Полный текст:
Содержание
Введение.......................................................................................................... 2
Глава 1. Общая характеристика технологий очистки воды.......................... 4
1.1.Оборудование для очистки воды............................................................. 4
1.2.Методика очистки сточных вод.............................................................. 10
1.3.Фильтры для воды.................................................................................. 22
Глава 2. Невская и Ладожская вода............................................................. 28
2.1. Свойства воды реки Нева...................................................................... 28
2.2. Воды Ладожского озера........................................................................ 39
Заключение.................................................................................................... 68
Список источников........................................................................................ 72
Приложение................................................................................................... 74
Введение.
В основе современных гигиенических требований к качеству воды для питьевых и бытовых нужд лежит принцип безопасности в эпидемиологическом отношении, безвредности по химическому составу и благоприятности по органолептическим свойствам. Так какие же совершенно излишние примеси встречаются в нашей водице, а главное, как их устранить?
Источники водоснабжения в Санкт-Петербурге и Ленобласти можно разделить на четыре типа – это городской, поселковые водопроводы, подземные воды (скважины, колодцы, родники), поверхностные воды (реки, озера). Ни для кого не секрет, что в целом регион наш экологически благополучным назвать нельзя. Многолетние стахановские подвиги промышленности сделали свое дело – изменился химический состав не только поверхностных, но и подземных вод, промышленные и бытовые загрязнения проникают в водоносные горизонты.
Несмотря на сравнительно высокую защищенность подземных вод от загрязнения, в них уже обнаруживаются свинец, хром, ртуть, медь, цинк и пр. Естественно, концентрация тяжелых металлов в подземных водах возрастает близ Санкт-Петербурга и в самом городе. Независимый контроль состояния невской воды в местах водозаборов осуществляют лаборатории Центра Госсанэпиднадзора в Санкт-Петербурге. Результаты исследований воды в местах водозаборов позволяют выявить тенденцию к увеличению загрязнения Невы.
В 2006 году гигиеническим нормативам по санитарно-химическим показателям не отвечало 17,9% проб, то есть почти каждая пятая проба! Ко всему прочему, по степени бактериальной загрязненности Нева занимает первое место среди водоисточников России, последние три года подряд около 60% проб воды в местах водозаборов не соответствуют нормативам по микробиологическим показателям. Для того чтобы использовать невскую воду в качестве источника водоснабжения, требуются высокоэффективные системы водоподготовки и обеззараживания.
ГУП «Водоканал» на протяжении последних лет проводит комплекс мероприятий по улучшению качества питьевой воды, на всех пяти водопроводных станциях введен режим коагуляции 100% объема воды. От бактериального загрязнения ее очищают с помощью современных технологий, для обеззараживания воды применяется и обязательное хлорирование, оно производится методами, снижающими образование хлорорганических соединений. По результатам проверок Госсанэпиднадзора, на выходе из водопроводных станций «Водоканала» вода соответствует требованиям СанПиН 2.1.4.559-96, однако при движении по ржавым и изношенным водопроводным сетям происходит вторичное загрязнение воды.
Потому питьевая вода, которая течет из крана, не всегда отвечает требованиям вышеупомянутых санитарных норм и правил. Данные лабораторного контроля качества воды в водопроводе показывают, что за последние 10 лет не отвечало нормам по санитарно-химическим и органолептическим показателям от 9 до 20% проб! Значительное ухудшение качества воды и в Неве, и в водопроводе происходит весной и осенью – во время таяния снегов и штормов. Вода становится мутной, имеет запах, привкус, содержит избыточное количество трехвалентного железа, которое не усваивается человеческим организмом.
Глава 1. Общая характеристика технологий очистки воды.
1.1.Оборудование для очистки воды.
Производителей оборудования для водоочистки довольно много, на петербургском рынке представлены следующие торговые марки: Osmonics Autotrol, Clack Corporation, Fleck Controls, Structural North America, Purolite International Limited (США), Honeywell AG Braukmann – Armaturen (Германия), НПО «ЛИТ» (Россия), RainSoft (США), ЭНТ (Россия), WaterKing (Великобритания), «Промфильтр» (Россия), «Мембраны» (Россия), «Мембранные технологии +» (Россия), AQUAFILTER (Польша). Список далеко не полон.
Что касается степеней очистки воды, то в упрощенном варианте можно выделить две:
- получение бытовой воды;
- получение питьевой воды.
Основная масса воды затрачивается, как правило, на хозяйственные нужды, значительно меньшую часть водопотребления составляют расходы на питье и приготовление пищи. Стандартная система водоснабжения загородного дома или городской квартиры подразумевает три этапа:
- очистка от механических примесей;
- коррекция химического состава воды;
- обеззараживание воды.
На каждом этапе очистки применяется определенное оборудование. Первостепенно происходит очистка от всяческой грязи с помощью самопромывных фильтров. Особенность их конструкции в том, что они способны очищаться и при этом продолжают фильтровать воду, а если выставить программу, фильтр будет самоочищаться с периодичностью от нескольких минут до нескольких месяцев. Фильтрующим элементом здесь выступает сетка из нержавеющей стали пористостью 100 мкм или же дисковые и пружинные конструкции.
Помимо самопромывных фильтров существуют еще картриджные системы, их «начинка», бобина из синтетических нитей, нуждается в регулярной замене. Различаются все эти фильтры сроком службы и пропускной способностью по отношению к размерам загрязнителя. Кстати, если в воде содержится совсем уж тонкая фракция, ни те, ни другие фильтры применять не стоит, здесь вступает в бой осадочный фильтр. Фильтрующая среда – загрузка, состоящая из песка, антрацита и гравия[1].
Нормализация химического состава воды осуществляется с помощью нескольких типов фильтров, классифицируют их по виду удаляемого загрязнителя или же по методу очистки.
Фильтры-обезжелезиватели. Основное их предназначение – удаление из воды растворенных железа и марганца. Фильтрующей средой, а точнее катализатором, при помощи которого образуются нерастворимые соли и выпадает осадок, является двуокись марганца. Окисляя железо и марганец, некоторые фильтры довольно эффективно удаляют и растворенный в воде сероводород.
Фильтры, смягчающие воду. Снижают жесткость воды благодаря применению специальных засыпок. Эти устройства могут обладать как избирательным, так и комплексным действием и в последнем случае способны удалять из воды определенное количество железа, марганца, нитратов, нитритов, сульфатов, солей тяжелых металлов, органических соединений. Требуют регулярной регенерации солевым раствором.
Активированный уголь – адсорбент, который есть в каждой аптечке, тоже применяется в водоочистке, используют его в угольных фильтрах для улучшения вкуса, цвета, запаха воды. Активированный уголь поглощает остаточный хлор, растворенные газы, органические соединения. Дезинфекция воды осуществляется с помощью ультрафиолета. УФ лучи губительно воздействуют на ДНК микроорганизмов, не дают им размножаться и постепенно убивают. УФ-установка, используемая в водоочистных системах, состоит из стального нержавеющего корпуса, УФ-лампы и кварцевого чехла. Вода, протекая по данной конструкции, попадает под воздействие излучения и обеззараживается, а после обработки долгое время не подвержена вторичному заражению микроорганизмами.
Автоматизированные управляющие системы объединяют все вышеперечисленные устройства и позволяют вести работу в автономном режиме без участия человека, корректировку в их работу требуется вводить при изменении характера водопотребления и изменениях параметров воды. Система таких фильтров автоматически производит промывку и регенерацию фильтрующей среды. Особенно эффективны системы с контролем расхода воды. Управляемые микропроцессором, они вовсе не требуют дополнительного обслуживания и предназначены для очистки всей воды, поступающей в дом. Автоматическая система может собираться, как конструктор, из комплектующих разных производителей, а может быть поставлена целиком в виде готовой системы, например RainSoft.
