Глава 17
Воздействие на гидросферу

Вода, как было показано выше, представляет собой одну из наиболее важных компонент, обеспечивающих жизнь на нашей планете. Вода прошла сложный эволюционный процесс вместе с биосферой и является ее неотъемлемой составной частью. Обладая рядом аномальных свойств, она влияет на протекающие в экосистемах сложнейшие физико-химические и биологические процессы. Нелишне упомянуть, что к таким свойствам относятся очень высокие и максимальные среди жидкостей теплоемкость, теплота плавления и испарения, поверхностное натяжение, растворяющая способность и диэлектрическая проницаемость, прозрачность. Кроме того, для воды характерна повышенная миграционная способность, определяющая ее взаимодействие с другими, в том числе и вмещающими, средами. Перечисленные свойства создают потенциальную возможность накопления в воде очень высоких количеств самых разнообразных загрязняющих веществ, в том числе патогенных микроорганизмов.

Но дело не только в загрязнениях, с водой у человека и у человечества весьма сложные отношения. Человек в последние десятилетия стал оказывать существенное влияние на гидросферу и водный баланс планеты. Антропогенные преобразования вод континентов уже достигли глобальных масштабов, нарушая естественный режим даже крупнейших озер и рек земного шара. Этому способствовали строительство гидротехнических сооружений (водохранилищ, оросительных каналов, систем переброски вод), увеличение площади орошаемых земель, обводнение засушливых территорий, урбанизация, загрязнение пресных вод промышленными, коммунальными стоками и т. д. В настоящее время в мире эксплуатируется и строится около 30 тыс. водохранилищ (объемом каждое более 1 млн. м3), объем вод которых превысил 6000 км³ (это 6 искусственных бассейнов, подобных бывшему Аральскому морю в состоянии на 1960 г.). Но 95% этого объема приходится на крупные (объемом более 100 млн. м³) водохранилища (табл. 31, 32). Из них видно, что в мире имеется 2442 крупных водохранилища, при этом их наибольшее количество приходится на Северную Америку - 887 (из них только в США - 689) и Азию - 647 (из них в Индии - 202, Китае - 147). На территории бывшего СССР было построено 237 крупных водохранилищ, в том числе самое крупное в мире по объему вод водохранилище долинного типа - Братское (объемом 169 км³) и второе в мире по площади зеркала - Куйбышевское (5900 км³).

290

291

В целом, хотя площади водохранилищ в мире составляют всего 0,3% земельных угодий, они при этом увеличивают устойчивый речной сток на 27% и одновременно оживляют некоторые сопутствующие эксплуатации водохранилищ негативные процессы: изменяется режим грунтовых вод, акватории захватывают значительные участки плодородных земель, активизируют засоление почв и т. д. Создание водохранилищ и крупных ГЭС оказало негативное влияние на режим многих речных систем, в частности, сооружение Волжско-Камского и Днепровского каскадов водохранилищ превратило "великие" самоочищающиеся реки в непрерывную цепь водоемов с очень осложненной экологической обстановкой и создало новые антропогенные водные экосистемы.

В России крупные водохранилища (90 % из 237 в бывшем СССР), имеющие площадь зеркала 15 млн. га, занимают около 1 % ее территории, но из этой величины 60 - 70 % составляют затопленные земли. В России созданы крупные системы переброски воды для целей водоснабжения и орошения. Их перечень показан в табл. 31. Все эти гидротехнические сооружения привели к деградации речных экосистем, особенно рек европейской части, Урала, юга России, где сосредоточена только одна четверть стока рек, а водозабор составляет три четверти от суммарного общего водозабора.

В связи с этим необходимо остановиться на водопотреблении как одном из экологических факторов, активно влияющем на устойчивость экосистем. В целом под водопотреблением понимают использование водных ресурсов для удовлетворения нужд населения, промышленности, сельского хозяйства и т. д. Различают возвратное водопотребление - с возвращением забранной воды в источник (промышленность, водохранилища, коммунальное хозяйство) и безвозвратное водопотребление - с расходом ее на фильтрацию, испарение и т. п. (в основном сельское хозяйство). Хотя запасы речных вод невелики (всего 1200 км3 или 0,0001% объема всей гидросферы), но, обладая значительной способностью к возобновлению и самоочищению, они обеспечивают основной объем потребляемой воды в быту и хозяйстве (Вронский В.А., 1996).

По А.Н. Тетиору (1992, с. 19 - 20), на бытовое, промышленное и сельскохозяйственное водоснабжение расходуется до 3500 км³ в год пресной воды, причем ежегодный прирост составляет 10 млрд. м3. Безвозвратно потребляется около 150 км³ в год, остальная же вода возвращается в виде стоков. Наибольший объем пресной воды используется в сельском хозяйстве - около 70% всего потребления. В химической промышленности на производство 1 т азотной кислоты уходит более 100 м³ воды, на изготовление 1 т синтетического волокна и пластмасс - около 1000 м3. В металлургии на производство 1 т чугуна требуется 200 м³ воды, 1 т никеля - 4000 м³. Электростанция мощностью 1 млн. кВт использует до 62,5 млн. м³ воды в год, а для охлаждения

292

турбогенераторов всех тепловых станций в мире расходуется около 250 км3 пресной воды.

Бытовое потребление воды в современном городе составляет от 200 до 300 л на человека, поэтому город с населением 3 млн. чел. в сутки потребляет до 20 млн. м³ воды, а в год - до 1 км³, причем к качеству бытовой воды предъявляются высокие требования по совокупности органолептических качеств.

В начале XX в. произошло резкое увеличение водопотребления (почти в 7 раз). В табл. 32 показана динамика водопотребления по видам хозяйственной деятельности. В 1900 г. площадь орошаемых земель в мире составляла 47 млн. га, а к настоящему времени уже достигла 347 млн. га. Примечательна динамика водопотребления по отдельным континентам, с начала XX в. к настоящему времени в Европе она возросла в 18 раз, в Северной Америке - в 12, в Азии - в 8 раз. Причем наибольшая величина водопотребления приходится на Азию - 3140 км³/год (или 60% от общемирового), где располагаются основные орошаемые площади земного шара, на Северную Америку - 796 км³/год (более 15%), Европу - 673 км³/год (13% от мирового водопотребления). К настоящему времени с начала века водопотребление в нашей стране возросло более чем в 9 раз, при этом основной потребитель воды опять же сельское хозяйство (57 %). Потребление воды на промышленные нужды составляет около 30%; на коммунальное хозяйство - 8%.

В России в 1991 г. водопотребление составило 117 км³, из которых на нужды промышленности использовано 53%, на сельское хозяйство - более 20%, на хозяйственно-питьевые нужды - 15% и т. д.

На многих реках России водозабор превысил все допустимые нормы и сейчас составляет более 50% от среднего многолетнего стока (р. Кубань, Дон, Терек, Урал, Исеть, Миасс и др.). На р. Дон водозабор составил 64%, причем более 60% его приходится на маловодный летний период.

Основной объем воды (около 96%) сосредоточен в Мировом океане. Воды суши, представляющие наибольший интерес в экологическом отношении, подразделяют на поверхностные, не защищенные от загрязнения (озера, водохранилища, водотоки) и более защищенные подземные воды.

В естественных условиях химический состав вод регулируется природными процессами. Поддерживается равновесие между поступлением химических элементов в воду и выведением их из нее. Лишь на отдельных (обычно небольших) участках наблюдаются аномальные концентрации некоторых микроэлементов. Антропогенное изменение химического состава вод обусловлено попаданием в гидросферу огромного количества сточных вод, содержащих отходы промышленного и сельскохозяйственного производства, коммунально-бытовые стоки. Они уменьшают в реках, озерах и грунтовых водах количество растворенного

293

кислорода, изменяют условия разложения органических веществ, увеличивают концентрации азота, фосфора, различных металлов, хлорорганических соединений и прочих ядохимикатов, т. е. в конечном счете влекут за собой ухудшение качества воды (табл. 33).

Примечание. В числителе - полное недопотребление, в знаменателе - безвозвратные потери.

Качество воды - это характеристика состава и свойств воды, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования. Качество воды оценивается комплексом разнообразных показателей. Большинство показателей применяется для оценки любого происхождения и назначения. Однако в зависимости от степени загрязненности воды и вида водопользования число и набор показателей, достаточных для характеристики ее качества, может существенно изменяться. Основными показателями качества воды являются ионный состав, общее солесодержание, цветность, запах и вкус, жесткость, щелочность, содержание железа, марганца и некоторых других элементов.

Под истощением вод понимается сокращение количества воды в водном объекте, происходящее под влиянием человеческой деятельности и носящее устойчивый характер. Зачастую недостаток пресной воды обусловлен качественным истощением водных ресурсов, т. е. загрязнением и засорением водотоков и водоемов различными химическими веществами и "мусором".

Водотоки и водоемы считаются загрязненными, если состав или состояние их вод изменены в результате деятельности человека до такой степени, что они стали непригодными для целей, которым они служили до начала их использования человеком. Загрязнение поверхностных природных вод - это процесс изменения физических, химических или биологических свойств природных вод при попадании в них различных

294

веществ, который может оказать вредное воздействие на человека и природу, а также ограничить возможность использования воды. Веществом, загрязняющим воду, является каждое соединение, вызывающее нарушение норм качества воды.

