Особенности формирования гидроэкосистемы искусственных водоемов рекреационных зон Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОЭКОСИСТЕМЫ ИСКУССТВЕННЫХ ВОДОЁМОВ РЕКРЕАЦИОННЫХ ЗОН

С.В. Кривицкий, А.П.К ашперюк, П.И. Кашперюк

МГСУ

В статье рассматривается биоинженерный способ формирования природной гидроэкосистемы путем заселения водоёма гидробионтами: водными растениями и живыми организмами, - с целью улучшения качества воды.

The modern bioengineering technologies for ecological restoration of ponds are discussed.

1. Гидроэкосистема природных водоёмов

Природный водоем представляет собой биологически сбалансированную экологическую систему, настроенную на самоочищение и самовосстановление. Имеется широкий класс гидробионтов - планктонные и бентосные микроорганизмы, высшие водные растения, рыбы, - которые составляют основу экосистемы водоема. Происходящие в гидроэкосистеме физико-химические и биотические процессы являются основным механизмом самоочищения водоема. Термин «самоочищение воды в экосистемах» подразумевает, что вода очищается в результате ряда экологических процессов с участием множества организмов-гидробионтов, формирующих эти гидроэкосистемы. Процессы самоочищения воды в экосистемах важны для стабильности водных экосистем, сохранения качества воды и биоразнообразия. Водоемы с нарушенным микробиологическим самоочищением быстрее перенасыщаются неокисленной органикой и биогенными элементами, что необратимо приводит к их эвтрофикации, т.е происходит изменение типа водной экосистемы [1].

К процессам, способствующим «самоочищению» воды в природном водоеме, относятся физические, физико-химические и биохимические процессы [1], такие как:

- фильтрация водной толщи гидробионтами;

- растворение и разбавление загрязняющих веществ в толще водыом;

- процессы сорбции взвешенными веществами, микроорганизмами (планктоном, бентосом), гидробионтами (фито- и зоопланктоном, растениями), донными отложениями;

- фотохимические и каталитические реакции, выделение кислорода, окисление;

- выделение биотой соединений азота и фосфора, используемых водорослями, в свою очередь выделяющими кислород для окисления загрязняющих веществ.

2. Проблемы нормативного обеспечения работ по экологической реабилитации водных объектов

В настоящее время основным нормативным документом для сбора исходных данных при решении комплексной задачи экологической реабилитации водных объектов и формирования гидроэкосистемы служит Свод правил СП 11-102-97 «Инженерно-экологические изыскания для строительства» [2]. Этот документ наиболее подходит

ВЕСТНИК 4/2010

для решения задач восстановления природных объектов, поскольку декларирует в своих Общих положениях, что «инженерно-экологические изыскания для строительства выполняются для оценки современного состояния и прогноза возможных изменений окружающей природной среды под влиянием антропогенной нагрузки с целью предотвращения, минимизации или ликвидации вредных и нежелательных экологических и связанных с ними социальных, экономических и других последствий и сохранения оптимальных условий жизни населения». Свод правил не является всеобъемлющим документом и поэтому допускает дальнейшее развитие отдельных его положений, требований и рекомендаций, а именно: «...изучение отдельных компонентов природной среды, влияющих на изменение природных комплексов в целом, может быть включено в состав инженерно-экологических изысканий».

Для решения задач экологической реабилитации водоёмов потребуется:

■ разработка нормативной документации, регламентирующей производство работ на этапе изысканий по следующим вопросам:

- комплексное биологическое обследование береговой зоны и акватории водоёма, включая методологию биотестирования;

- методы расчёта морозного пучения суглинистых грунтов в контактной зоне «вода-берег»;

- санитарно-экологическое обследование водоёма и прибрежной зоны;

- расчёт характеристик морозного пучения суглинистых грунтов в приурезовой зоне водоёма для решения вопросов проектирования свайных стенок;

- разработка водохозяйственных методов расчёта применительно к малым водоёмам и водотокам, находящихся в городской черте;

■ разработка нормативной документации, регламентирующей проектирование биоинженерных сооружений:

- берегозащитных;

- гидроботанических площадок и биоплато;

■ разработка нормативной документации, регламентирующей технологию формирования экосистемы водоёма в зависимости от физико-географических и морфометри-ческих условий, техногенных нагрузок и иных особенностей территории;

■ разработка нормативной документации, регламентирующей проведение комплексного мониторинга водного объекта на этапе эксплуатации для оценки степени восстановления гидроэкосистемы.

