Считаю приятным долгом выразить здесь свою признательность академику О. Ф. Васильеву за саму идею подготовки обзора по проблеме диффузного загрязнения водных объектов, за поддержку этой работы, а также за помощь, оказанную в получении многих литературных источников.
Хозяйственная деятельность, которая ведется на территориях, как непосредственно прилегающих к рекам и водоемам, так и просто находящихся в пределах их водосборов, часто оказывает негативное влияние на состояние водных экосистем. Загрязняющие вещества могут попадать в водные объекты, например, со сбросами сточных вод очистных сооружений или промышленных и сельскохозяйственных предприятий. Нагрузка от источников такого типа в нормальных (безаварийных) условиях работы сравнительно постоянна по объемам сбросов (расходу) и концентрациям загрязняющих веществ в них. И величина нагрузки в единицу времени, и спектр загрязняющих веществ в сбросах определяются технологическими циклами предприятий, а потому известны с той или иной степенью достоверности. Пространственная локализация таких источников, называемых точечными, тоже является достаточно определенной, что дает принципиальную возможность их контроля (мониторинга).
В соответствии с такой классификацией, отнесение источника к тому или другому типу не всегда зависит от пути, которым загрязнение попадает в реку. Так, например, смыв дорожной пыли с городской территории в результате ливня необходимо рассматривать как рассредоточенное загрязнение 1 даже в том случае, когда большая часть стока, пройдя через системы ливневой канализации, достигает водоема по каналам очистных сооружений [Behrendt, 1993]. Поэтому, когда говорят о неточечных источниках, под этим термином подразумевают, прежде всего, сами территории водосборных бассейнов, с которых в тех или иных гидрологических условиях возможно поступление загрязняющих веществ в водные объекты.
Более распространенной и общепринятой, однако, считается иная типизация, когда все многообразие неточечных источников, обусловленное и различием физико-географических и гидрологических особенностей территорий, и различием видов хозяйственной деятельности на них, разделяют на два типа. К первому типу относят урбанизированные территории, т. е. территории городов и крупных населенных пунктов с преобладающей долей водонепроницаемой или слабо водопроницаемой поверхности (асфальтовые и бетонные покрытия, плотная застройка) и развитыми системами ливневой канализации. Внегородские территории, на значительной части которых инфильтрационные свойства поверхности близки к естественным (природным), относят ко второму типу рассредоточенных источников.
Вынос рассредоточенного по площади водосбора загрязнения в реки и водоемы обусловлен, в основном, процессами водного (жидкого) и твердого стока, которые формируются атмосферными осадками, выпадающими на территории водосборного бассейна Во-первых, осадки, особенно осадки в виде ливня или града, обеспечивают необходимой кинетической энергией процессы высвобождения из почвы частиц твердого стока вместе с сорбированными на них химическими веществами. Во-вторых, интенсивность и продолжительность осадков определяют объем воды для дальнейшего переноса этих частиц по или под поверхностью земли, транспортируя, таким образом, и загрязняющие вещества.
Классификация моделей неточечных источников представляет собой достаточно сложную задачу, поскольку существующие модели имеют целый ряд значимых признаков, по которым можно было бы их различать. К настоящему времени общепринятым считается деление моделей диффузного загрязнения на две большие группы по тому же признаку, по которому различаются типы рассредоточенных источников. А именно, выделяются модели неточечных источников для городских территорий и модели неточечных источников для неурбанизированных водосборов, причем среди последних особо отличают модели для территорий сельскохозяйственного использования.
Еще одно разделение моделей может быть сделано по их принадлежности к определенному направлению математического моделирования. Сложилось два основных направления, которые отличаются использованием априорной и экспериментальной (апостериорной) информации: 1) эмпирические модели; 2) детерминированные модели. Последние из названных моделей разбивают, в свою очередь, еще на два типа на модели концептуальные и модели физико-математические [Кучмент и др., 1983; Андерсен и Берт, 1988].
Концептуальные модели, являясь наиболее простыми из класса детерминированных моделей, занимают как бы промежуточное положение между эмпирическими и более сложными физико-математическими моделями. Концептуальные модели, как и эмпирические, основываются на методах идентификации, т. е. математического описания физической системы по данным наблюдений на ее входе и выходе. Но в концептуальные модели уже на этапе их разработки закладывается априорная информация об определенной структуре изучаемой системы. Как правило, концептуальная модель физической системы включает относительно небольшое число структурных элементов, которые схематизируют отдельные процессы, протекающие в природной системе. Связь между разными элементами модели устанавливается в общем случае нелинейной, чтобы попытаться отразить характер гидролого-геохимических систем, который нельзя адекватно представить линейной моделью (например, в гидрологической подсистеме источником нелинейности могут быть условия увлажненности почв, определяющие питание подземных вод и соотношение величин поверхностного и подземного стоков [Андерсен, Берт, 1988], в геохимической подсистеме процессы химических превращений).