Под засорением поверхностных природных вод следует понимать поступление в водотоки и водоемы посторонних нерастворимых предметов, например древесины, металлолома, шлака, строительного мусора и т. д. Серьезный вклад в засорение вносит лесосплав. Около 90 % древесины, заготавливаемой в нашей стране, транспортируется по воде. Современный объем лесосплава составляет 130 млн. м³ в год; для него используются более 2000 рек, 250 озер, 11 крупных водохранилищ. Лесосплав не предъявляет к качеству воды требований, но сам является источником загрязнения водотоков затонувшей древесиной и различными попутными отходами. Потери при молевом сплаве нередко достигают 30% первоначального количества древесины, что является серьезным фактором ухудшения качества воды, в частности, для рыбного хозяйства.

Загрязнение природных вод обусловлено многими причинами как природного, так и техногенного характера. Источниками загрязнения поверхностных и подземных вод являются химические вещества, микроорганизмы или тепло. Наибольший вред наносят сточные воды бытовой и производственной деятельности человека. В прошлые времена загрязненных сточных вод было относительно мало и они были преимущественно коммунально-бытового происхождения. Такие воды многократно разбавлялись большим количеством чистой воды рек, а процессы самоочищения освобождали воды от загрязняющих веществ. В современном индустриализированном обществе положение существенно изменилось: резко увеличилось водопотребление, количество стоков, значительно расширился состав загрязнителей и, наконец, запасы чистой воды для разбавления и самоочищения стали катастрофически сокращаться.

Примеси, поступающие в водные объекты, можно подразделить на минеральные, органические и биологические. К минеральным загрязняющим веществам относятся песок, глина, различные золы, шлаки, растворы солей, кислот, щелочей, эмульсии масел, радиоактивные и другие неорганические соединения. Органические загрязнители - это разнообразные вещества растительного и животного происхождения, а также многочисленные отходы в виде смол, фенолов, красителей, спиртов, альдегидов, серо - и хлорсодержащих органических соединений и т. д. Биологические загрязняющие вещества играют особую роль в жизни водоемов. С бытовыми сточными водами и стоками некоторых производств в водоемы и водотоки попадают болезнетворные бактерии и вирусы, возбудители инфекций.

Качество природных вод во многих районах Земли ухудшилось настолько, что исгтолкчонатъ и\ лля теплоснабжения невозможно. Это

295

объясняется не только неуклонным ростом безвозвратного водопотребления, но и возрастанием объема все более разнообразных стоков различного происхождения.

Для разбавления 1 м³ неочищенных сточных вод необходимо 20-30 м³ (а в некоторых случаях на 3 - 5 порядков выше) природной чистой воды (табл. 34). В настоящее время около половины всех сточных вод мира сбрасывается в реки и моря неочищенными. Например, ежедневно со сталелитейных заводов Чикаго в озеро Мичиган поступает 378,5 млн. л сточных вод, содержащих 0,8 т цианидов, 7,6 т аммиака, 0,84 т взвешенных веществ и 8,5 т нефти. В сточных водах одного целлюлозно-бумажного комбината средней мощности содержится такое же количество органических веществ, как в сточных водах города с населением в 2,5 млн. человек. О составе сточных вод нефтеперерабатывающих заводов дает представление табл. 35.

Специфическими токсическими свойствами обладают сточные воды содовых, сернокислотных, азотно-туковых заводов, электрохимических производств, заводов черной металлургии, машиностроительных

296

предприятий, рудников по добыче руд, содержащих цветные металлы. Эти стоки содержат оксиды, гидроксиды, соли тяжелых металлов, цианиды, роданиды, щелочи, мышьяк. Столь же опасны сточные воды химических, коксохимических, газосланцевых предприятий, содержащих смолистые вещества, фенолы, меркаптаны, органические кислоты, альдегиды, спирты, красители. Свой негативный вклад вносят горнодобывающие предприятия. Так, в США из угольных шахт ежегодно в водоемы попадает до 3 млн. т серной кислоты.

Особый вид загрязнения водных объектов - тепловое, которое вызывается сбросом в реки или водоемы нагретой воды, используемой для охлаждения агрегатов промышленных предприятий, тепловых и атомных электростанций. В местах выхода теплых вод образуются зоны, в которых температура выше, чем во всем водоеме: около + 12° С зимой и + 30° С летом. Это приводит к повышенному накоплению органических веществ в воде, что отрицательно сказывается на устойчивости водных экосистем. Тепловое загрязнение стимулирует рост водорослей, вызывающих "цветение" водоемов (массовое развитие фитопланктона, что изменяет окраску воды).

Значительное количество загрязняющих веществ сбрасывается в реки и водоемы с коммунально-бытовыми стоками, т. е. со сточными водами городов и других населенных пунктов; объем этих стоков нарастает вслед за ускоряющейся урбанизацией. Бытовые стоки имеют сравнительно постоянный качественный состав, но характеризуются неравномерностью сбросов.

В последнее время все более возрастающее внимание уделяется поверхностному стоку с городских территорий. По степени загрязненности поверхностный сток с них соответствует бытовым сточным водам, а в некоторых случаях даже превосходит по отрицательным характеристикам (табл. 36). Качественная и количественная характеристика стока зависит от благоустройства городских территорий и

297

городов. Наиболее характерным компонентом поверхностного стока являются взвешенные вещества, содержание которых может изменяться от 150 до 11 300 мг/ и более.

Помимо взвешенных веществ в состав стока входят различные растворенные химические вещества и биогенные элементы. Органическое вещество в поверхностном стоке (как, впрочем, и во всех природных водах) имеет настолько разнообразный состав, что его охарактеризовать химически довольно затруднительно. Поэтому оценку уровня загрязнения производят по косвенным показателям, используя тест на биохимическую потребность в кислороде (БПК₅), который позволяет определить количество кислорода, расходуемого в процессе бактериального разложения органического вещества за 5 суток при стандартных условиях. Для этой же цели иногда используют тест на химическую потребность в кислороде (ХПК), но он характеризует общее содержание органики, а не ту часть, которая более легко разлагается бактериями и не дает представления о скорости потребления кислорода. ХПК дождевого стока может изменяться в пределах 30 - 1500 мг кислорода на 1 л, а БПК₅ в пределах 3 - 150 мг кислорода на 1 л.

Поверхностный сток с освоенных хозяйственной деятельностью человека территорий формируется выпадающими атмосферными осадками, поливными и моечными водами и зависит от продолжительности периода сухой погоды.

Концентрация загрязняющих компонентов колеблется в широком диапазоне в зависимости от отраслевой принадлежности предприятия. Усредненные данные о составе отдельных компонентов в поверхностном стоке с территории промышленных предприятий представлены в табл. 37.

298

Одним из опасных загрязняющих водные ресурсы веществ стали в настоящее время поверхностно-активные вещества (ПАВ). Эти вещества снижают способность воды к насыщению кислородом, парализуют деятельность микроорганизмов, разрушающих органические вещества; сами же ПАВ плохо поддаются биохимическому разложению.

Важным источником загрязнения внутриконтинентальных водотоков и водоемов следует считать речной транспорт, с которого поступают подсланевые воды, содержащие нефтепродукты, отработанные масла и канцерогенные полициклические углеводороды, хозяйственно-бытовые стоки, сухой мусор с судов, нефть и другие жидкие и твердые отходы.

В последние годы в связи с нарастающими объемами сельскохозяйственного производства все большую значимость приобретает проблема загрязнения природных вод поверхностным стоком с полей, лесов и других угодий. Условно загрязнение природных вод этим видом стока можно подразделить на три группы:

• биогенные вещества, поступающие в реки и водоемы в результате вымывания удобрений из почвы;
• ядохимикаты (пестициды, инсектициды, гербициды, дефолианты и др.), смываемые с полей или распыляемые с самолетов;
• продукты водной эрозии почв, включающие в себя органические и неорганические вещества, а также ядохимикаты (табл. 38).

Примечание. В скобках приведены максимальные значения; по ФРГ указаны средние значения.

299

Около половины аккумулируемых в реках твердых материалов смывается с сельскохозяйственных земель (более 4 млрд. т/год). Отходы животноводства в США составляют более 1 млрд. т/год, которые являются основным поставщиком азота в поверхностные и подземные воды.

При этих концентрациях для большинства свободноплавающих организмов условия в экосистемах становятся близкими к "летальным". Концентрация полихлорированных или полибромированных бифени-лов (ПХБ и ПББ), близких к хлорорганическим пестицидам и по поведению, и по токсичности, в реках США изменяется от 0,01 до 0,45 мг/л.