3. Формирование гидроэкосистемы водоёма на примере искусственного пруда в дер. Петрово Московской области

Пруд расположен в дер. Петрово Подольского р-на Московской обл. Основные параметры пруда: площадь 500 м2, глубина 5,3 м. По периметру пруда построена берегозащитная бетонная стенка, ниже которой подводный откос укреплен георешёткой с каменной засыпкой ячеек известняковым щебнем (рис.1).

Инженерно-геологические исследования (пробурена всего 1 скважина) показали, что пруд расположен на полого-волнистой поверхности ледниковой равнины с абсолютными отметками поверхности земли 192,5-193,5 м.

В геологическом строении площадки до глубины 10,0 м принимают участие современные элювиально-делювиальные (покровные), среднечетвертичные ледниковые и нижнечетвертичные вводно-ледниковые отложения. Сверху, до глубины 2,9 м, участок сложен современными покровными (р О 1У) суглинками тяжелыми пылеватыми, палево-бурыми суглинками полутвердыми с тонкими прослойками (до 3 см толщиной)

ВЕСТНИК _МГСУ

супеси пылеватой. Ниже до глубины 5,5 м залегают среднечетвертичные ледниковые (ё QIId) суглинки тяжелые песчанистые, коричневые, тугопластичные, с включениями (до 10 %) гравия и щебня, с отдельными прослоями и линзами глины легкой песчанистой. Моренные отложения подстилаются нижнечетвертичными водноледниковыми ^ QI-IIod) песками средней крупности с линзами мелкого, желтовато-серыми, плотными и средней плотности, водонасыщенными, с включениями гравия, гальки и отдельных мелких валунов. Вскрытая мощность песка - более 4,5 м.

Рис. 1. Общий вид пруда.

В водоём были запущены в небольших количествах карась, белый амур, толстолобик.

30 мая 2010 г. были проведены инженерно-экологические исследования водоёма: были исследованы гидрохимические характеристики водоёма, влияющие на гидробионты, а также проведено биотестирование на предмет изучения кормовой базы водоёма.

3.1. Гидрохимическая характеристика водоёма.

Основные измеренные величины гидрохимических параметров, полученные по результатам экспресс-тестов, приведены в табл.1.

Таблица 1.

№ п/п Параметр Величина Примечание

1 Общая кислотность рН 8,5 рН Щелочная реакция, недопустимая для жизнедеятельности некоторых видов гидробионтов.

2 Общая жёсткость 6,1 mg/l (170) Вода жёсткая. Рекомендуется понижение до 10 0.

3 Бикарбонатная (временная) жёсткость 4,3 mg/l (120) Повышенная бикарбонатная жёсткость. Необходимо понижение до 8100.

4 Аммоний NH4 < 0,5 mg/l В пределах нормы

5 Аммиак NH3 0,03-0,08 mg/l В пределах нормы

6 Нитриты NO2 < 0,5 mg/l В пределах нормы

7 Нитриты NO3 < 10 mg/l В пределах нормы

8 Фосфаты Р04 1,0-2,0 mg/l Повышенное содержание. Рекомендуемое значение < 1,0 тё/1

9 Железо Fe 0,1-0,25 Оптимальный уровень содержания Бе для водных растений 0,5 тё/1

10 Медь Си 0,1-0,3 mg/l В пределах нормы

11 Кислород 02 4,0 mg/l В пределах нормы

ВЕСТНИК 4/2010

3.2. Биотестирование

Биотестирование проводилось на глубине 0,5 м при глубине в точке облова около 2 м. Результаты анализов гидробиологического обследования воды показали наличие достаточно низкого числа организмов фито- и зоопланктона. Было установлено, что в целом сообщество фитопланктона представлено 3 таксонами микроводорослей:

- диатомовые;

- жгутиковые;

- протококковые.