Обратноосмотические системы. Метод основан на «процеживании» очищаемой воды под давлением через полупроницаемую мембрану, пропускающую молекулы воды, но удерживающую ионы и молекулы большего размера. Мембрана – это пленка из полимерных материалов, она чувствительна к качеству подаваемой на очистку воды, поэтому мембранной очистке предшествует несколько подготовительных стадий. Стандартная схема цикла очистки в мембранной системе выглядит следующим образом: очистка от механических примесей, прохождение воды через адсорбирующий фильтрат, непосредственно мембранная очистка и обеззараживание ультрафиолетом[2].
Невская вода, поступающая в городские дома СПб, имеет низкую жесткость, но во многих районах Ленинградской области, как водопроводная вода, так и вода из колодцев и скважин имеет высокую жесткость. Следует отметить, что по санитарным нормам пригодной для питья считается вода с жесткостью до 7 мг-экв/л (по европейским стандартам, 2 мг-экв/л). Но вода с жесткостью 3–4 мг-экв/л уже образует накипь на нагревательных приборах, может иметь неприятный привкус. Кожа и волосы, вымытые такой водой, становятся жесткими, «скрипучими», так как жесткая вода в сочетании с мылом или шампунем уничтожает защитную жировую пленку.За последние четыре года качество природных вод большинства рек Ленинградской области улучшилось или не изменилось. Вода стала чище в Невской губе, в Финском заливе. Лишь в реках Волхов и Нева в 2 из 17 контрольных створах обнаружено нарастание загрязнения. Результаты обследования водных объектов Ленинградской области таковы: «чистые» – 4,3%; «умеренно загрязненные» – 34,0%; «загрязненные» – 40,4%; «грязные» – 21,3%. Иногда качество воды ухудшают природные причины. Вода, к сожалению, меняет свой состав в течение года, и вызвано это как изменением погодных условий, так и общим ухудшением экологической обстановки.
Из физических методов для понижения жесткости воды рекомендуется дистилляция и электролиз, из химических - обработка гашеной известью и щавелевой кислотой. В последние годы стали применять диффузионную обработку воды.
Но все эти методы мало пригодны для практического применения в домашних условиях.
Для дистилляции и электролиза воды необходима громоздкая аппаратура, которая дорого стоит.
Чтобы пользоваться химическими методами, надо обладать специальными знаниями, к тому же и сам процесс очень трудоемок. Поэтому любителя часто постигает неудача.
Значит, необходим такой метод обработки воды, который будет отвечать следующим требованиям:
1. Он должен быть прост, чтобы любитель мог обходиться минимумом специальных знаний.
2. Нужная аппаратура должна быть дешевой.3. Процесс обработки воды не должен отнимать много времени.
Этим требованиям удовлетворяет предлагаемый нами метод смягчения воды вымораживанием, который применим, разумеется, только в холодное время года, обычно с ноября по март.
Физико-химическая основа этого метода заключается в следующем: при замерзании растворов кристаллизуется чистый растворитель, а раствор насыщается остатком растворенного вещества.
Вымерзание чистого растворителя теоретически происходит до тех пер, пока концентрация растворенного вещества в остающемся растворе не достигнет предела растворимости. С этого момента в вымерзающем растворителе присутствует и растворенное вещество. Так происходит процесс очистки жидкости, широко применяемый в химических лабораториях[3].
Водопроводная вода представляет собой раствор жестких составляющих (растворенные вещества) в чистой воде (растворитель). При замораживании такой воды сначала замерзает растворитель, который является почти чистой водой, в то время как жесткие составляющие насыщают раствор.
Чем больше поверхность воды, тем лучше она вымораживается. Поэтому надо пользоваться соответствующей посудой. Лучше, если она сделана из синтетических материалов (полихлорвинила, полиэтилена и т.п.), которые лед может деформировать, не разрушая.
После того, как вода заморожена до половины или соответствующей части, слой льда пробивают, водный остаток с повышенной жесткостью сливают, а лед растапливают и нагревают.
Преимущество описанного метода перед другими заключается в том, что вода при вымораживании не только смягчается, но и опресняется.
1.2.Методика очистки сточных вод.
В реках и других водоемах происходит естественный процесс самоочищения воды. Однако он протекает медленно. Пока промышленно- бытовые сбросы были невелики, реки сами справлялись с ними. В наш индустриальный век в связи с резким увеличением отходов водоемы уже не справляются со столь значительным загрязнением. Возникла необходимость обезвреживать, очищать сточные воды и утилизировать их.Очистка сточных вод - обработка сточных вод с целью разрушения или удаления из них вредных веществ. Освобождение сточных вод от загрязнения- сложное производство. В нем, как и в любом другом производстве имеется сырье (сточные воды) и готовая продукция (очищенная вода)[4]. Методы очистки сточных вод можно разделить на механические, химические, физико-химические и биологические, когда же они применяются вместе, то метод очистки и обезвреживания сточных вод называется комбинированным. Применение того или иного метода в каждом конкретном случае определяется характером загрязнения и степенью вредности примесей.
Сущность механического метода состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, септиками, навозоуловителями различных конструкций, а поверхностные загрязнения - нефтеловушками, бензомаслоуловителями, отстойниками и др. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60-75% нерастворимых примесей, а из промышленных до 95%, многие из которых как ценные примеси, используются в производстве.
Химический метод заключается в том, что в сточные воды добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95% и растворимых до 25%
При физико-химическом методе обработки из сточных вод удаляются тонко дисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества, чаще всего из физико-химических методов применяется коагуляция, окисление, сорбция, экстракция и т.д. Широкое применение находит также электролиз. Он заключается в разрушении органических веществ в сточных водах и извлечении металлов, кислот и других неорганических веществ. Электролитическая очистка осуществляется в особых сооружениях - электролизерах. Очистка сточных вод с помощью электролиза эффективна на свинцовых и медных предприятиях, в лакокрасочной и некоторых других областях промышленности.
Загрязненные сточные воды очищают также с помощью ультразвука, озона, ионообменных смол и высокого давления, хорошо зарекомендовала себя очистка путем хлорирования.
Среди методов очистки сточных вод большую роль должен сыграть биологический метод, основанный на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Есть несколько типов биологических устройств по очистке сточных вод: биофильтры, биологические пруды[5].
В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой. Благодаря этой пленке интенсивно протекают процессы биологического окисления. Именно она служит действующим началом в биофильтрах.
В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоем.
Аэротенки - огромные резервуары из железобетона. Здесь очищающее начало - активный ил из бактерий и микроскопических животных. Все эти живые существа бурно развиваются в аэротенках, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего в сооружение потоком подаваемого воздуха. Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют ферменты, минерализующие органические загрязнения. Ил с хлопьями быстро оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные, пожирая бактерии, неслипающиеся в хлопья, омолаживают бактериальную массу ила.Сточные воды перед биологической очисткой подвергают механической, а после нее для удаления болезнетворных бактерий и химической очистке, хлорированию жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также другие физико-химические приемы (ультразвук, электролиз, озонирование и др.)
Биологический метод дает большие результаты при очистке коммунально-бытовых стоков. Он применяется также и при очистке отходов предприятий нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, производстве искусственного волокна.
«Питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу, и иметь благоприятные органолептические свойства», - это выдержка из санитарно-эпидемиологических правил и нормативов «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. СанПин 2.1.4. 1074-01», который регламентирует качество воды[6].
Водоочистка - комплекс технологических процессов, имеющих целью довести качество воды, поступающей в водопровод из источника водоснабжения, до установленных показателей.
Первые сведения по водоочистке содержатся в написанной в Индии около 4 тыс. лет назад на санскритском языке медицинской книге “Усрута Сангита”, где говорится: “Хорошо держать воду в медных сосудах, выставлять её на солнечный свет и фильтровать через древесный уголь”. Древнегреческий врач и естествоиспытатель Гиппократ рекомендовал во избежание заболеваний употреблять кипячёную воду. Первая водоочистная станция с так называемыми медленными фильтрами была построена в 1829 в Лондоне. В России станция очистки водопроводной воды впервые была сооружена в 1888 в Петербурге, станция обеззараживания воды - в 1910 в Н. Новгороде.