Эвтрофикация. Главным источником биогенных элементов в поверхностных водах все больше становятся удобрения. Так, средняя концентрация нитратов в поверхностных водах США составляет около 2 мг/л, а в реках Великобритании средняя годовая концентрация нитратного азота колеблется в пределах 0,4-6,2 мг/л, хотя отмечены повышения до 20 мг/л (А.А. Беккер, 1989). Одним из наиболее неблагоприятных последствий загрязнения водоемов является ускоренное повышение биопродуктивности водоемов в результате накопления в ^оде биогенных веществ. Это явление носит название эвтрофикации (эвтрофирования). Иногда биопродуктивность водоемов повышается и за счет естественных факторов, но, как правило, последствия его достаточно быстро компенсируются внутренними "способностями" экосистемы. Биогенные компоненты поступают в природные экосистемы как водным, так и воздушным путем. Так, сейчас в мире используется свыше 30 млн. т/год мыла и детергентов - фосфатосодержащих моющих веществ. В эвтрофировании водоемов принимают участие два главных биогенных элемента - азот и фосфор, которые и поступают из удобрений. Также важным источником поступления фосфора в водные экосистемы служат атмосферные аэрозоли, выбрасываемые предприятиями теплоэнергетики; при сжигании твердых бытовых отходов на мусоросжигательных заводах; от выбросов заводов по производству удобрений. Много фосфора поступает в атмосферу, а затем попадает в водоемы с осадками, при антропогенной эоловой эрозии почвенного покрова - от 3700 до 6600 тыс. т/год. Только от сжигания твердого ископаемого топлива выбрасывается в атмосферу до 60 тыс. т/год фосфора. Зачастую из атмосферы в водоемы биогенов (особенно фосфора) поступает больше, чем с поверхностным стоком.

В целом эвтрофирование водоемов является естественным процессом, но его развитие следует оценивать в рамках времени геологических процессов. Так, если растительные остатки, отходы жизнедеятельности животных и человека возвращаются в исходную почву, то образуется замкнутый круговорот биогенных веществ. Однако за последние 10 - 20 лет произошло резкое увеличение использования биогенных компонентов, что в конечном счете нарушило имеющийся их круговорот и

300

привело к возникновению процессов антропогенного эвтрофирования с весьма уменьшенным временным масштабом - до нескольких десятилетий и значительно меньше. Данный процесс затронул многие крупнейшие пресноводные озера Европы (Ладожское, Женевское, Балатон и др.), США (Великие Американские озера), Канады, Японии и т. д.

По данным Б. Хендерсона-Селлерса и X. Маркленда (1990), основными критериями для характеристики процесса эвтрофикации водоемов являются:

• уменьшение концентрации растворенного кислорода в водной толще;
• увеличение концентрации биогенных веществ;
• увеличение содержания взвешенных частиц, особенно органического происхождения;
• последовательная смена популяций водорослей с преобладанием си незеленых и зеленых водорослей;
• уменьшение проникновения света (или возрастание мутности воды);
• увеличение концентрации фосфора в донных отложениях;
• значительное увеличение биомассы фитопланктона (при уменьшении разнообразия видов) и т. д.

Изменения физико-химических и биологических параметров состояния конкретного водоема могут оказать влияние на характер трофических связей и состав гидробионтов. Так, увеличение поступления биогенных веществ (особенно азота и фосфора) в Великие Американские озера привело к их эвтрофированию, при этом особенно пострадали озера Эри и Мичиган; статус олиготрофного водоема пока сохранили озера Гурон и Верхнее. В эвтрофированных озерах произошла перестройка в трофических цепях: в фитопланктоне доминирующую роль приобрели синезеленые водоросли, а это, в свою очередь, привело к смене зоопланктона и в конечном счете сказалось на составе ихтиофауны (американская селедка вытеснила высокосортные породы рыб - хариуса, сига, головня). Аналогичные процессы происходят в Женевском, Ладожском, Балатоне и других крупных озерах. Интенсивно идут процессы эвтрофирования в крупнейшем озере Японии - Бива, в котором за последние годы биомасса фитопланктона возросла более чем в 10 раз. Обилие азота и фосфора в водной толще способствовало размножению перидиниевых водорослей, что привело к возникновению ежегодных "красных приливов" (с апреля по июнь). Цветение воды резко ухудшило ее качество и создало трудности для водоснабжения прилегающих населенных пунктов.

Иногда активизации процесса эвтрофирования (помимо поступления биогенных веществ) могут способствовать и другие антропогенные факторы. Например, создание Севане-Разданского ирригационно-энергетического комплекса (1936-1977) привело к значительному

301

понижению (более чем на 18 м) уровня озера Севан. Это, в свою очередь, повлекло рост биопродуктивности водоема и накопление автохтонного органического вещества в донных осадках. "Цветение воды" вызвало к жизни новый источник накопления запасов азота в водоеме за счет фиксации атмосферного азота синезелеными водорослями, что и способствовало усилению эвтрофирования. Переход озера Севан в статус эвтрофного водоема привел к дестабилизации его экосистемы и к значительной перестройке структуры трофических связей гидробионтов. Процессы эвтрофирования также охватили многие речные экосистемы (особенно малые реки), замкнутые и полузамкнутые морские бассейны. Особенно пострадало Балтийское море, в котором в 30-х годах в донных осадках отсутствовал сероводород, а в 1975 г. площадь сероводородной зоны достигла 84 тыс. км2. Как уже отмечалось, во многих морях участились "красные приливы", связанные с чрезмерным сбросом в них органических веществ и массовой вспышкой численности пирофитовых водорослей (динофлагеллят).

"Эпидемия" антропогенного эвтрофирования водных экосистем привлекла внимание к древнейшим организмам, появившимся еще в архее (2-3 млрд. лет назад) - к синезеленым водорослям. В настоящее время их около 2000 видов, причем они вездесущи - широко распространены в водоемах, почве и т. д. Основными их питательными веществами являются фосфор и азот, причем потребность в азоте они удовлетворяют за счет азотфиксации, а в фосфоре - только из воды. Продуктивность синезеленых водорослей в водоемах умеренной зоны всегда лимитировалась низкой концентрацией фосфора в воде, но так было до середины XX века. Бурное развитие промышленности, широкое применение минеральных удобрений, производство моющих средств (на фосфорной основе), отходы животноводства и многие другие антропогенные причины привели к резкому увеличению в водоемах биогенных веществ. Это привело к массовой вспышке численности синезеленых водорослей в водоемах и в конечном счете к их деградации (ухудшение качества воды, изменение состава гидробионтов, заморы рыб и др.).

Первое научное упоминание токсичного цветения в пресноводных водоемах Австралии, вызвавшего гибель овец, лошадей, свиней, собак, сделал в 1878 г. Дж. Френсис. С тех пор появилось множество свидетельств таких токсичных цветений в различных водоемах мира. Так, токсичность синезеленых водорослей во время их цветения установлена в Киевском водохранилище на р. Днепр, в Куршском заливе Балтийского моря и т. д. Особенно им благоприятствуют в умеренных широтах подогрев воды в водохранилищах-охладителях и замедленный водообмен (они плохо переносят быстрые течения). По данным ряда специалистов, синезеленые водоросли в результате своей жизнедеятельности производят сильнейшие токсины (алкалоиды, низкомолекулярные пептиды и др.), которые сами не используют, но при попадании

302

их в водную толщу создают опасность для живых организмов и человека. Токсины могут вызывать цирроз печени, дерматиты у людей, отравление и гибель животных. Поэтому основным ограничивающим фактором "цветения" синезеленых водорослей является уменьшение сброса биогенных веществ (в основном фосфора) в водные экосистемы. Эвтрофирование водоемов стало серьезной глобальной экологической проблемой.

В связи с непрерывно возрастающим загрязнением поверхностных вод подземная гидросфера становится практически единственным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения населения. Поэтому ее охрана от загрязнения и истощения, рациональное использование имеют важнейшее экологическое значение. Положение усугубляется тем, что природные для питья подземные воды залегают в самой верхней, наиболее подверженной загрязнению части артезианских бассейнов и других гидрогеологических структур, а реки и озера составляют всего 0,019% общего объема воды. Опасность загрязнения подземных вод заключается в том, что подземная гидросфера (особенно артезианские бассейны) является конечным резервуаром накопления загрязнителей как поверхностного, так и глубинного происхождения. Долговременный, во многих случаях необратимый характер имеет загрязнение бессточных водоемов суши.

Исследования, проведенные за рубежом и в России, выявили положительную корреляционную связь между степенью загрязнения питьевой воды и здоровьем человека. Известен факт, что в 1986 г. в штате Южная Дакота (США) из-за употребления загрязненной нитратами колодезной воды умер двухмесячный ребенок вследствие метгемоглобинемии (так называемый "синдром голубого ребенка"), которая связана с тем, что в крови человека нитраты переводят двухвалентное железо гемоглобина в трехвалентное и кровь теряет способность к переносу кислорода. Особенно опасны нитраты в питьевой воде для детей до 12 лет. В кислой среде нитраты образуют с вторичными аминами нитрозамины, многие из которых канцерогенны. Нитраты и нитриты провоцируют эмбриональную анемию. Повышенное содержание этих соединений в растениях способствует накоплению тяжелых металлов. Широко распространенные кариес зубов и флюороз обусловлены соответственно недостатком и избытком фтора в питьевой воде. Не меньшей проблемой является недостаток йода в воде из-за развития заболеваний щитовидной железы, особенно у сельских жителей. Такие районы известны от Крайнего Севера до Северного Кавказа на европейской части России, включая Подмосковье. Длительное же употребление воды с дефицитом йода влечет за собой умственную и физическую отсталость. Исследованиями в США установлена положительная связь рака мочевого пузыря с употреблением питьевой воды с высокой концентрацией хлора (в штате Массачусетс за 6 лет зафиксировано 1000 летальных исходов данного заболевания).

