшегося в результате производственно-технологической деятельности. Следовательно, для сохранения городских водных объектов необходимо осуществление специальных инженерно-мелиоративных 23 мероприятий, т.е. комплексного решения инженерно-технических и экологических задач. 3. Необходимым звеном для определения целей и направления проекта инженерно-мелиоративного обустройства водного объекта являются инженерно-экологические изыскания по качественному состоянию природнотерриториального комплекса водного объекта с оценкой состояния прибрежной территории (водосбора) и качества водной среды в нем. Организационнотехническая система инженерно-экологических изысканий выполняет следующие задачи: – Сбор и распространение достоверной и оперативной информации о состоянии природно-территориального комплекса водоема, ориентированной на пользователя; – Анализ получаемой информации с целью оценки влияния источников распространения загрязняющих веществ на окружающую среду и составление прогнозов экологической ситуации; – Разработка проектов инженерно-технических и мелиоративных решений по улучшению экологической ситуации природно-территориальных комплексов водоемов. 4. Городские водные объекты являются композиционно-значимыми элементами всей ландшафтно-архитектурной системы мегаполиса. Экологическое состояние прибрежной территории, специфика ландшафта и качество водной среды подобных водоемов должно удовлетворять не только санитарно-гигиеническим нормам, но и эстетическим, видеоэкологическим и социально-психологическим требованиям. Поэтому в настоящее время основным критерием оценки качественного состояния городских водных объектов является уровень их качественного благоустройства. На основании результатов комплексных исследований различных городских водоемов, была уточнена классификация городских водных объектов по градостроительным и хозяйственным признакам и разработана универсальная классификация городских водных объектов по их целевому потенциалу и значимости. 5. Задачу восстановления водных объектов целесообразно решать, используя ландшафтный (системный) подход, который отражает необходимость инженерно-мелиоративного обустройства водных объектов, т.е. комплексного решения инженерно-технических и экологических задач. В соответствии с этим, в диссертационной работе разработана система приемов улучшения состояния водных объектов, включающая в себя 5 взаимосвязанных и взаимообусловленных стадий: Стадия №1. Предпроектный анализ исходной информации. Стадия №2. Предварительный выбор типа проекта и обоснование способов инженерно-мелиоративного обустройства водного объекта. Стадия №3. Разработка проекта инженерно-мелиоративного обустройства водного объекта. 24 Стадия №4. Осуществление проекта инженерно-мелиоративного обустройства водного объекта; Стадия №5. Инженерно-экологический мониторинг функционирования преобразованной техно-природной системы и осуществление природоохранных мероприятий. Список работ, опубликованных по теме диссертации Власов, В.А. Инженерно-мелиоративное обустройство водных объектов в городских условиях [Текст] / В.А. Власов, В.И. Сметанин // Мелиорация и водное хозяйство. – М.: ФГОУ ВПО МГУП, 2008. – №4. – С. 11–15. Власов, В.А. Очистка глубоких водохранилищ от продуктов заиления [Текст] / В.А. Власов // Сборник научных трудов «Роль молодых ученых в решении актуальных проблем мелиорации и водного хозяйства». – М.: ФГОУ ВПО МГУП, 2005. – С. 84–90. Власов, В.А. Инженерно-экологическое обустройство городских водных объектов [Текст] / В.А. Власов // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Роль природообустройства в обеспечении устойчивого функционирования и развития экосистем». – М.: ФГОУ ВПО МГУП, 2006. – Ч.1. – С. 84–90. Власов, В.А. Определение содержания тяжелых металлов в поверхностных водах с использованием фотоколориметра «Экотест-2020» [Текст] / В.А. Власов // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Роль природообустройства сельских территорий в обеспечении устойчивого развития АПК». – М.: ФГОУ ВПО МГУП, 2007. – Ч.1. – С. 27–31. Власов, В.А. Экологическое состояние городских водных объектов и их рекреационная значимость [Текст] / В.А. Власов, В.И. Сметанин // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Роль природообустройства сельских территорий в обеспечении устойчивого развития АПК». – М.: ФГОУ ВПО МГУП, 2007. – Ч.1. – С. 217– 225. Власов, В.А. Исследование экологического состояния р. Жабенки и Большого Садового пруда на территории парка сельскохозяйственной академии им. К.А. Тимирязева [Текст] / В.И. Сметанин, В.А. Власов // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Роль мелиорации и водного хозяйства в реализации национальных проектов». – М.: ФГОУ ВПО МГУП, 2008. – Ч.1. – С. 213–221. Власов, В.А. Восстановление городских водных объектов [Текст] / В.И. Сметанин, В.А. Власов // Водоочистка, водоподготовка, водоснабжение. – М.: Издательский дом «Орион», 2008. – №11. – С. 15–25. 25 Подписано в печать «22» апреля 2009 г. Формат 60х84 1/16 Тираж 100 экз. Объем 1,0 п.л. Заказ №232 Издательство Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» (ФГОУ ВПО МГУП). Типография Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» (ФГОУ ВПО МГУП). Адрес издательства и типографии: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 19. 26