Воды поверхностных водоисточников (рек, озёр) обычно непригодны для питья из-за мутности, цветности и более высокого, чем это допустимо для питьевой воды, содержания бактерий. Поэтому до подачи воды в хозяйственно-питьевой водопровод её осветляют (удаляют взвешенные и коллоидальные частицы), обесцвечивают и обеззараживают (освобождают от болезнетворных микроорганизмов). Для осветления и обесцвечивания воды на очистных сооружениях проводят коагуляцию взвешенных и коллоидальных загрязнений сернокислым алюминием или хлорным железом; основную массу скоагулированных загрязнений задерживают в отстойниках или осветлителях, а воду “доосветляют” на фильтрах (песчаных или двухслойных). Воду с содержанием взвеси менее 150 мг/л можно осветлять на контактных осветлителях с введением коагулянта непосредственно перед поступлением воды в слои фильтрующей загрузки. Для обеззараживания в исходную или фильтрованную воду вводят жидкий хлор, хлорную известь или озон. Хорошо осветлённая вода и вода подземных водоносных горизонтов может обеззараживаться ультрафиолетовыми лучами с длиной волны 2000-3000A, обладающими бактерицидным действием. Источниками ультрафиолетового излучения служат ртутно-кварцевые или аргоно-ртутные лампы.
Если вода в источнике водоснабжения имеет жёсткость (суммарное содержание солей кальция и магния), большую, чем допускается по нормам, то её до подачи в водопроводную сеть умягчают. Применяют два метода умягчения воды - реагентный и катионитовый. Реагентный метод сводится к осаждению солей жёсткости известью (устранение так называемой карбонатной жёсткости) и содой (некарбонатной жёсткости). Он позволяет снизить общую жёсткость воды до 0,5-0,7 мг-экв/л. Для более глубокого умягчения воды используют катионитовый метод, снижающий жёсткость воды до 0,03 мг-экв/л. Если вода содержит более 0,3 мг/л железа, её обезжелезивают. Подземные воды обычно обезжелезивают аэрацией (обогащают кислородом воздуха, который окисляет соли двухвалентного железа в соли трёхвалентного, выпадающие в осадок в виде гидроокиси железа), поверхностные - коагулированием. Для удаления из воды других растворённых солей её опресняют или обессоливают на ионитах. Дегазация воды (удаление сероводорода, метана, радона, углекислого газа и других растворённых газов) производится, как правило, аэрацией. Избыток фтора (при его содержании в воде более 1,5 мг/л) удаляют фильтрованием воды через активированную окись алюминия. При наличии в воде радиоактивных веществ её подвергают дезактивации. Дезодорация воды, т. е. удаление веществ, обусловливающих привкусы и запахи, достигается сорбцией их активным углём или окислением озоном, двуокисью хлора или перманганатом калия. Водоочистка является наиболее крупнотоннажным производством в народном хозяйстве страны.
Главными источниками соединений железа в природных водах являются процессы выветривания, эрозии почв и растворения горных пород. Значительные количества железа поступают с подземным стоком и со сточными водами промышленных предприятий. В питьевой воде железо может присутствовать также вследствие использования на муниципальных станциях очистки воды железосодержащих коагулянтов, которые применяют для осветления поступающей воды, либо из-за коррозии водопроводных труб[7].
Соединения железа могут находиться в природной воде в растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии в зависимости от валентности: Fe+2, Fe+3, а также в виде различных химических соединений. Например, двухвалентное железо (Fe+2) почти всегда находится в воде в растворенном состоянии, а трехвалентное железо (Fe+3) — гидрооксид железа Fe(OH)3 нерастворим в воде, кроме случая очень низкого значения рН. Существует еще одна форма присутствия железа в природной воде — это органическое железо. Оно встречается в воде в разных формах и в составе различных комплексов. Органические соединения железа, как правило, растворимы или имеют коллоидную структуру и очень трудно поддаются удалению. Коллоидные частицы из-за своего малого размера и высокого поверхностного заряда, который не позволяет частицам сближаться и препятствует их укрупнению, предотвращая образование конгломератов, создают в воде суспензии и не осаждаются, находясь во взвешенном состоянии и тем самым обуславливают мутность исходной воды.
Все вышеперечисленные формы железа могут по-разному «обнаруживать» себя в воде. Так, если первоначально вода чиста и прозрачна, но через некоторое время в процессе отстаивания образуется красно-бурый осадок, то это признак наличия в воде двухвалентного железа. В случае если вода уже из крана идет желтовато-бурая и образуется осадок при отстаивании — причина — трехвалентное железо. Коллоидным железом окрашена вода изначально, но оно не образует осадка. Бактериальное железо, которое образуется в процессе жизнедеятельности железобактерий, способных использовать энергию преобразования растворенного железа в трехвалентное, проявляет себя радужной опалесцирующей пленкой на поверхности воды и желеобразной массой, накапливаемой внутри труб.
Основной формой железа в поверхностных водах являются его трехвалентные комплексные соединения с растворенными неорганическими и органическими гумусовыми соединениями. Поэтому повышенное содержание железа наблюдается в болотных водах, где концентрация гумусовых веществ достаточно велика. Наибольшие же концентрации железа наблюдаются в подземных водах с низкими значениями рН и с низким содержанием растворенного кислорода. В подземных водах железо присутствует в основном в растворенном двухвалентном виде.
Содержащая железо вода (особенно подземная) изначально прозрачна и чиста на вид. Однако даже при непродолжительном контакте с кислородом воздуха железо окисляется, придавая воде желтовато-бурую окраску. Уже при концентрациях железа выше 0,3 мг/л такая вода способна вызвать появление ржавых потеков на сантехнике и пятен на белье при стирке. При содержании железа выше 1 мг/л вода становится мутной, окрашивается в желто-бурый цвет, у нее ощущается характерный металлический привкус. Все это делает такую воду практически непригодной как для хозяйственно-бытового, так и для питьевого применения.
Согласно принятым санитарным нормам, содержание общего железа в водопроводной воде не должно превышать 0,3 мг/л, ведь это — тяжелый металл, и наряду с марганцем, никелем, хромом, мышьяком, кадмием, свинцом и медью относится к высокотоксичным и долго сохраняющимся в природе веществам. Зачастую содержание железа в водопроводе превышает норму в пять, а то и в десять и более раз, поэтому проблема обезжелезивания воды стоит особенно остро.
В одном литре речной или озерной воды обычно содержится от 0,01 до 1 мг железа, и эта вода прозрачна. В болотной воде железа много, десятки миллиграммов на литр, вот почему она имеет коричневатый «ржавый» оттенок. Но не всякое железо придает воде такой цвет. В подземных водах железо обычно растворено в двухвалентной форме, причем вода при этом бывает совершенно прозрачной. При подъеме на поверхность такая вода приобретает дурной запах и неприятный вкус, а при хранении на воздухе она становится опалово-мутной, и из нее выделятся буроватый осадок.
Так как же можно очистить подземные воды от соединений железа? На первый взгляд, очень просто. Надо перевести железо в нерастворимую трехвалентную форму и как следует отфильтровать. Но это на словах. На деле проблема весьма широка и обусловлена значительным разнообразием природных условий, в том числе разнообразием состава подземных вод, а также форм соединений железа в них. Очистка включает целый ряд физико-химических процессов и сводится, прежде всего, к переводу соединений железа в нерастворимые и слаборастворимые формы с последующим извлечением их из воды. Практически все способы требуют предварительного аэрирования и фильтрации.
Одним из современных направлений нехимической очистки подземных вод является биологический способ, который основывается на использовании микроорганизмов. Самыми распространенными среди них являются железобактерии. Эти бактерии переводят закисное железо (Fe2+) в окисное (ржавчина Fe3+). Сами по себе эти бактерии не представляют опасности для организма человека, однако продукты их жизнедеятельности токсичны.