Сообщество зоопланктона было представлено 3 таксонами:

- дафнии;

- коловратки;

- мелкие инфузории.

По таксономическому составу и численности населяющих его организмов пруд можно отнести к олиго-мезосапробному водоему, вода в котором характеризуется 1-2 классом чистоты - «чистая - умеренно чистая».

Гидробиологические исследования показали, что условия для гидробионтов в обследованном пруду достаточно благоприятные, поэтому его можно заселять организмами довольно требовательными к чистоте среды обитания (олиго- и мезотрофами).

3.3. Выводы по результатам гидрохимического анализа и биотестирования

На основании проведенного анализа основных гидрохимических показателей водоёма можно сделать следующие выводы:

1. Водоём молод, его экологическая система не стабилизирована и до конца не сформирована. Об этом говорит нехарактерное для стабильных гидроэкосистем соотношение высокощелочной рН реакции и высоких общей и временной жёсткостей с очень незначительными концентрациями всех основных видов азотных соединений.

2. Пониженный уровень содержания железа при незначительном, для водоёма данных объёмов, количестве его потребителей - высших и низших водных растений, говорит о явно недостаточной концентрации двухвалентного иона железа, что будет тормозить в дальнейшем нормальное развитие водных растений.

3. Обнаруженное повышенное содержание фосфатов может быть связано с попаданием в водоём поверхностных стоков с прилегающего газона, удобренного фосфорными удобрениями.

4. Высокие значения временной и общей жёсткости указывают на недостаток в воде свободного углекислого газа, который необходим для нормального развития водных растений.

5. Достаточный уровень кислорода указывает на потенциальную ёмкость водоёма для самых различных гидробионтов.

6. Отсутствие в пробе веслоногих рачков - циклопов и диаптомусов, а также их науплий, указывает на молодость экосистемы.

7. Наличие в отобранной пробе невысокого количества водорослей, при гидрохимических параметрах способствующих их бурному развитию, указывает на их высокую востребованность в качестве естественных кормовых объектов для запущенных толстолобиков и других, имеющихся в водоёме, гидробионтов.

3.4. Рекомендации по формированию экосистемы водоема

Для создания природной гидроэкосистемы в водоёме предлагаются следующие мероприятия.

Улучшение гидрохимических показателей.

■ Необходимо понизить жёсткость воды и повысить уровень свободного углекислого газа до величин необходимых для нормального развития декоративных растений. Для этой цели рекомендуется заменить известковый щебень в каменной наброске на подводном склоне пруда и в ложе ручья на цеолит, являющийся хорошим сорбентом.

■ Увеличение свободного С02 следует достичь понижением рН и увеличением плотности посадки водных организмов и рыб.

■ Для подкисления воды и её обессоливания необходимо свести до минимума подпитку водоёма напрямую артезианской водой и организовать циркуляцию воды с использованием фильтровальной системы;

■ для создания в зимнее время благоприятного газообменного режима необходимо установить компрессор.

Заселение пруда высшей водной растительностью.

Список рекомендуемых водных растений представлен в табл.2.

Таблица 2.

Список высаживаемых растений_

№ п/п Вид растения Кол-во, контейнер

1 Ирис аировидный 2

2 Камыш озёрный 3

3 Рогозы изящный и Лаксмана 3

4 Стрелолист обыкновенный 3

5 Рдест курчавый 2

6 Ситняг 10

7 Болотник обыкновенный 2

8 Кубышка 2

9 Кувшинка 10 шт.

10 Аир обыкновенный 1

11 Вахта трёхлистная 1

12 Горец земноводный 1

13 Сусак зонтичный 1

14 Тростник южный 1

Заселение в пруд планктонных и бентосных гидробионтов

Сбалансированная экосистема водоема наряду с растительными организмами должна включать организмы-фильтраторы: моллюски и зоопланктон. Список гидро-

бионтов-фильтраторов приведен в табл.3.

Таблица 3.

Список заселенных моллюсков и зоопланктона.