303

Предполагается, что это связано с образованием в хлорированной воде хлорпикрина. Серьезной проблемой оказалось, например, для Греции и Китая превышение сверх обычного в питьевой воде концентрации селена. Ввиду того что водоемы являются конечным пунктом перемещения стойких пестицидов, употребление загрязненной воды из них для питья приводит к весьма обширному списку заболеваний, а некоторые пестициды обладают влиянием на генетический аппарат. Особую опасность представляет загрязнение питьевой воды микроорганизмами, которые категорируются как патогенные и способны к формированию эпидемических вспышек среди населения и домашних животных. Отмечены случаи эпифитотий у культурных растений.

В настоящее время загрязнены важнейшие реки и озера в промышленных и наиболее населенных районах России. В результате сброса сточных вод в реки уменьшается их прозрачность, возрастает минерализация, увеличивается содержание меди, хрома, никеля, сероводорода, нефти, фенола и т. д. Измененный химический состав прослеживается часто на значительном расстоянии от источников загрязнения.

С промышленными и сельскохозяйственными сточными водами в водоемы и водотоки попадают многие токсичные соединения. Некоторые из них обладают кумулятивными свойствами, что проявляется как бы в "отложенном" временном выражении после накопления в организмах. Металлы, попадая в водоемы, отрицательно влияют на гидрохимические процессы самоочищения, замедляют восстановление качества воды в реке.

Загрязнение Мирового океана. Выше мы отмечали колоссальное экологическое значение Мирового океана в функционировании биосферы Земли. Он представляет собой географический объект со специфическим геологическим и геоморфологическим строением, геохимическими и физико-химическими процессами, которые протекают в толще вод и донных отложений. Отличается особым характером обмена энергии, вещества, информации в процессах взаимодействия с атмосферой и поверхностью литосферы - дном, а также своим растительным и животным миром.

Общеизвестно, что вода в океане соленая. Морская вода-это многоэлементный и к тому же питательный раствор, в котором природа выращивает миллиарды тонн растительного вещества. Масса растворенных солей достигает астрономической величины - 48 млрд. т; при этом на долю хлористого натрия приходится 38 млрд. т. Самое удивительное в этом растворе - не огромное количество солей, а постоянство их соотношения между собой. Соленость меняется в зависимости от испарения, речного стока и атмосферных осадков, но состав солей - это глобальная константа. Средняя соленость воды океана - 35%. В открытом океане она практически неизменна.

Однообразие состава солей указывает на единство Мирового

304

океана, на неразрывную связь между его отдельными частями, но в то же время это по существу загадка. Химический состав воды в реках, стекающих в океан на ранних стадиях существования планеты, был близок к составу нынешней океанской воды, а теперь в связи с изменением минерального состава суши произошло изменение и речных вод. Речные воды теперь несут меньше хлористых соединений, но больше карбоната кальция, и в связи с этим неясным остается причина сохранения высокой концентрации хлоридов в океане и куда же все-таки расходуется преобладающий в речной воде кальций. На протяжении многих сотен миллионов лет (по мнению акад. А.П. Виноградова, от 2 до 2,5 млрд. лет) поддерживается баланс минеральных веществ, определяющих соленость Мирового океана. Как установлено, за 37 тысяч лет реки могут вынести в океан такое количество воды, которое равно его объему. На протяжении геологической истории Земли такие периоды повторялись многократно. При существующей разнице в солевом составе речной и морской воды соленость морской воды за это время должна была бы измениться коренным образом, однако этого не произошло. Это тоже одна из неразрешенных загадок.

В составе морской воды обнаружено более 70 химических элементов, а также органическое вещество (гумус), детрит, которые находятся как в растворенном, так и во взвешенном состоянии, и живые организмы. Образование и разложение органики в океане имеют встречные векторы, поэтому в океане не происходит ни ее чрезмерного убывания или накопления. Содержание растворенного органического вещества, например, в Атлантическом и Тихом океане в среднем равно 2 мг на 1 кг воды, в Каспийском море - 6 мг/кг, Азовском море - 10 мг/кг. В "жидкую почву" океана ежегодно поступает 11,6 млрд. т гумуса, а в среднем в океане содержится 2000 млрд. т растворенного органического вещества.

Главными газами, растворенными в морской воде, являются азот, кислород и диоксид углерода. Содержание азота существенно меньше, чем в атмосфере; его используют только нитрифицирующие бактерии, живущие на дне или в природном слое.

В морской воде при температуре 10° С кислорода содержится в 1,5 раза больше, чем в воздухе. Годовой расход кислорода на дыхание и окислительные процессы в океане составляет 35 млрд. т.

Совершенно особое положение в морской воде занимает диоксид углерода, который содержится в растворенном виде, как свободная углекислота или в соединении с кальцием, магнием, другими веществами. Запас диоксида углерода в морской воде достигает 45 - 50 см³/кг. Растения на планете ежегодно поглощают (связывают) 175 млрд. т углерода; большая часть этого огромного количества приходится на долю морской растительности, хотя, как известно, общая биомасса морских растений против наземной значительно меньше.

В зависимости от местных условий океан "вдыхает" и "выдыхает"

305

газы - кислород и диоксид углерода. Подсчитано, что годовое усвоение углерода фитопланктоном в Тихом океане (без морей) составляет 9 млрд. т. На этом основании было вычислено, что фитопланктон выделяет при этом 24 млрд. т кислорода, из которых 14 млрд. т остается в растворенном виде в воде; одновременно фитопланктон потребляет 1,5 млрд. т азота, 0,2 млрд. т фосфора и 0,5 млрд. т железа.

По выполненным расчетам ежегодно в океан по - падает 27 080 млн. т различных веществ. Из них с твердым веществом речного стока выносится 17 444 млн. т, а с растворенным - 3403 млн. т, с моренным материалом ледников - 2393 млн. т, с продуктами абразии - 700 млн. т, с продуктами эолового переноса - 2000 млн. т, с растворенным веществом прямого подземного стока - 1000 млн. т, с кораблей сбрасывается 140 млн. т (рис. 76).

Биологические ресурсы Мирового океана являются одним из важнейших звеньев в экологической системе нашей планеты. Под этими ресурсами понимают обычно ту часть океанской биомассы, которая прямо или косвенно может быть использована человеком в виде продуктов питания. Мировой улов рыбы и морепродуктов составляет сейчас примерно 100 млн. т в год. Кроме этого, значительную часть биологических запасов океана составляет морская растительность, которая употребляется в пищу человеком и наземными животными, и как сырье для многих отраслей промышленности.

Для восполнения недостатка пресной воды в ряде районов планеты используется опреснение морской воды. Общая производительность опреснительных установок мира к настоящему времени достигает примерно 85 млн. м³/сут.

Сегодня Мировой океан привлекает серьезное внимание человека как хранилище огромных минерально-химических и энергетических ресурсов. Во многих районах дно Мирового океана устлано крупными железомарганцевыми конкрециями, запасы которых выражаются астрономическими цифрами до 300 - 350 млрд. т; обнаружены месторождения меди, алмазов, каменного угля, не говоря уже о запасах нефти

306

и газа, в частности, прогнозные оценки запасов морской нефти составляют 60 - 150 млрд. т.

Мировой океан является источником богатейших биологических, промышленно-сырьевых и энергетических ресурсов, но их эффективное освоение возможно только в случае радикального решения проблемы защиты океанских вод от загрязнения.

Это загрязнение связано главным образом с поступлением огромного количества антропогенных вредных веществ на его акваторию (нефтяные углеводороды, биогенные компоненты, пестициды, тяжелые металлы, радионуклиды и др.). Постоянно увеличивающаяся нагрузка на Мировой океан ведет к постепенной деградации морских экосистем с неблагоприятными экологическими последствиями. В настоящее время в океан ежегодно поступает более 30 тысяч различных химических соединений в количестве до 1,2 млрд. т. На рис. 76 показаны основные пути попадания загрязняющих веществ в моря. Это прямой сброс, поступление токсикантов с речным стоком и из атмосферного воздуха, в результате уничтожения отходов в море, а также морским транспортом и во время аварий танкеров. Атмосфера является источником поступления важнейшего для морских экосистем биогенного компонента - фосфора (1,4 × 10⁵ т/год), а также синтетических органических соединений (углеводородов, ПХБ и др.).

В водах океана уже сконцентрировано около 500 тыс. т ДТ и с каждым годом это количество возрастает на 45 тыс. т. Глобальное распространение получили хлорорганические соединения, обладающие высокой биоаккумулирующей способностью и резким токсичным эффектом. Степень такого воздействия на экосистему океана представлена в табл. 39, где видна доля антропогенного вклада в загрязнение океана приоритетными токсикантами.