Современные биотехнологии основаны на использовании свойств каталитической пленки, образующейся на песчано-гравийной загрузке или на другом подобном мелкопористом материале, например, колонне из активированного кокосового угля, различных синтетических материалов, а также на способности тех самых железобактерий обеспечивать течение сложных химических реакций без каких-либо затрат энергии и использования реагентов. Эти процессы являются естественными и основаны на биологических закономерностях самой природы. Обильное развитие железобактерий отмечается в воде с содержанием железа от 10 до 30 мг/л, однако, как показывает опыт, их развитие возможно даже при концентрации железа в сто раз меньше. Единственное условие — это поддержание кислотности среды на достаточно низком уровне при одновременном доступе кислорода из воздуха, хотя бы в ничтожно малом количестве.
Заключительным этапом биологического обезжелезивания является сорбционная очистка для задержания продуктов жизнедеятельности железобактерий и окончательное обеззараживание воды бактерицидными лучами. При всех своих достоинствах (например, экологичности) и перспективности у биоочистки есть только один недостаток — относительно низкая скорость процесса. Это, в частности, означает, что для обеспечения больших производительностей требуются большие габариты емкостных сооружений. Поэтому широкое распространение находят окислительные и ионообменные методы обезжелезивания.
Окислительные методы обезжелезивания подразумевают использование таких окислителей как воздух, хлор, озон, перманганат калия и др. для ускорения протекания реакции перевода закисной формы железа в окисную с дальнейшим ускоренным осаждением хлопьев железа посредством добавления специальных химических веществ — коагулянтов на осадочных фильтрах. Такая технология в основном применима на крупных муниципальных системах.
Для бытовых и коммерческо-промышленных систем сегодня применяется каталитический метод удаления железа[8]. Реакция окисления происходит на поверхности гранул специальной фильтрующей среды, обладающей свойствами катализатора (ускорителя химической реакции окисления). Наибольшее распространение в современной водоподготовке нашли фильтрующие среды на основе диоксида марганца (MnO2): Birm, Greensand, Filox, Pyrolox и др. Железо (и в меньшей степени марганец) в присутствии диоксида марганца быстро окисляются и оседают на поверхности гранул фильтрующей среды. Впоследствии большая часть окисленного железа вымывается в дренаж при обратной промывке. Таким образом, слой гранулированного катализатора является одновременно и фильтрующей средой. Для улучшения процесса окисления в воду могут добавляться дополнительные химические окислители. Наиболее распространенным является перманганат калия KMnO4 («марганцовка»), так как его применение не только активизирует реакцию окисления, но и компенсирует «вымывание» марганца с поверхности гранул фильтрующей среды, то есть регенерирует ее. Используют как периодическую, так и непрерывную регенерацию.
Все системы на основе каталитического окисления с помощью диоксида марганца кроме специфических (не все из них работают по марганцу, почти все они имеют большой удельный вес и требуют больших расходов воды при обратной промывке) имеют и ряд общих недостатков.
Во-первых, они неэффективны в отношении органического железа. Более того, при наличии в воде любой из форм органического железа, на поверхности гранул фильтрующего материала со временем образуется органическая пленка, изолирующая катализатор — диоксид марганца от воды. Таким образом, вся каталитическая способность фильтрующей засыпки сводится к нулю. Практически «на нет» сводится и способность фильтрующей среды удалять железо, так как в фильтрах этого типа просто не хватает времени для естественного протекания реакции окисления.
Во-вторых, системы этого типа все равно не могут справиться со случаями, когда содержание железа в воде превышает 10–15 мг/л, что совсем не редкость. Присутствие в воде марганца только усугубляет ситуацию.
Ионный обмен как метод обработки воды известен довольно давно и применяется в основном для умягчения воды. Раньше для реализации этого метода использовались природные иониты (сульфоугли, цеолиты). Однако с появлением синтетических ионообменных смол эффективность использования ионного обмена для целей водоочистки резко возросла.
С точки зрения удаления из воды железа важен тот факт, что катиониты способны удалять из воды не только ионы кальция и магния, но и другие двухвалентные металлы, а значит и растворенное двухвалентное железо. Причем теоретически, концентрации железа, с которыми могут справиться ионообменные смолы, очень велики. Достоинством ионного обмена является также и то, что он «не боится» верного спутника железа — марганца, сильно осложняющего работу систем, основанных на использовании методов окисления. Главное же преимущество ионного обмена то, что из воды могут быть удалены железо и марганец, находящиеся в растворенном состоянии. То есть совсем отпадает необходимость в такой капризной и «грязной» (из-за необходимости вымывать ржавчину) стадии, как окисление.
Однако на практике, возможность применения катионообменных смол по железу сильно затруднена. Объясняется это следующими причинами: во-первых, применение катионитов целесообразно там, где существует также и проблема с жесткостью воды, так как железо удаляется из воды вместе с жесткостью. Там, где ситуация с жесткостью достаточно благополучная, применение катионообменных смол нерационально. Во-вторых, ионообменные смолы очень критичны к наличию в воде трехвалентного железа, которое «забивает» смолу и очень плохо из нее вымывается. Именно поэтому нежелательно наличие в воде не только уже окисленного железа, но и растворенного кислорода и других окислителей, наличие которых может привести к его образованию. Этот фактор накладывает также ограничение и на диапазон рН, в котором работа смол эффективна.
В-третьих, при высокой концентрации в воде железа, с одной стороны возрастает вероятность образования нерастворимого трехвалентного железа (со всеми вытекающими отрицательными последствиями — см. выше) и, с другой стороны, гораздо быстрее истощается ионообменная емкость смолы. Оба этих фактора требуют более частой регенерации, что приводит к увеличению расхода соли. В-четвертых, наличие в воде органических веществ (в том числе и органического железа) может привести к быстрому «зарастанию» смолы органической пленкой, которая одновременно служит питательной средой для бактерий.
Тем не менее, именно применение ионообменных смол представляется наиболее перспективны направлением в деле борьбы с железом и марганцем в воде. Задача заключается в том, чтобы подобрать такую комбинацию ионообменных смол (подчас весьма сложную и многокомпонентную), которая была бы эффективна в достаточно широких пределах параметров качества воды.
1.3.Фильтры для воды.
Любая вода, в зависимости от источника водопотребления : для кого-то -это муниципальная водопроводная вода в квартире, для других -это вода из артезианской скважины либо из колодца на даче, кто-то пользуется родниковой водой, в каждом конкретном случае вода имеет свою специфику. Поэтому и фильтрационное оборудование, необходимо выбирать в первую очередь исходя из особенностей воды и целей применения фильтра.Определенное качество воды “на выходе” в результате фильтрования, можно достичь, зная только какой вода была “на входе” перед обработкой[9].
Основными определяющими показателями для выбора фильтра являются: рН, железо, марганец, жесткость, сероводород и пермаганатная окисляемость. Значения этих показателей в процессе водоочистки приводят в соответствие с санитарно-эпидемиологическими нормативами (СанПиН).
Жесткость выше 4,5 мг-экв/л приводит к интенсивному накоплению осадка в системе водоснабжения и на сантехнике, образующаяся накипь мешает работе бытовой технике. Вероятность зарастания труб известковыми отложениями возрастает, то есть уменьшается намеченный срок службы трубопровода. Соли жесткости, отлагаясь в системах отопления и горячего водоснабжения, приводят к перерасходу энергоносителей и выводят из строя бойлеры раньше времени.
Постоянное употребление воды с повышенной жесткостью приводит к накоплению солей в организме, и, в конечном итоге, к заболеванию суставов (артриты, полиартриты), к образованию камней в почках, желчном и мочевом пузыре. В жесткой воде хуже мылится мыло, увеличивается расход стирального порошка.