Практически все модели неточечных источников, независимо от того, к какой из вышеупомянутых категорий они относятся, могут различаться между собой еще и необходимостью их калибровки. Процедура калибровки модели при применении ее к конкретному физическому объекту (поле или водосбор) состоит в проведении натурных измерений величин тех выходных переменных, для прогнозирования которых модель и была разработана. Целью калибровки является получение оценок для параметров модели, значения которых трудно или невозможно найти другими способами. В этом смысле процесс калибровки модели, вообще говоря, можно рассматривать как способ минимизации неопределенности [Haith, 1982]. Применительно к моделированию неточечных источников обсуждаемая процедура является очень специфической и требует хотя бы краткого пояснения.
Предельная простота такого приближения позволяет использовать этот метод в самых разных ситуациях. Например, с его помощью можно оценить максимальную нагрузку с городской территории, формирующуюся при ливневых осадках, поскольку методики инженерных расчетов максимального дождевого стока хорошо известны и применяются, в частности, при проектировании ливневых канализационных систем (см., например, [Основы..., 1982]). Легко сопрягается метод постоянных концентраций и с гидрологическими моделями произвольной сложности. Так, если гидрологическая модель воспроизводит изменение во времени водного стока с территории, то использование метода постоянных концентраций вкупе с этой моделью позволит рассчитать динамику нагрузки на реку или водоем, принимающие сток.
Как уже было отмечено выше, одним из важных результатов реализации в Соединенных Штатах Америки Общенациональной программы по изучению городского стока (NTJRP) [Results..., 1983] стало создание обширной базы данных [Huber et al., 1982], в которой были представлены результаты большого числа натурных наблюдений, зафиксировавших и многие параметры изученных водосборных участков, и соответствующие гидрометеорологические факторы, и объемы водного стока, обеспечиваемые осадками, и целый ряд параметров, характеризующих качество воды в дождевом стоке. Богатый экспериментальный материал предоставил специалистам едва ли не безграничные возможности по «конструированию» разнообразных регрессионных моделей для оценки диффузного загрязнения.
Вынос загрязняющих веществ с городской территории и их концентрации в ливневом стоке во многом обусловлены теми процессами накопления пол-лютантов, которые происходят между ливнями. Очевидно, что чем большее время прошло с момента последнего дождя, тем больше пыли, мусора и всех связанных с ними загрязняющих веществ аккумулировалось на улицах, тротуарах и крышах домов.
Причем было установлено, что зависимость первого вида характерна для крупных водотоков и рек со значительным, но однородным загрязнением, а альтернативный характер зависимости присущ менее загрязненным водотокам с динамическими гидрологическими режимами.
Ранее уже говорилось о том, что размер водосборного бассейна влияет на величину модуля химического стока, т. е. является одним из важных факторов, характеризующих величину нагрузки от рассредоточенных источников. Объясняется это тем, что время достижения загрязняющим веществом замыкающего створа водосборного участка зависит, естественно, от его (участка) размеров, а чем больше это время, тем большее число всевозможных процессов может «поучаствовать» в изменении содержания исследуемого вещества (химический распад, механическое осаждение, потребление растениями и т. д.). Очевидным следствием этого является общепризнанный факт, что водосборы большей площади обычно характеризуются меньшим модулем химического стока. Для количественной характеристики влияния размеров водосборного бассейна на смыв с него загрязняющих веществ некоторые исследователи вводят так называемый коэффициент доставки DR (delivery rate), предлагая для расчета его величины ряд формул и моделей.
Взвешенные вещества наряду с элементами-биогенами являются приоритетными поллютантами для подавляющего большинства сельскохозяйственных водосборов, по крайней мере по объемам поступления в водные объекты. Кроме того, смываемые частицы почв несут с собой в водоемы те формы загрязняющих веществ, которые не могут быть «вымыты» из почвы поверхностным (водным) стоком. Часто поступление в водные экосистемы некоторых важнейших поллютантов, в частности, фосфора, обусловливается исключительно «твердым стоком». Поэтому развитые модели неточечных источников обязательно включают анализ стока взвешенных веществ, а некоторые простые модели диффузного загрязнения, как рассмотренные выше нагрузочные функции, даже основываются на моделях почвенной эрозии.
Эмпирические модели для оценки стока загрязняющих веществ с водосборных бассейнов находят применение не только в научных исследованиях, но и в инженерной практике. Развитие природоохранного законодательства и возросшее экологическое сознание общества требуют ныне при освоении территории принимать во внимание не только экономическую целесообразность проектов, но и оценивать их возможное влияние на экологическое состояние водных объектов, на водосборах которых планируются хозяйственные мероприятия.
Подводя итоги обзору эмпирических методов оценки диффузной нагрузки на водные экосистемы, еще раз подчеркнем, что спецификой таких моделей часто является довольно жесткая «привязанность» к конкретным водосборным участкам. То есть прямое перенесение регрессионных уравнений, например, с одних водосборов на другие грозит непредсказуемыми расхождениями между прогнозной нагрузкой и теми ее величинами, которые могут быть там зафиксированы экспериментально. Если же эти уравнения применяются на тех же водосборных территориях, по данным наблюдений на которых они были построены, то исследователь вправе ожидать от них удовлетворительных прогнозов, по крайней мере, в типичных, неэкстремальных, условиях.