Нефтяное загрязнение представляет особую опасность для морских экосистем, так как по последним оценкам от 20 до 30 % поверхности Мирового океана покрыто нефтяными пленками. Эти пленки, чрезвычайно тонкие, но весьма активные, способны нарушать важнейшие

307

физико-химические процессы в океане, что приводит к весьма нежелательным последствиям глобального масштаба, а на более низких уровнях отрицательно влияет на функционирование гидробиоценозов. Нефтяные пленки, будучи молекулярно устойчивыми, накапливаются в поверхностном слое воды, в донных осадках, морских организмах и, передаваясь по трофическим цепям, создают угрозу здоровью человека при употреблении в пищу рыбы и морепродуктов. Как предполагается, в морскую среду поступает около 3,5 млн. т нефти и нефтепродуктов. К началу 2000 г. объем ежегодных морских перевозок составляет примерно 1,8 млрд. т нефти из более чем 3,5 млрд. т добываемой нефти на планете. В 1992 г. танкерный флот перевез 1,3 млрд. т сырой нефти и 0,33 млрд. т нефтепродуктов (для справки: танкерный флот имеет численность более 6000 танкеров, суммарная грузоподъемность которых достигает 280 млн. т). В табл. 40 приведены основные источники загрязнения морской среды различными нефтеуглеводородами. Из этой таблицы видно, что почти 50% нефтепродуктов в виде загрязнителей поступает за счет эксплуатации танкерного флота. Попадание нефти в моря в результате аварий танкеров оценивается в 0,2 - 0,3 млн. т (около 10% от общего поступления). Однако на региональном уровне крупные разливы нефти означают экологическую катастрофу местного масштаба, что сопровождается массовой гибелью птиц и морских животных, упадком рыболовства и т. д. Достаточно вспомнить аварию 18 марта 1967 г. либерийского танкера "Торри Карьон" с грузом

308

117 тыс. т сырой нефти у берегов Корнуэлла (Великобритания). При ликвидации аварии, для того чтобы поджечь и таким образом уничтожить вылившуюся нефть, танкер бомбили с воздуха. Было сброшено около 100 бомб, 47 т напалма и 90 м3 керосина. В результате погибло более 8000 морских птиц. Аналогичные аварии с разливом большого количества нефти отмечались и в последующие годы: 1970 г.- 29, 1989 г. - 11, 1991г.- 7.

Концентрация нефтепродуктов в различных районах Мирового океана колеблется в широких пределах, мкг/л: Тихий океан (северозападная часть)-0-200; Атлантический океан (северо-восточная часть) - 0 - 160; Северное море - 0 - 350; Средиземное море - 0 - 950; Балтийское море 0,8 - 8.

В наибольшей степени от загрязнений страдают полузамкнутые моря с высокой интенсивностью судоходства. Так, на Средиземное море, которое составляет всего 0,7% площади океана, приходится до 17% всех загрязнений в океане. Среднее содержание нефти на поверхности Средиземного моря в 1990 г. составляло 38 мг/м2, в то время как для Мирового океана в целом - 0,8 мг/м². Поэтому для уменьшения загрязнения вод океана нефтепродуктами предпринимаются различные технологические и конструктивные меры, в том числе усовершенствования судов.

Реакции морских организмов на воздействие вредных веществ могут иметь негативные морфологические, физиологические,

309

биохимические и этологические (поведенческие) аспекты, а при больших дозах и длительном воздействии даже к гибели гидробионтов. Так, при значительной концентрации нефти в морской воде отмечается уменьшение скорости роста у мидий и двустворчатых моллюсков, снижается плодовитость, сокращается продукция фито - и зоопланктона и др. Загрязнение морской среды хлорированными углеводородами (пестициды, ДДТ и ПХВ) приводит ко многим заболеваниям морских млекопитающих, а также к негативным морфологическим последствиям (опухоли, аномалии позвоночника и деформации плавников у рыб, вирусные заболевания устриц, креветок и т. п.). В целом продолжающееся усиление антропогенной нагрузки на морскую среду влечет за собой все нарастающую деградацию гидробиоценозов с неблагоприятными медико-гигиеническими последствиями для человека (В.А. Вронский, 1996 г.).

Радиоактивное загрязнение морей и океанов. Основными источниками радиоактивного загрязнения Мирового океана являются:

• испытания ядерного оружия (атмосферные испытания проводились до 1963 г.);
• сброс радиоактивных отходов непосредственно в море;
• крупномасштабные аварии (ЧАЭС, аварии судов с атомными двигателями-реакторами);
• захоронение радиоактивных отходов на дне.

Во время испытания ядерного оружия, особенно до 1963 г., в атмосферу было выброшено огромное количество радионуклидов. Так, только на арктическом архипелаге Новая Земля было проведено более 130 ядерных взрывов (только в 1958 г. - 46 взрывов), из них 87 - в атмосфере.

Отходы английских, французских, американских, российских заводов, производящих ядерное топливо и другие радиоактивные материалы, осуществили значительное радионуклидное загрязнение северных морей.

Воды Мирового океана загрязнены наиболее опасными радионуклидами цезия - 157, стронция - 90, церия - 144, иттрия - 91, ниобия - 95, которые, обладая высокой биоаккумулирующей способностью, передвигаются по трофическим сетям, создавая таким образом существенную опасность для гидробионтов, наземных живых организмов и человека. Источники загрязнений имеют различную значимость, а к числу самых опасных необходимо отнести, в частности, затопленные в Карском море (вблизи архипелага Новая Земля) 11 тысяч контейнеров с радиоактивными отходами, а также 15 аварийных реакторов с атомных подводных лодок. Перечисление можно продолжить, но при этом, учитывая и другие виды негативных воздействий на Мировой океан, нужно вспомнить слова Жак-Ива Кусто: "Море - продолжение нашего мира, часть нашей Вселенной, владения, которые мы обязаны охранять, если хотим выжить".

310

Воздействия на морские побережья. Важным аспектом рассмотрения антропогенных воздействий на гидросферу является их оценка относительно морских побережий. Морские побережья представляют собой сложноорганизованные системы, где активно взаимодействуют абиотические факторы геосфер и биоты. С географической точки зрения, морское побережье - это пограничная полоса (типичный экотоп) между сушей и морем, характеризующаяся современными и древними береговыми формами рельефа и своеобразными сообществами организмов. Состоит из приморья, береговой зоны и прибрежья (пляжа). Общая протяженность береговой линии Мирового океана достигает 777 тыс. км, причем распространенными являются аккумулятивные берега (28,4% от их общей длины), а также неизмененные или слабо измененные -24%. Кроме того, на земном шаре преобладают берега относительно погружающиеся (со скоростью 1-5 мм/год) и стабильные, что важно при рассмотрении экологических последствий парникового эффекта.

С побережьями океана связана разнообразная и экономически важная хозяйственная деятельность человека, которая с каждым годом увеличивает антропогенные нагрузки на береговую зону практически во всех районах земного шара. Согласно данным ООН, в настоящее время почти 70 % жителей мира проживают в районе побережий океана (до 100 км шириной). В настоящее время в этой зоне только портов (с грузооборотом более 10 млн. т каждый) имеется более сотни, среди которых такие гиганты, как Роттердам, Иокогама (грузооборот более 150 млн. т), Лондон, Марсель, Антверпен (50 - 100 млн. т) и др. Для строительства портов у моря отвоевываются акватории (Нидерланды, Япония). Строительство в этих береговых зонах значительно нарушает природные процессы, что практически всегда имеет негативные последствия.

Современные процессы абразии обусловлены как природными причинами, так и антропогенными факторами. По данным австралийского исследователя Э. Берда (1990), более 70 % аккумулятивных берегов отступают от береговой линии со скоростью 10 см/год, а 20% песчаных и галечниковых берегов - более чем на 1 м в год. Такое преобладание абразионных процессов на берегах, сложенных песчаными грунтами, обусловлено следующими факторами:

• глобальное потепление климата и связанное с ним повышение уровня Мирового океана;
• гидротехнические сооружения (буны, волноломы и т. п.), сильно способствующие размыву морских берегов;
• добыча минерального сырья (песок, галька, коралловый материал для производства цемента и др.) в береговой зоне, приводящая к увеличению воздействия волн на берег и к истощению пляжей (только за период 1940-1970 гг. с побережий Черного моря и из русел впадающих в него рек было изъято более 30 млн. м3 песка и гальки, что привело в районе Сочи к уничтожению пляжа шириной 30 м). Для решения возникшей проблемы стали создавать отсыпные пляжи, которые сами по мере своего формирования становятся средством защиты побережий от размыва.

311

В последние годы серьезную опасность вызывают резко возросшие антропогенные воздействия на береговую зону в тропических районах Мирового океана. В частности, нарастающими темпами идет деградация растительного покрова морских побережий: в Индонезии, Таиланде, на Филиппинах уничтожаются мангровые заросли для создания рисовых полей и прудов для разведения креветок (например, в 1982 г. на Филиппинских островах для рыболовных прудов было вырублено 200 тыс. га мангров, что равняется примерно 50 % естественного их ареала). Аналогичные процессы деградации прибрежных лесов отмечены и в странах Карибского бассейна. Уничтожение мангровых зарослей на морских побережьях привело к интенсификации почвенной эрозии, а значит, и к повышению мутности прибрежных вод, что отрицательно сказалось на коралловых постройках. Кроме того, в этих районах Мирового океана хищнические методы лова (применение взрывчатых веществ, различных ядохимикатов и пр.) уничтожают богатейший органический мир кораллов. Например, в Шри Ланке добыча известняка и песка в береговой зоне составляет ежегодно 10 - 15 тыс. т, что обеспечивает до 40 % сырья для цементной промышленности.