Одним из вариантов стабилизации жесткости, предотвращающей кальциевые отложения на трубах, может быть специальная магнитная обработка воды, это (медиагон) специальные фильтры. Хотя специалисты рекомендуют использовать эти устройства не вместо традиционных умягчителей, а вместе с ними.
Современная экономическая ситуация диктует условия, при которых получают заметное развитие котлы малой мощности как в системах теплоснабжения, так и в энергетическом хозяйстве в целом. Прогнозируется, что если в России в обозримом будущем и возможен рост централизованного теплоснабжения, то в самых минимальных объемах. В этом случае проблема надежности и бесперебойности функционирования систем энергоснабжения носит уже, как правило, локальный (немасштабный) характер, но, тем не менее, ее актуальность сохраняется. Накопленная практика показывает, что по-прежнему главным условием обеспечения надежности и экономичности при эксплуатации энергетических установок остается рациональное решение вопросов водного режима. Но в энергосистемах малой мощности традиционные методы обработки воды (например, ионный обмен) нецелесообразны как по экономическим соображениям, так и по условиям их технологической совместимости. Отсюда по-прежнему нередко энергетическая вода предварительно не обрабатывается, что приводит к потерям мощности, росту расхода топлива, вызванных накоплением накипи, а также к простоям и выходу из строя оборудования, связанным с удалением этой накипи.
Поэтому продолжаются поиски дешевых и простых средств для предотвращения образования накипи (отложений) в подобных установках, например, безреагентных («физических») методов обработки воды, в том числе и магнитного.
На эти действия есть и формальные основания, так как в нормативной литературе издания 1994 г.[10] рекомендуется магнитная противонакипная обработка воды. Более того, ряд зарубежных компаний предлагают «электронные умягчители» воды (например, «WATER KING»), которые генерируют электромагнитные волны звукового диапазона, при воздействии которых в воде наблюдается изменение формы кристаллов СаСО3[11].
Первые сведения о магнитной обработке воды появились 50 лет назад. Принцип магнитной обработки воды за это время не изменился и заключается в том, что при пересечении водой магнитных силовых линий накипеобразователи выделяются не на поверхности нагрева, а в объеме воды в виде шлама. Образовавшиеся рыхлые осадки необходимо удалять при продувке или иным способом.
Механизм влияния магнитного поля на воду и ее примеси нельзя считать выявленным в достаточной мере. Известные соображения и гипотезы различных авторов в основном базируются на поляризующем действии магнитного поля на ионы и молекулы воды. При этом за время контакта воды с магнитным полем, в любом водном растворе должны произойти какие-то изменения, обуславливающие в дальнейшем выделение твердой фазы в форме шлама вместо накипи. То есть, проще говоря, замена твердых отложений на рыхлые. При этом в случае магнитной обработки природной воды, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, нет никаких оснований предполагать реальную возможность возникновения, и тем более длительного сохранения («магнитная память») каких-либо изменений в воде под действием относительно слабых магнитных полей. В связи с этим, вероятно, действие магнитного поля при водообработке может проявиться только в термодинамически неравновесных системах, т.е. системах, находящихся в неустойчивом состоянии.
Пример такой системы – вода с определенной карбонатной жесткостью, стабильность которой нарушается при ее подогреве (обычно выше 40 °С) и при этом образуется малорастворимое соединение СаСО3, выпадающее в осадок. Причем действие магнитного поля усиливается присутствием в воде ферромагнитных окислов железа.
Поэтому влияние магнитного поля в отношении предотвращения накипеобразования следует рассматривать как фактор, влияющий на процесс кристаллизации накипеобразователей, точнее процесс образования кристаллических осадков. Именно такой же процесс происходит в котловой или сетевой воде, если выполняется внутрикотловая обработка воды щелочными реагентами на фосфатной основе. Поэтому при магнитной обработке воды химический механизм стабилизации воды, поддающийся достаточно точному расчету и прогнозированию результата, заменяется на физический, в данном случае в виде относительно кратковременного магнитного поля. Поэтому магнитная обработка воды, да и очевидно все другие безреагентные методы, не могут дать лучшего эффекта очистки поверхности нагрева, чем внутрикотловая обработка воды с использованием неорганических (химических) антинакипинов (например, щелочные реагенты – NaOH и др.).
Промышленные опыты в свое время подтвердили это и показали, что использование магнитной обработки воды позволяет понизить накипеобразование примерно на 30-50 %. В указанных пределах положительный эффект возрастает в случае обработки пресных вод с преобладающей кальциевой карбонатной жесткостью. При магнитной обработке воды нередко наблюдается заметное разрыхление структуры остаточных отложений.
Выделение твердой фазы в массе воды в виде шлама не обеспечивает само по себе полноту эффекта соответствующего метода обработки воды. При недостаточном удалении образовавшегося шлама может образовываться вторичная малотеплопроводная накипь. Поэтому при магнитной обработке воды необходимо в котле, системе теплоснабжения наличие устройств, обеспечивающих надежный и своевременный отвод образующегося шлама.
Кроме того, при магнитной обработке воды коррозионная активность воды не снижается. Поэтому, при наличии очищающего эффекта интенсивность коррозии возрастает, появляются условия для развития подшламовой коррозии. Все это требует создания мер, гарантирующих отсутствие интенсивной коррозии металла.
В связи с вышеуказанным, магнитная обработка воды рекомендовалась для природных вод с общей жесткостью до 10 мг-экв/л и карбонатной не выше 6 мг-экв/л. Кроме того, устанавливались ограничения по величине удельного водяного объема котла – не более 50 л/м2 поверхности нагрева, а также и по тепловому напряжению поверхностей нагрева – не более 100 кВт/м2 (86 Мкал/м2?ч).
Кроме того, до сих пор остается открытым вопрос: как влияет «магнитная» вода на человека? Поэтому использование ее в системах отопления и тем более ГВС вряд ли можно считать однозначно возможным.
Следовательно, на наш взгляд, сохраняют силу рекомендации прошлых лет – возможности магнитной обработки воды ограничиваются водотрубными неэкранными паровыми котлами с чугунными экономайзерами. Следует добавить, если такое котельное оборудование где-то еще сохранилось.
Очень мягкая вода не менее опасная, чем излишне жесткая. Самая активная это мягкая вода. Излишне мягкая вода способна вымывать из костей кальций и полезные органические вещества, в том числе полезные бактерии. У человека может развиться рахит, если пить такую воду с детства, у взрослого человека становятся ломкие кости. Однако нормально умягченная вода специально поддается в контур горячего водоснабжения, чтобы продлить срок службы котла.
“Железная” вода тоже не может быть полезной. Содержание железа в воде выше норматива способствует накоплению осадка в системе водоснабжения, интенсивному окрашиванию сантехнического оборудования.Высокое содержание железа приводит к неблагоприятному воздействию на кожу. При умывании жесткой водой на коже образуется пленка нерастворимой кальциевой соли, вызывающая раздражение.Железо должно быть на уровне 0,2-0,3 мг-экв/л, но если по кальцию есть нижняя граница, по железу такой границы нет.
Есть такой показатель воды, пермаганатная окисляемость. Он свидетельствует о том, какое количество кислорода способна поглотить вода, кислород идет только на окисление органики. Норма Санпина 5 мг-экв/л, однако, при концентрации более 2 мг-экв/ в воде присутствует достаточное количество органических примесей.
Органика является очень хорошим шлакообразующим агентом, органика может вызывать какие-то запахи, но в целом это субъективно, кто-то пьет и говорит “я ничего не чувствую” Если много органики, то образуются шлаки с металлами. Много побочных, например, пестициды.
Еще один показательный элемент воды- это рН (водородный показатель). Если рН ниже 6,5-6,6 может возникнуть коррозия труб[12].
В артезианской скважине и водопроводной воде может присутствовать большое содержание мелких частиц (песок, глина, ржавчина). Такие механические примеси оказывают существенное влияние на долговечность и эксплутационные характеристики сантехники (смесители на основе металлокерамики, трубы, ванны, унитазы, душевые кабины).