№ п/п Наименование живых организмов Количество, шт., л Примечание

1. Моллюски

1 Прудовики 10 Поедает нитчатые водоросли

2 Лужанка брюхоногая 20 -«-

3 Катушка роговая 10 -«-

4 Шаровка 13 -«-

5 Двустворчатый моллюск-беззубка 10 Фильтратор

6 Перловица 12 Фильтратор

Итого: 75

2. Зоопланктон

7 Дафнии, водяной ослик, гамарус | Кормовая база для рыб

ВЕСТНИК МГСУ

4/2010

Зарыбление водоёма.

Через 2 мес. можно проводить зарыбление пруда. С учетом объема воды в пруду рекомендуемые виды рыб приведены в табл.4.

Таблица 4.

№ п/п Наименование рыб Количество, шт.

1 Уклейка 300

2 Форель радужная 30

3 Осетровые 30

4 Линь 15

5 Орфа 30

6 Ерш 20

7 Сом европейский 2

Создание гидравлической системы

Для насыщения воды кислородом устанавливается гидравлическая система: насос, фильтр, горка, ручей, фонтан (рис.2). Система очищает воду от загрязнения и насыщает кислородом.

Рис. 2. Схема циркуляции водоёма: 1 - ручей на горке, 2 - высшая водная растительность, 3 - фонтан, 4 - погружной насос, 5 - труба водоподачи, 6 - фильтрующая установка.

В итоге, вселенные виды рыб наряду с беспозвоночными и водными растениями, а также организованная циркуляция воды эффективно сформируют нормально функционирующую и сбалансированную экосистему водоема [3].

Выводы

Таким образом, на основании проведенных исследований и анализа формирования гидроэкосистемы искусственного водоёма можно сделать следующее заключение:

1. Отсутствие достаточных и надёжно выполненных инженерно-экологических исследований, и в особенности инженерно-геологических изысканий, не позволяет на стадии разработки проекта определить необходимый комплекс основных инженерных решений - проектную глубину водоёма и заложение откосов, источники питания водоёма, основные конструктивные решения по реализации длительной и устойчивой работы гидротехнических сооружений.

2. Инженерно-экологические и гидрохимические характеристики водоёма должны определяться как на стадии проектирования, так и в процессе строительства и эксплуа-

тации объекта для своевременного проведения необходимых мероприятий с целью поддержания стабильной работы объекта.

3. Для экологической реабилитации водных объектов необходима разработка новых методов расчёта биоинженерных конструкций и совершенствование имеющейся нормативно-методической базы.

4. Предложена биоинженерная технология улучшения качества воды водоема, которая основана на способности природных гидроэкосистем к самоочищению. Главный механизм очистки - планктонные и бентосные микроорганизмы-фильтраторы, высшая водная растительность.

5. Предложенная технология предполагает, что существенное улучшение качества воды в водоеме происходит на 2-3 год после проведенных работ. При этом в первые 23 года необходимы следующие мероприятия:

- отсекаются загрязненные поверхностные стоки, попадающие в водоем;

- проводится систематический контроль за гидрохимическими и гидробиологическими показателями воды;

- в зимнее время желательно предусмотреть аэрацию водоема с использованием специального оборудования;

- весной при необходимости надо проводить дополнительное вселение отдельных видов рыб, маточной культуры кормовых беспозвоночных и подсадку плохо перезимовавших растений.

Литература

1. Остроумов С.А. «Самоочищение» воды в природе//Экология и жизнь, 2005, № 7. С.42-

46.

2. СП 11-102-97. Инженерно-экологические изыскания для строительства. М.: Госстрой, 1997. - 105 с.

3. Кривицкий C.B. Гидроэкология: улучшение качества воды в водоеме//Экология и промышленность России, 2007, № 7. С.18-21.

Ключевые слова: инженерно-экологические изыскания, гидроэкосистема, экологическая реабилитация, биоинженерные технологии, инновации

Key words: geoecological surveys, hydroecosystem, ecological restoration, bioengineering technologies, innovation.

Статья представлена Редакционным советом «Вестник МГСУ»