Негативные воздействия на прибрежные экосистемы океанов оказывают рекреационная деятельность и туризм, особенно на островах Индийского океана. Неумеренный сброс неочищенных сточных вод в прибрежную зону океана оказывает отрицательное влияние на природные ландшафты, нанося значительный вред маринокультуре и рыбной промышленности. Поступление большого количества биогенов в прибрежную зону вызывает все учащающиеся "красные приливы" (Вронский В.А., 1999, с. 192-195).

Подземные воды являются достаточно надежным источником водоснабжения для множества населенных пунктов и эксплуатируются либо в настоящее время, либо являются перспективными запасами. Подземные воды повсеместны, но их распространение в недрах Земли контролируется тектоническими структурами, обусловливая как режим, так и состав вод.

Как компонент экосистемы подземные воды также обладают существенными особенностями. Они, как правило, занимают один из нижних энергетических уровней в гравитационном поле Земли, а это обусловливает их способность к накоплению загрязняющих веществ. Благодаря проницаемости и высокой емкости водоносных пород загрязняющие вещества могут переноситься на значительные расстояния и накапливаться в опасных количествах. Так называемая самоочищающая способность подземных вод по отношению к большинству

312

загрязнителей невелика. Этот эффект имеет значение только для бактериального заражения, взвешенных частиц и некоторых разлагающихся и самораспадающихся веществ. Естественная защищенность подземных вод от поверхностного загрязнения диктуется геологическим строением и гидрогеологическими свойствами зоны аэрации, свойствами почв и подстилающих их грунтов, а также природой самого загрязнителя. Несомненно, что подземные воды, залегающие в водоносных слоях, перекрытых сверху мощными слоями глинистых отложений (водоупоров), лучше защищены, нежели те, над которыми залегают распаханные почвы, покоящиеся на песчаных и супесчаных грунтах (Орлов М.С., 1997).

К общим экологическим проблемам использования подземных вод следует отнести то, что их добыча осуществляется децентрализованно - неглубокими колодцами и централизованно - водозаборными скважинами, объединяемыми в группы, батареи и другие системы, на которых основывается городской водопровод. При водозаборе из подземных вод создаются депрессионные воронки иногда весьма глубокие и даже оторванные от ближайших питающих поверхностных водопотоков и водоемов. В качестве примера можно привести центральную часть Московского артезианского бассейна, где длительная, более 100 лет, работа множества московских и подмосковных водозаборов сформировала региональную область депрессии площадью более 15 тыс. км , границы которой к 2000 г. расположились западнее Звенигорода, проходят севернее Сергиева - Посада, южнее Серпухова и восточнее Ногинска. Сформировавшаяся также техногенная инверсия напоров обусловила предпосылку нисходящего перетекания, что опасно и для качества питьевых артезианских вод, и для поверхностного стока. Кроме этого, возникает дополнительный фактор оживления суффозионно - карстовых процессов как в городе, так и в его окрестностях.

Характерная объединяющая черта антропогенных процессов загрязнения воды - это формирование высоких концентраций многих токсичных веществ в локальных участках среды обитания человека. Изменения химического состава природных вод в ряде регионов уже настолько значительны, что эти воды приобрели резко аномальные геохимические свойства.

Источники загрязнения подземных вод, к сожалению, весьма разнообразны и многочисленны особенно применительно к антропогенным причинам их образования. В частности, это фильтрат от свалок, стоки с промышленных площадок, транспорт, коммунальные стоки, сельское хозяйство, энергетические предприятия, в том числе и атомные электростанции.

Различные химические агенты, включая биогенные, при созданных концентрациях уже практически не поддаются не только управлению, но иногда даже и простому учету.

Концентрации аммоний - иона при этом достигают 15 г/л,

313

нитратов - 10 г/л, фтора - 3-5 г/л, что с экологической точки зрения можно рассматривать как устрашающие. По ряду загрязняющих веществ (прежде всего соединений азота и органических) некоторые гидрогеохимические системы уже находятся в необратимом состоянии и постепенно со временем нарастают в своих объемах. Эти системы способны удерживать очень высокие концентрации загрязнителей в растворенном состоянии. Главным в сложившейся ситуации является то, что антропогенным загрязнением гидросферы еще можно управлять даже вплоть до полного прекращения негативного воздействия.

При этом необходимо учитывать, что антропогенное загрязнение очень схоже с природным, а главное отличие в том, что при антропогенном загрязнении в природную среду поступают такие опасные соединения, как радионуклиды, пестициды и патогенные микроорганизмы (вирусы, бактерии и грибки).

Загрязнение подземных вод в значительных объемах происходит за счет фильтрата - токсичной жидкости, выделяющейся со свалок твердых бытовых отходов. Только в черте города в Москве по официальным данным насчитывается более 100 свалок, а "полуночных"-вообще никогда не подсчитывалось. Состав фильтрата примерно может быть следующим и почти близким для всех свалок: повышенная до 10 - 20 г/л минерализация, высокие содержания хлоридов и сульфатов, множество органических кислот (гуминовая, молочная, уксусная, пировиноградная и др.), так называемые "ураганные" концентрации тяжелых металлов (в том числе и наиболее токсичных, таких, как ртуть), медикаментозные, санитарно-больничные, бактериологические и гель-минтозные загрязнения. Известно, что в теле свалок идут активные процессы брожения и гниения, т. е. разложения органики, конечным продуктом которых являются вода, тепло, биогаз (диоксид углерода и метан). Нередки случаи самовозгорания биогаза с негативными экологическими последствиями, так как многие свалки насыщены синтетическими пластмассами, горение которых в низкотемпературном режиме приводит к образованию диоксинов, попадающих в атмосферу, в гидросферу, а далее в трофические сети экосистем.

Все внутримикрорайонные пункты сбора бытового мусора не имеют гидроизоляции и атмосферные осадки разбавляют выделяющийся фильтрат и беспрепятственно проникают в почвы, грунты и подземную гидросферу. Таких "точечных" источников загрязнения фильтратом только в Москве можно насчитать около миллиона.

Промышленные площадки также сбрасывают в подземную гидросферу значительное число загрязнителей. Немалая доля этих загрязнителей образуется и при строительных работах в городе и при эксплуатации городской застройки и транспортных магистралей.

Технологические трубопроводы и многие резервуары (в том числе и на бензозаправочных станциях) протекают, на различных погрузоч-но-разгрузочных площадках и подъездных путях встречается

314

повсеместное явление - это просоры и проливы грузов; ливнестоки практически не работают; стоки выводятся в поверхностные водотоки без надлежащей очистки. Однако еще большее воздействие оказывают отвалы, терриконы, отстойники, шлакохранилища и хвостохранилища (промышленные отходы), а также временные склады строительных материалов и кавальеры грунта при проходке котлованов. Особенно тяжелые последствия для подземных вод в данном случае связаны со старыми горными и химическими предприятиями, а также с так называемыми техногенно загрязненными территориями (площадками на месте ликвидированных промышленных предприятий). Экраны из глин и суглинков, которые устраиваются в основании и по бортам хранилищ, отстойников и полигонов, нередко оказываются недостаточно эффективными, хотя их устройство является безусловным правилом и элементами конструкции. Причина недостаточной эффективности заключается в том, что непроницаемые при фильтрации пресных вод глины могут существенно, на один - два порядка, увеличить свою проницаемость при фильтрации кислых или минерализованных жидкостей. Такие случаи были зафиксированы на прудах-отстойниках Соломбальского целлюлозно-бумажного комбината и на так называемых "Белых морях" - прудах-хранилищах шламов производственного объединения "Сода" в г. Стерлитамаке (Башкирия).

Транспорт представляет собой достаточно активный загрязнитель подземной гидросферы. Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, содержащие оксид и диоксид углерода, оксиды азота и серы, сажу, несгоревшие углеводороды и тяжелые металлы, оседают на растениях, почве, сооружениях, дорожном полотне. Потоки дождевых и снеготалых вод через практически нефункционирующую ливневую канализацию направляют вышеперечисленные загрязнители и продукты их взаимных реакций в грунтовые воды и в нижележащие напорные горизонты. Повсеместно необходимое, на значительной части России, но неоправданно чрезмерное и технологически необустроенное применение противогололедных смесей на транспортных магистралях и пешеходных участках катастрофически разрушает фитоценозы, деградирует почвы, снижает строительные характеристики грунтов, очень негативно сказывается на качестве грунтовых вод, что хорошо заметно по "вкусу" колодезной воды в придорожных деревнях и на внешнем облике, как правило, чахлой и угнетенной растительности. Степень воздействия солей из противогололедных смесей характеризуется следующим: за одну зиму на 1 м длины автомагистрали в среднем высыпают от 40 до 60 кг соли; Москва за зиму 1996-1997 гг. израсходовала для противогололедных мероприятий 300 тыс. т. соли. Именно "соли" в ее привычном обыденном смысле, так как это главным образом хлорид натрия - поваренная соль. В последнее время подготовлены другие варианты противогололедных смесей, но они также включают в себя хлориды натрия. Следует иметь в виду, что хлориды

315

натрия практически не задерживаются почвой, но существенно обедняют содержание в ней щелочноземельных элементов, полностью изменяют структуру почвы со всеми вытекающими последствиями для ее плодородия. Однако главным отрицательным моментом является даже не столько применение хлоридов натрия, сколько безграмотная технология, если это можно назвать технологией, противогололедных мероприятий.