В зависимости от концентрации взвешенных частиц с распределением их по количеству и размерам, подбирается фильтрационное оборудование. В частности, чем больше концентрация, тем мощнее должен быть осадочный фильтр. Среднее значение взвешенных частиц около 9-10 мгл, в случае такой концентрации осадочный фильтр не нужен.
Итак, некоторые элементы, следует удалять до ноля (железо), другие необходимо оставлять в соответствующих пределах (кальций-50 мг-экв/л).
Для выбора фильтра, кроме сведений о качестве воды, необходимо точно определить для каких целей применяется фильтр. Можно использовать только для очищения питьевой воды, в таком случае следует выбирать фильтры глубокой очистки, а возможно более масштабное применение, для бытового назначения - для полива огорода.
Глава 2. Невская и Ладожская вода.
2.1. Свойства воды реки Нева.
Свойства невской воды от истока до Санкт-Петербурга не меняются, поскольку впадающие реки ничтожно малы по сравнению с Невой. Со сбросом же большого объема сточных вод в пределах города некоторые свойства воды претерпевают заметные изменения. Еще более меняются свойства воды в Невской губе, где часть воды застаивается и накапливаются загрязнения.
Температура воды в реке Неве. Ладожское озеро очень глубокое, его водная толща за весну и лето не успевает хорошо прогреться, поэтому вода в Неве почти всегда холодная. Благодаря большой скорости течения и интенсивному перемешиванию температура воды в реке Неве повсюду почти одинакова. С апреля по июль вода в реке теплее, чем окружающий воздух, а с августа по ноябрь — холоднее. Колебания температуры воды в течение суток невелики, в общем, они уменьшаются от весны к осени и составляют в мае 0,5—1,0° и 0,1—0,3° в октябре. Наиболее теплой вода бывает в конце дня (в 16—18 часов), а самой холодной — ранним утром (в 5—7 часов). Колебания температуры воды от суток к суткам также незначительны. Лишь резкое похолодание или потепление погоды, продолжающееся 5—7 суток и более, вызывает заметное изменение температуры воды. Вода в реке обычно нагревается до конца июля, затем она начинает охлаждаться. В среднем температура воды выше 16° держится около 1,5 месяца, когда продолжается купальный сезон. В холодное лето этот период сокращается до 5—10 дней, а в жаркое удлиняется до 2,5 месяца[13].
Температура воды в Невской губе. В мелководной Невской губе температура воды в большей степени следует за температурой воздуха, чем в реке Неве. Этим и объясняется, что весной и летом вода в губе теплее, чем в реке, а осенью холоднее. Внутрисуточные колебания температуры воды в губе довольно значительны и нередко достигают 2—3°. Заметим еще, что в центральной, наиболее глубоководной части губы весной и летом вода несколько холоднее, чем в прибрежной зоне (на 1—2°), а осенью, наоборот, теплее. Длительность купального сезона у берегов Невской губы почти такая же, как на верхней и средней Волге, и большей частью составляет 50—70 дней.
Мутность, цвет и прозрачность воды. Вода, начинающая свой путь на склонах бассейна, прежде чем достичь Невы, протекает через многочисленные озера, где содержащиеся в ней ил и песок оседают на дно. Поэтому вода в Неве чистая, взвесей в ней мало. Если из Невы набрать воду в сосуд высотой 30—40 см и дать ей отстояться, то осадок на дне будет иметь толщину 0,3—0,5 мм. Этот осадок на 4/5 состоит из минеральных веществ (ил, песок) и на 1/5 из органических. Общее содержание взвешенных веществ, минеральных и органических, в невской воде невелико — 5—10 мг/л. Это в 15—20 раз меньше, чем в волжской или днепровской воде. Меньше всего взвесей бывает зимой (2—3 мг/л) и больше всего осенью (иногда до 30—40 мг/л).
Цвет и прозрачность речной воды зависят в основном от содержания взвешенных минеральных веществ, т. е. от мутности, и растворенных органических веществ. Мутность невской воды, как отмечалось, невелика. Содержание органических веществ в ней среднее. Благодаря этому вода в Неве довольно прозрачная. Крупный печатный текст сравнительно легко читается через слой воды, налитой в стеклянный сосуд высотой 30—40 см. Небольшие темные предметы видны в реке на глубине 1—2 м, а белые предметы — на глубине 2,0—2,5 м. В стеклянном сосуде невская вода обычно имеет светлую зеленовато-желтоватую окраску, что указывает на присутствие в ней веществ органического происхождения.
Как прозрачность, так и цвет воды меняются в течение года. Весной, в период обильного притока речных вод в Ладожское озеро, усиливается бурый оттенок воды. Речные воды, как более теплые, а, следовательно, и более легкие, остаются на поверхности озера и поступают в Неву. На цвет, прозрачность и мутность воды очень влияют штормы на Ладоге, во время которых ветер перегоняет от устьев впадающих в озеро рек к истоку Невы интенсивно окрашенную воду, а главное, волнением поднимаются со дна Шлиссельбургской губы ил и песок. Несколько раз в году прозрачность воды падает до 15—18 см и цвет ее становится светло-коричневым. Известны даже случаи, когда вода в Неве приобретала коричневый цвет, а прозрачность падала до 3—5 см. Многие жители города, не ведая истинной причины изменения окраски воды, приписывали это неисправности водопроводной сети[14].
Воды реки Невы, вступая в пределы Невской губы, в безветренную погоду в общем не изменяют своей мутности и прозрачности. В ветреную погоду волнение, развиваемое сильным западным ветром, сопровождается взмучиванием ила и песка со дна губы. При этом на отмелях невского бара мутность воды возрастает до 60—80 мг/л и более. С борта теплохода отмели отчетливо различаются по мутной белесой воде, а фарватеры — по воде темно-синего цвета. Во время сильного восточного ветра более всего возрастает мутность воды вблизи Южных и Северных ворот у острова Котлин.
Невская вода слабоминерализована. В среднем содержание растворенных минеральных веществ в ней, или ее минерализация, составляет 56 мг/л, что в 3—5 раз меньше, чем на Волге и Оке. Слабая минерализация объясняется, прежде всего, особенностями климата и рельефа бассейна. Грунтовые воды, всегда богатые минеральными солями, занимают небольшой удельный вес в питании реки Невы.
Поверхностные же воды, снеговые и дождевые, являющиеся главным источником питания Невы, бедны солями, так как почвы бассейна за многие тысячи лет хорошо промыты частыми дождями и обильными талыми водами. Кроме того, значительная часть поверхности бассейна сложена трудно-размываемыми кристаллическими породами.
Содержание минеральных веществ в невской воде подвержено колебаниям в течение года, хотя и не очень значительным — от 30 до 70 мг/л. Наименьшая минерализация отмечается весной, наибольшая — зимой.
По составу растворенных минеральных веществ невская вода относится к природным водам гидрокарбонатного класса с реакцией воды, близкой к нейтральной (рН~7). Вода в Неве очень мягкая (жесткость 0,4—0,8 мг/экв), не имеет определенного вкуса или запаха. Количество аммиака, придающего воде специфический запах, невелико (0,15—0,20 мг/л).
Содержание веществ органического происхождения в невской воде близко к среднему для речных вод (окисляемость неполная, или пермангаяатнал, 7—9 мг О/л). При этом по весу на долю растворенных веществ приходится в среднем около 25 мг/л, а на долю взвешенных — около 2 мг/л. Органические вещества имеют преимущественно почвенное происхождение, на 80—90% они состоят из весьма устойчивых перегнойных кислот желтоватого цвета — продуктов разложения лесной подстилки.
В 1 л невской воды в зависимости от времени года растворено от 7 до 15 мг кислорода. При низкой температуре воды в Неве это соответствует 90—100% насыщенности воды кислородом, что заметно выше, чем на других равнинных реках средней полосы страны. Высокая насыщенность воды кислородом объясняется главным образом почти постоянным волнением на Ладоге, благодаря чему вода имеет хорошую аэрацию.