Накопленные на протяжении многих лет экспериментальные данные и их анализ складываются в теоретические представления о функционировании водосборов как гидролого-геохимических систем, что становится основой для разработки детерминированных моделей неточечных источников.
Наиболее простыми детерминированными моделями, применяемыми при прогнозировании неточечных источников, являются нульмерные, или камерные, модели. Несмотря на их сравнительную простоту, уровень используемой математической формализации позволяет прослеживать при необходимости динамические изменения, происходящие в системе «водоем водосбор».
Просачивание влаги сквозь почвы и движение воды в подземных водоносных горизонтах обеспечивают дополнительные пути переноса загрязняющих веществ с системе «водоем водосбор». Инфильтрация способствует вымыванию водорастворимых форм поллютантов из верхних и загрязнению нижележащих слоев почв, а также грунтовых вод. При обратном процессе фильтрации грунтовых вод к поверхности может происходить вторичное загрязнение верхних слоев. Поэтому вертикальное движение влаги в толще почв и грунтов играет заметную роль в формировании химического стока с водосборов.
Направленность и скорость процессов трансформации различных форм поллютантов определяется целым рядом факторов: температурой, влагонасы-щенностью почвы, количеством кислорода в почвенном растворе, аэрацией почвенного слоя (т. е. количеством кислорода в почвенном воздухе). Поэтому в функциональных моделях при описании кинетики взаимных превращений различных форм поллютанта используются коэффициенты, зависящие от указанных параметров. Нередко при этом температура рассматривается как внешний параметр и в каком-то виде задается извне. Влажность почвы рассчитывается отдельным специализированным гидрологическим блоком модели. Расчет же содержания кислорода часто не может быть сделан в отрыве от протекающих в почве химических превращений, поскольку на его концентрацию влияет ход химических реакций.
Как и все модели неточечных источников, комплексные модели разделяют обычно на два больших класса: модели для городских и модели для неурбанизированных (в том числе сельскохозяйственных) территорий. В то же время известны и универсальные модели, которые могут применяться для водосборов обоих типов.
Одной из первых моделей для описания гидрологических процессов на урбанизированной территории с фиксированным шагом по времени стала Storage, Treatment, Overflow, Runoff Model (STORM), разработанная Гидрологическим инженерным центром (НЕС) Корпуса инженеров армии США [Roes-ner et al., 1974; Storage..., 1977]. Первоначально модель предназначалась для анализа работы комбинированной системы ливневой канализации Сан-Франциско с целью уменьшения ливневой нагрузки на воды залива.
По пространственному признаку CREAMS относится к мелкомасштабным моделям: однородность территории на всей площади, заложенная в модель, ограничивает использование данной модели пределами одного поля. Гидрологические характеристики (объем стока, пиковый расход, фильтрация, эва-потранспирация, почвенное влагосодержание и просачивание) рассчитываются с суточным шагом по времени, как и эрозия и вынос седиментов за пределы поля (с учетом их фракционного состава, кстати). Модель позволяет производить расчет ливневой нагрузки и средних концентраций растворенных и сорбированных поллютантов в стоке, на взвешенном веществе и в поровых водах корневой зоны растений [Leonard and Knisel, 1984]. До 20 загрязняющих веществ одновременно может быть охвачено при прогонке модели. Агротехнические приемы (разбрызгивание ядохимикатов, внесение удобрений, вспашка и террасирование склонов и т. д.) также могут быть учтены при использовании CREAMS.
Детерминированные компьютерные модели рассредоточенной нагрузки, как и чисто гидрологические модели, используют достаточно стандартный набор входных параметров, среди которых обязательно присутствуют метеорологические данные, гидрологические и гидравлические параметры территории и ее русловой сети, параметры качества воды и т. п. Эти данные имеются, как правило, в распоряжении разных служб, поэтому их сбор и подготовка для использования в какой-нибудь компьютерной модели могут быть довольно трудоемкими. При проведении работ на конкретных водосборах исследователи нередко используют не одну, а несколько моделей, каждая из которых предъявляет свои требования к формату входных данных. Такое положение вынуждает пользователей неоднократно переписывать одни и те же данные, каждый раз подгоняя их под входной формата очередной компьютерной модели.
В наше время обзор литературы практически по любой проблеме, в том числе и по компьютерным моделям диффузного загрязнения водоемов, наверное, нельзя назвать полным, если в нем не упомянуты источники, оперативный доступ к которым обеспечивается «Всемирной паутиной» (World Wide Web) Интернетом. Научные центры, связанные с исследованиями в области охраны окружающей среды, предоставляют специалистам практически неограниченные возможности по ознакомлению со своими разработками в самых разных направлениях, в том числе и в развитии современных версий компьютерных моделей неточечных источников. Достаточно подробные аннотации ко многим моделям, упомянутым в предыдущих разделах, желающие могут найти на Интерн ет-страницах (сайтах L) Агентства по охране окружающей среды (ЕРА), Департамента сельского хозяйства (USDА), Гидрологического инженерного центра Корпуса инженеров армии США (НЕС), Геологической службы (USGS), разработки которых неоднократно назывались выше.