Автозаправочные станции имеют практически всегда подземные хранилища горючего. Эти резервуары, в частности, по данным Агентства по охране окружающей среды США и геологической службы Великобритании, в этих странах на 50-70 % протекают. Официально опубликованной статистики в России по этим хранилищам нет, равно как нет оснований полагать, что хранилища горючего в России не протекают. Электрифицированный транспорт (метро, трамвай, троллейбус, электропоезда), который, как, например, в Правительстве Москвы считают экологичным, далеко не так безобиден. Этот вид транспорта возбуждает в верхней части разреза земной коры блуждающие или теллурические токи - искусственные электромагнитные поля. Подземные воды в этих пределах приобретают значительную агрессивность к бетону и железобетону и коррозионную активность к металлическим строительным конструкциям.

Коммунальное хозяйство населенных пунктов в настоящее время рассматривается как один из важнейших деструкторов устойчивости антропогенных экосистем. Особую опасность загрязнения из коммунальных источников стали приобретать в условиях мегаполисов. Главным фактором опасности являются ненадежность и устарелость оборудования и конструкций инженерных сетей: водопровод, канализация; фильтрат из хранилищ твердых бытовых отходов. Сооружения водоподготовки с обширными иловыми картами, аэраторы и отстойники на очистных сооружениях, поля осадков сточных вод и линейные канализационные сооружения сбрасывают в виде потерь грязные сточные воды в первый от поверхности водоносный горизонт. В крупных, особенно старых исторических городах, имеющих тенденцию к превращению в мегаполис или ставших мегаполисом, как, например, Москва, острой проблемой становится эксплуатация, консервация и ликвидация кладбищ. Подземные воды при неверном выборе места для кладбища сильно загрязняются азотсодержащими соединениями.

Сельское хозяйство представляет собой значительный источник загрязнений подземных вод. Навозохранилища при крупных животноводческих комплексах, построенные из сборного железобетона, протекают повсеместно, впрочем в те годы, когда строили эти сооружения, никто не помышлял о необходимости их изоляции от внешней среды. Кроме протечек, в весеннее время они, как правило, переполняются за счет полой воды и становятся мощными точечными источниками загрязнений. Наибольшую опасность представляют указанные

316

сооружения при свиноводческих фермах за счет гельминтозного и другого патогенного загрязнения.

Применение пестицидов опасно широким площадным распространением, их высокой миграционной способностью, стойкостью некоторых продуктов их распада и загрязненностью самих примесями, токсичность которых зачастую еще не полностью оценена.

Использование удобрений в растениеводстве при неразвитой агротехнике способно, при всех успехах в повышении урожайности, нанести большой вред качеству грунтовых вод.

Энергетические предприятия оказывают сложное воздействие на подземные воды. Наиболее чистыми являются атомные электростанции, естественно при условии их работы в штатном режиме. Правда, с атомной энергетикой связаны два очень неприятных обстоятельства, не безразличных для качества подземных вод и тем самым для всех других компонентов экосистем. Производство и подготовка ядерного топлива и ТВЭЛов (тепловыделяющих элементов реактора) относятся к опасным процессам, сопровождающимися сбросом и необходимостью очистки токсичных сточных вод. Это касается и утилизации или захоронения отработанного ядерного топлива.

Тепловые электростанции опасны для подземных вод тепловым загрязнением, т. е. формированием повышенного температурного поля, в котором процессы взаимодействия подземных вод с естественными и искусственными органическими веществами идут более интенсивно. Кроме того, выбросы в атмосферу при сгорании ископаемого органического топлива (газа, мазута, угля, сланцев и торфа) способны через закисление атмосферных осадков вызывать серьезные изменения в составе грунтовых вод. Кроме того, при атмосферных выпадениях в данном случае в них значительно повышается содержание ванадия и других тяжелых металлов, а также радиоактивных элементов.

Изменение режима подземных вод грозит серьезными экологическими последствиями, которые выражаются очень быстрым, несоизмеримым по темпам с природной изменчивостью ростом или снижением уровней подземных вод. Строительство плотин и создание водохранилищ объемом в несколько кубических километров перераспределяют напряжения в земной коре, что проявляется в техногенных землетрясениях. Формирование на ограниченной площади, прилегающей к плотине, существенного перепада напоров между верхним и нижним бьефами влечет за собой возникновение ниже плотины очагов разгрузок и глубокозалегающих соленых и рассольных артезианских вод в реку. Созданные водохранилища образуют зоны подпора подземных вод, распространяющихся на десятки километров. Этот подпор, захватывая все новые площади, создает крайне негативные процессы подтопления и заболачивания территорий, которые приводят к следующему:

317

• ухудшению условий аэрации почв и "корнеобитаемой зоны" растений;
• болезням и гибели вследствие этого деревьев (суховершинность, гниль);
• смене окислительной обстановки в почвах и зоне аэрации на восстановительную;
• выходу из нор и частичной гибели животных-землероев, в том числе разносчиков эпидемических заболеваний;
• увеличению влажности приземного слоя воздуха, что отражается на состоянии здоровья человека;
• снижению несущей способности грунтов оснований инженерных сооружений;
• появлению в подтопленных и увлажненных подвальных и подземных сооружениях плесневых грибов, комаров и других кровососущих насекомых.

Известно, что подтопленные территории имеют повышенную сейсмичность (на 1 балл), а подтопленные лессы и лессовидные породы проявляют просадку, т. е. теряют прочность под нагрузкой.

В городских условиях подтопление формируют главным образом, потери из водонесущих коммуникаций. В Москве утечки составляют в среднем 4 л/с на 1 км2. Данная величина примерно равна норме естественного питания подземных вод в естественных условиях Подмосковья. Такое двойное питание приводит к повышению уровня подземных вод примерно на половине территории Москвы. По некоторым данным, до 70% городов России подтоплено. Небезынтересно знать, что аналогичным образом подтоплен Каир и всемирноизвестные древнеегипетские пирамиды и сфинкс в Гизе вблизи этого города.

Освоение подземного пространства не может пройти незаметно для режима подземных вод. Заглубление фундаментов под уровень грунтовых вод, укладка тоннелей, в том числе и метрополитенов, коллекторов и т. п. уменьшает площадь поперечного сечения потока грунтовых вод, что вызывает подъем их уровня. Даже свайные фундаменты способны вызвать такого рода барражный эффект.

Орошение засушливых земель зачастую проводится без необходимого расчета и контроля за уровнем грунтовых вод под орошаемыми массивами. Значительно более опасна инфильтрация поливных вод сквозь орошаемую почву и зону аэрации, что в естественных аридных или семиаридных условиях приводит к подъему уровней грунтовых вод до критической глубины, на которой происходит испарение с поверхности грунтовых вод. Обычным является то, что грунтовые воды в аридной зоне сильно минерализованы. Результатом не слишком грамотного орошения становится то, что плодородные, но сухие почвы становятся засоленными иной раз до такой степени, что на их поверхности образуется белая корка или игольчатый налет солей. На таких

318

техногенных солончаках может произрастать только галофитная растительность. К началу 90-х годов XX века на территории бывшего СССР под орошением находилось до 15 млн. га, из которых около 1 млн. га ежегодно выходили из севооборота из-за засоления и нуждались в промывке, а это значит, что нужно было вводить в орошение дополнительно еще 1 млн. га.

На экосистемы оказывает влияние изменение режима подземных вод при строительных и горнопроходческих работах за счет создаваемого водопонижения и дренажа. В настоящее время строительный дренаж и водопонижение стали практически обязательным элементом строительного процесса, а защищаемые строительные котлованы иногда бывают очень глубокими, не говоря уже о подземном строительстве. Глубины же добывающих карьеров достигают сотен метров, а шахт - до тысячи метров и более. В качестве примера: на одном из якутских алмазодобывающих предприятий был пройден карьер глубиной более 400 м. Карьер располагался в толще вечной мерзлоты и поэтому водопонижение не организовывалось. Однако под подошвой вечной мерзлоты залегали отложения ордовикского возраста, насыщенные криопэгами, т. е. водами вымораживания. Эти воды имели следующий состав: общая минерализация - 90 г/л, хлоридно-натриевый химический тип, большие концентрации растворенных газов сероводорода и метана, температура - минус 3° С и давление около 40 тыс. ГПа. Воды весьма агрессивны к большинству строительных конструкций и к черным металлам (материал для фильтров, обсадных и буровых труб). Для решения проблем дальнейшей разработки карьера, был сооружен кольцевой дренаж с трубами и насосами из инертных материалов. Напоры вод были снижены, но проблемой стал сброс дренажного стока высокоминерализованных засоленных вод. Реки в данном регионе зимой перемерзают, водная и наземная растительность и мерзлые породы не могут выдержать воздействия соленой воды, поэтому реальной перспективой встала деградация вечной мерзлоты. Решением было устройство специального полигона нагнетательного типа для обратной закачки рассолов в глубокозалегающие пласты.