Растворенной углекислоты (С02), агрессивной на бетон, в невской воде немного (3—5 мг/л). Как ни малы мутность и минерализация воды, но в среднем за год Нева выносит в Финский залив 7 млн. т ила, песка, солей и разных органических веществ (в сутки 19000 т).
Содержание бактерий среднее — от 50—100 до 700—900 в 1 см3 воды. По санитарным нормам при централизованном постоянном водоснабжении вода должна иметь коли-титр 333. Поэтому невскую воду, перед тем как направлять в водопроводную сеть, хлорируют или фторируют.
По основным гидрохимическим и микробиологическим показателям Неву от истока до Ленинграда можно считать чистой рекой (БПК5, ~ 1—2 мг O2/л), в пределах Санкт-Петербурга на фарватере — почти чистой, а у берегов — умеренно грязной, местами грязной (БПК5 ~ 3—5 мг O2/л). Химический состав, и в частности степень загрязнения воды, в некоторых рукавах Невской дельты заметно отличается от самой Невы. В особенности это относится к водам Невской губы. В пределах Санкт-Петербурга более всего загрязнены реки Охта, Славянка и Красненькая.
Растительный и животный мир в реке Неве. В Неве почти нет водной растительности. Лишь в некоторых местах у самого берега тянется узкая полоса водолюбивой растительности.
Специфические условия реки Невы наложили свой отпечаток на видовой состав рыб. Быстрое течение, холодная вода, отсутствие тихих заводей и водной растительности — все это не благоприятствует жизни рыб. Постоянные обитатели Невы (окунь, ерш, плотва и др.) нетребовательны к условиям внешней среды. В Неве преобладают проходные рыбы, из которых промысловое значение имеют корюшка, ряпушка, минога, отчасти лосось.
Нижняя половина реки более «добычлива», чем верхняя: она дает 95% всей товарной рыбы. Каждая рыба имеет свое место и время лова. Так, минога ловится исключительно в пределах Санкт-Петербурга, корюшка — до Кривого колена, ряпушка — до Ивановских порогов, лосось — почти целиком в верхней половине реки. Ежегодно в Неве добывается около 4000—6000 ц рыбы, причем 90% приходится на корюшку. В очень «урожайные» годы улов возрастает до 9000—10000 ц, а в «неурожайные» падает до 1500—2000 ц.
Основная промысловая рыба — корюшка держится в Неве весной в течение 1,0—1,5 месяца, продолжительность массового , хода 15—20 суток. Первые косяки, или холодная корюшка, подходят из Финского залива, когда температура воды достигает 2—3°. Вторая волна, или теплая корюшка, подходит при температуре воды 8—10°.
Корюшка весьма чувствительна к изменению погоды и колебаниям уровня воды. При смене тепла и холода ход рыбы то усиливается, то ослабевает. В случае западного нагонного ветра и подъема уровня воды глубина на отмелях невского взморья возрастает, и корюшка в большем количестве заходит в Неву.
Из всех рыб, встречающихся в Неве, наиболее ценная — лосось. Взрослый лосось имеет длину 75—90 см и вес 5—8 кг. Нерестилища лосося расположены в верхней части реки в местах с крупногалечным дном и быстрым течением воды.
В Неве иногда попадаются весьма крупные экземпляры рыб. Например, летом 1956 г. на Синопской набережной был пойман сом весом 16,8 кг и длиной 1,34 м.
Растительный и животный мир в Невской губе. В Невской губе на отмелях есть участки с водолюбивой растительностью (тростники, камыш, дикий рис и пр.). Летом при тихой погоде кое-где на поверхности появляется плавающая зелень, как говорят, губа цветет. При легком ветре зелень скапливается у берега в виде желто-зеленых полос и пятен. При более сильном ветре ее выбрасывает на берег.
Невская губа — место обитания, нагула и нерестилищ судака, леща, щуки, плотвы и других частиковых рыб. Основное промысловое значение в губе имеют те же проходные рыбы, что и в Неве. В среднем в губе добывается 6000—8000 ц рыбы в год.
Большой вред рыбному хозяйству в устье реки Невы и в Невской губе наносят сточные воды. В местах, где накапливаются загрязнения, все живое гибнет.
Гидрография. Нева вытекает из Шлиссельбургской губы Ладожского озера у г. Петрокрепость и впадает в Невскую губу Финского залива. Она представляет собою мощный водоток длиной в 74 км, сбрасывающий в Финский залив воды обширного водосбора площадью 282000 км2, включающего бассейны Ладожского и Онежского озер и Волхово-Ильменский бассейн. Собственный водосбор реки составляет лишь 2% от общей площади ее бассейна. Общее падение Невы незначительно - всего около 4,3 м; средний уклон ее равен 0,06%, а дно русла на всем протяжении потока расположено ниже уровня Финского залива. В средней части, при пересечении моренной гряды, Нева образует так называемые Ивановские пороги. В устье она дробится на многочисленные рукава, образуя дельту площадью в 45,6 км2, на островах которой расположен г. Ленинград. Главным рукавом дельты является Большая Нева, от которой вправо отходит рукав Большая Невка, в свою очередь, отделяющая рукава Малая и Средняя Невки[15]. Нева отличается большой водностью, занимая в этом отношении пятое место среди рек Европейской части страны. Средний годовой расход воды ее равен 2600 м3/сек. Водный режим реки весьма своеобразен, что, прежде всего, связано с регулирующим влиянием Ладожского озера. Нева отличается исключительно равномерным распределением стока в году. Это можно иллюстрировать колебаниями ее расходов, которые за многолетний период изменялись в небольших пределах - от 1000 до 4500 м2/сек. Весеннее половодье, характерное для других рек Северо-Западного района, на Неве почти незаметно. С другой стороны, на ней иногда наблюдаются резко выраженные сгонно-нагонные колебания уровня воды, вызываемые действием ветра. При сильных северо-западных ветрах происходит нагон воды в русло со стороны Финского залива, что вызывает подъемы уровня; иногда подъемы бывают столь значительны, что вода выходит из берегов русла и затопляет часть Петербурга. Катастрофические наводнения наблюдались в 1824 и 1924 гг., когда уровень воды в Неве поднимался на 3,8-3,9 м над средним уровнем (ординаром). Менее значительные подъемы уровня в Неве наблюдаются довольно часто.
Ледостав на реке образуется не одновременно. При замерзании кромка неподвижного льда постепенно перемещается от устья к истоку. При таких условиях в верхней, позднее замерзающей части реки образуется в большом количестве внутриводный лед, особенно на Ивановских порогах. С этим явлением связаны наблюдающиеся на реке мощные зажоры. Подъемы уровня воды в периоды зажоров иногда вызывают наводнения.
Весенний ледоход на Неве наблюдается обычно дважды: первый - речной, второй, более поздний, - озерный. Ладожское озеро вскрывается позже, чем Нева, и в то время, когда она уже освободилась от собственного льда. Под действием северо-восточных ветров Ладожский лед сгоняется к истоку Невы и увлекается ее течением в Финский залив. Нева судоходна на всем протяжении, она является важным звеном Беломорско-Балтийского и Волго-Балтийского водных путей. Нева принимает ряд притоков, из которых наиболее значительны Тосна, Охта, Ижора и Мга.
Река Нева соединяет Ладожское озеро с Финским заливом Балтийского моря. Ее бассейн (территория водосбора) имеет площадь 281 000 км2. По характеру рельефа бассейн Невы разделяется на две области примерно по линии Выборг — Приозерск — Петрозаводск — Усть-Видлица. К югу от этой линии простирается слабопересеченная равнина с мягким холмистым рельефом, к северу — местность сильнопересеченная. В целом рельеф бассейна равнинный. По видам растительности бассейн относится к лесной зоне. Почвы представлены в основном дерново-подзолистыми супесями и суглинками, чередующимися с торфяниками. Леса занимают 55% площади бассейна, болота—13%, пахотные земли — 12%.