Мелиоративный дренаж в сельскохозяйственных целях на заболоченных землях обычно в течение первых нескольких лет существенно повышает урожайность, что было подтверждено, в частности, работами, проведенными в российском Нечерноземье. Однако в большинстве случаев это воздействие имеет серьезные негативные последствия для подземных вод. Известно, что естественный прирост торфяных залежей в средней полосе России и Беларуси составляет около 1 млн. т/год. В случае осушения торфяных залежей, что обычно выполняется при сельскохозяйственной мелиорации, скорость разложения торфа может достигнуть 5 - 15 см/год. Следствиями этого являются загрязнение дренажных и речных вод органикой, их эвтрофикация и резкое снижение содержания кислорода, что угнетает жизнедеятельность

319

гидробионтов; болотные и лесные пожары; сработка толщи торфа с обнажением минерального дна болот с вырождением фитоценозов.

Дноуглубительные работы на реках и добыча инертных заполнителей (песка, гравия, щебня, галечника) в руслах рек нарушает баланс и схему взаимодействия поверхностных и подземных вод. В этом случае важную роль играет, какой из видов вод загрязнен и в какой степени. В целом возможен обмен загрязнителями и их дальнейшее распространение.

Подъем целинных земель, глубокая вспашка резко сокращают поверхностный сток и несколько увеличивают подземный, что влечет за собой постепенную деградацию мелких озер особенно в степных районах.

Изменение уровня фунтовых вод в результате их техногенной сработки или подъема способно оживить гравитационные геологические процессы-оползни, оплывины, оврагообразование с негативными геоэкологическими последствиями, с изменением ландшафта и условий обитания живых организмов.

Длительная и мощная эксплуатация подземных вод активизирует карстово-суффозионные процессы, что все более начинает проявляться на территории Москвы. В частности, активная откачка воды из карбоновых известняков привела к увеличению скорости фильтрации в них и постепенно движущаяся вода стала промывать залечивающий карстовые полости в известняках песчаный материал. Следствием стало постепенное снижение несущей способности перекрывающих толщ пород и тем самым повышение опасности в эксплуатации городской застройки.

Неблагоприятным фактором в условиях функционирования горизонтов подземных вод является "перестройка" всей структуры и условий залегания горных пород под городом. Обычно при строительном освоении подземного пространства происходит спрямление русел рек, засыпка части их притоков, забор водотоков в трубы, возведение набережных и устройство дренажных призм. Все это меняет гидрогеологические условия и как бы в "отложенном" режиме сказывается на параметрах городской экосистемы.

Асфальтирование значительных городских территорий только отчасти снижает инфильтрационное питание в городах, аналогично изменяется и испарение, но, как показали последние расчеты, питание грунтовых вод в крупных населенных пунктах обусловлено главным образом утечками из водонесущих коммуникаций и практически всегда "обеспечивает" загрязнение все более обширных зон в водоносных слоях.

Из биогенных загрязнителей следует выделить поступление азота. Его соединения обладают высокой растворимостью, что влечет за собой беспрепятственное увеличение его концентраций. Азот, как известно, способен трансформировать свои миграционные формы в зависимости

320

от комплекса условий в подземной гидросфере. Буферность подземных вод в отношении азота не проявляется, а темпы их естественной микробиологической денитрификации отстают от темпов привноса нитратов. В результате этого в Западной Европе, Центральной России, США, Индии, Китае грунтовые воды, формирующиеся в верхних водоносных горизонтах, превращаются из гидрокарбонатных в нитратно - гидрокарбонатные. Установлены факты отложения натриевой селитры и формирование нитратных солончаков в аридных областях вследствие испарительного концентрирования нитратных грунтовых вод. Источником нитратов и нитритов в подземных водах могут быть не только сельскохозяйственные удобрения, животноводческие фермы, атмосферные осадки, но и аммоний-ион, поступающий в подземную гидросферу с глубинными флюидами и окисляющийся в зоне активного водообмена.

Сходная ситуация складывается с загрязнением подземных вод органическими веществами. Это связано с тем, что подземная гидросфера не способна к окислению большой массы поступающей в нее органики, следствием чего загрязнение гидрогеохимических систем постепенно становится необратимым. Однако нарастающее количество неокисленной органики в воде сдвигает процесс денитрификации в сторону образования азота, что постепенно уменьшает концентрации нитратов и нитритов.

Выше мы уже отмечали роль агротехнической деятельности в накоплении фосфора и оживлении тем самым эвтрофикации водоемов, особенно бессточных. Появились пока несистематизированные данные об эвтрофикации замкнутых приповерхностных подземных водоносных бассейнов атмосферным и поверхностным питанием и разгружающими в замедленном режиме и это при весьма скромной биоте в их составе.

Особое внимание при изучении современного состояния загрязненных водных систем необходимо уделить долговременному эффекту воздействия низких доз загрязнителей (близких, но не равных ПДК). Установлено, что это оказывает более пагубное влияние на популяции водных организмов, чем острое, но кратковременное токсическое воздействие. Кроме того, каждый водоем уникален из-за больших различий в химическом составе, скорости перемешивания, температурного режима, вертикальной зональности водной массы и других характеристик.

Некоторые природные загрязнения воды. Самым мощным и постоянно действующим процессом загрязнения воды, имеющим глобальный масштаб, является вулканическая и флюидная активность Земли. Именно в гидросфере происходит накопление компонентов глубинных флюидных потоков, что установлено специальными наблюдениями как в Мировом океане, так и на суше. Главная по масштабам вулканического типа деятельность на Земле - это область срединно - океанических

321

хребтов и рифтовые зоны. С ней связано образование металлоносных осадков на площадях в миллионы квадратных километров, формирование химического состава морской воды, которая "пропускается" через высокотемпературный вулканический "реактор" на дне за 1,0-1,5 млн. лет. При этом поступление с глубинными флюидами многих тяжелых металлов существенно превышает их привнес в океан реками с континентов.

Важное значение имеет то обстоятельство, что современная флюидная деятельность имеет широкое распространение и на суше. Причем не только в областях вулканизма, но и в таких тектонически стабильных геологических структурах, как древние платформы и кристаллические щиты. За длительный многомиллионный период непрерывного поступления глубинных флюидов в артезианские бассейны древних платформ образовались обширные гидрогеохимические провинции с теплыми и горячими хлоридно – рульфатно - натриевыми рассолами в глубоких горизонтах. Примерами могут служить Русская и Сибирская платформы. В Западно-Сибирской и других молодых платформах в результате интенсивного привноса глубинных газов сформировались нефтегазоносные провинции и районы, в которых под нефтяными и газовыми залежами образуются мощные пласты горячих хлоридно-натриево-кальциевых рассолов. Рассолы как древних, так и молодых платформ характеризуются высокими концентрациями многих тяжелых металлов, а иногда и радиоактивных элементов. При поступлении таких газонасыщенных рассолов по активным глубинным разломам или участкам техногенного нарушения экранирующих глинистых горизонтов верхняя часть артезианских бассейнов с пресными питьевыми водами загрязняется многими токсичными химическими элементами и соединениями.

Характерная особенность современной вулканической и флюидной активности Земли - пульсационный (ритмичный) характер функционирования с залповыми выбросами загрязняющих веществ в окружающую среду. Широкую известность получило взрывное выделение в августе 1986 г. диоксида углерода, накопившегося в результате флюидной активности в придонном слое озера Ньос (Камерун).

Экологически опасными могут быть биологические процессы, связанные с жизнедеятельностью водорослей, планктона, бактерий и других микроорганизмов. Кроме явлений типа "аосио" и эвтрофикации водных систем к таким процессам относится метилирование тяжелых металлов в анаэробных условиях. Метилртуть опасна даже в нанограммовых количествах. Исследования, проведенные в США, показали, что метилртуть природного (!?) генезиса присутствует во многих озерах и реках Северной Америки.

Современные данные свидетельствуют о том, что водоросли, планктон и микроорганизмы играют в водной среде континентов очень важную роль в процессах как ее загрязнения, так и самоочищения.

322

Известны разнообразные грибки, дрожжи, галофильные, сульфатредуцирующие, металлотрофные, метаногенные и другие бактерии, присутствующие в водах различной солености и температуры. В высокоминерализованных пластовых водах газонефтяных месторождений интенсивность бактериального метанообразования достигает ощутимых значений. Богатый фактический материал, полученный за последние полвека, говорит о том, что главная часть вещества (95%), поставляемого реками в океан, осаждается в маргинальных фильтрах (эстуарии, прибрежные акватории), а водные организмы представляют собой мощнейший на Земле бионасос, который отфильтровывает весь объем вод океана за полгода - год и переводит в крупные пеллеты тонкий материал взвеси, который "прошел" маргинальный фильтр. Взвеси с тяжелыми металлами и радионуклидами, поступившие с суши в прибрежную зону, перерабатываются в "привычную" для морской среды растворенную форму (Данилов-Данильян В.И., 1997).

323