В бассейне Невы насчитывается множество озер — всего около 50 000, и среди них крупнейшие озера Европы — Ладожское и Онежское, площадью соответственно 17 680 км2 и 9720 км2. К другим крупным озерам относится озеро Сайма на территории Финляндии (площадь 4400 км2) и озеро Ильмень (площадь 1000 км2). Все озера невского бассейна занимают площадь 48000 км2, или 17% его площади. Объем воды в озерах бассейна огромен — 1350 км3. Этой воды хватило бы для питания такой реки, как Днепр, в течение 25 лет, а такой, как Дон, в течение 48 лет.
В бассейне Невы насчитывается также 60 000 рек общей протяженностью 160 000 км. Четыре крупные реки: Нева, Свирь, Волхов, Вуокса. Средние и малые реки южной половины бассейна — это преимущественно типично равнинные реки с пологими берегами и широкими заливными поймами. Реки северной половины бассейна имеют иной характер: текут в крутых лесистых берегах то бурным потоком, то разливаются глубоким озеровидным плесом с едва заметным на глаз течением. Реки эти обычно короткие и соединяют одно озеро с другим.
Реки, болота и озера бассейна образуют в совокупности его гидрографическую сеть, в устройстве которой имеется одна характерная черта. Малые озера, а также болота располагаются преимущественно в верхнем течении рек, несколько большие озера — в среднем и нижнем течении. Крупные же озера — Онежское, Сайма, Ильмень — собирают воду со значительных территорий бассейна и служат своего рода коллекторами. Вытекающие из этих озер реки — Свирь, Вуокса, Волхов — несут воду в еще больший коллектор - Ладожское озеро, получая по пути лишь небольшое пополнение.
Река Нева вытекает из мелководной Шлиссельбургской губы (бухта Петрокрепость) Ладожского озера и впадает в Невскую губу Финского залива. Длина реки 74 км. Открытые районы Ладоги отгорожены от истока реки Невы широкой песчано-каменистой отмелью в самой южной части Шлиссельбургской губы. Устье отделено от Невской губы песчаной отмелью (Невский бар). Истоком реки принято считать место у города Петрокрепость (Шлиссельбург), напротив Шлиссельбургской крепости на острове Орешек. За устье реки принимается створ против Невских ворот Морского канала у входа в Гутуевскую гавань (ковш Морского порта).
На берегах Невы расположены четыре города: Шлиссельбург, Кировск, Отрадное, Санкт-Петербург — и несколько десятков других населенных пунктов.
Нева протекает по широкой (30—50 км) и относительно глубокой (50—100 м) долине, называемой Приневской низменностью. Дно долины представляет собой равнину, нисходящую ступенями в направлении Финского залива и к руслу реки Невы. В отличие от других равнинных рек Нева не имеет поймы. По характеру режима Неву делят на две части: верхнюю — от истока до Ивановских порогов, длиной 30 км, и нижнюю — от Ивановских порогов до устья, длиной 44 км. В верхней части реки на уровни воды, скорости течения и т. д. преобладающее влияние оказывает Ладожское озеро, а в нижней — Финский залив. Вблизи устья река разделяется на рукава, образуя дельту.
На реке, не считая дельты, имеется только три острова: Орешек в самом истоке, Фабричный у города Петрокрепость по левому берегу, Главрыба возле Ивановских порогов по правому берегу (между впадением рек Мги и Тосны). Река Нева течет в довольно крутых, местами обрывистых берегах, высота которых постепенно снижается от истока к устью; средняя высота берегов 6—9 м. В начале дельты высота берегов уменьшается до 2,5—3,0 м, а в самом устье — до 2,0—2,5 м. Исключение составляет небольшой участок левого берега вблизи истока, называемый Преображенской горой, высотой 40 м.
Дно реки в прибрежной зоне преимущественно песчаное и песчано-илистое, на стрежне — глинистое, с примесью гальки и валунов. В местах с быстрым течением дно выстлано галькой и валунами.
Нева — широкая и глубокая река. Преобладающая ширина 400 - 600 м. Самые широкие места (1000—1250 м) — в дельте у Невских ворот Морского торгового порта в так называемой воронке рукава Большая Нева, у окончания Ивановских порогов при впадении реки Тосны и у острова Фабричный вблизи истока. Самое узкое место (210 м) — напротив мыса Святки у начала Ивановских порогов. Преобладающая глубина 8—11 м; наибольшая глубина (24 м) у правого берега против Арсенальной улицы в Санкт-Петербурге, наименьшая (4,0—4,5 м) — в Ивановских порогах. Широких отмелей и кос на Неве нет нигде. Почти всюду берега реки позволяют судам подходить к ним вплотную, за исключением немногих мест.
2.2. Воды Ладожского озера.
Для всех великих озер, кроме Псковско-Чудского, Ладожское озеро является замыкающим. Поэтому бассейн его очень велик: 258,6 тыс.км2[16]. В этом бассейне около 50000 озер меньшего размера, много болот и 3500 рек (длиной более 10км каждая); общая протяженность рек около 45000 км. Болота и сложные озерные системы бассейна регулируют сток в Ладожское озеро и его водный режим. Реки, проходя через промежуточные озера, оставляют в них много переносимых ими взвешенных минеральных частиц и доходят до Ладоги с заметно осветленной водой. Речные паводки распластываются на озерах.
Нева не мелеет ни в какое время года, и на ней не бывает половодий. Колебания уровня в реке зависят главным образом от сгонных и нагонных ветров. При сгонных ветрах, дующих вниз по течению реки, уровень воды может упасть на 1 метр; при нагонных ветрах со стороны Финского залива уровень повышается иногда до опасной величины, и Ленинград подвергается наводнениям. Нева оригинальна не только своей полноводностью и своим гидрологическим режимом. В отличие от нормальных рек у нее нет настоящих речных террас, нет и настоящей дельты. Обычно речные дельты возникают в результате отложения в устьевой части реки тех наносов, какие переносит река. Но в Неве, вытекающей из такого огромного отстойника, каким является Ладожское озеро, очень мало наносов. Следовательно, оседание ила в устье Невы не могло привести к образованию дельты обычным способом.
И невская дельта, состоящая из 101 острова и занимающая площадь 83км2., возникла иначе. Когда-то Балтийское море было обширнее, чем сейчас. Сокращаясь в объеме и отступая на запад от устья Невы, оно осушало прибрежные отмели, превращало их в острова. Невские воды хлынули между островами, и река стала впадать в море не одним, как раньше, а несколькими рукавами. Так и получилась «дельта». Она сформировалась примерно 2000 лет назад.
Северная часть Ладожского озера лежит на Балтийском кристаллическом щите, южная — на Русской платформе. Южная граница щита в ближайших к Ладоге районах проходит приблизительно по линии Выборг — Приозерск — устье р. Видлицы — исток р. Свири.
Древние породы, слагающие Балтийский щит, выходят на дневную поверхность, будучи прикрыты местами лишь тонким (несколько метров) слоем рыхлых осадков четвертичного времени. Среди архейских пород главное место в строении щита занимают различные граниты, мигматиты, гнейсы, кристаллические сланцы. Гнейсы, сланцы, кварциты, песчаники, конгломераты, кристаллические и доломитизированные известняки, а также туфогенные и вулканические породы образуют осадочный комплекс протерозоя.
К изверженным породам того же возраста относятся интрузии габбро, габбро-диабазов и диабазов. На северо-западном и северо-восточном побережьях Ладожского озера имеются многочисленные выходы мигматитов, гнейсов, кристаллических сланцев, гранитов-раппакиви; Валаамский архипелаг и группа островов Мантсинсари и Лункулансари сложены оливиновыми диабазами.
К югу от Балтийского щита обнажаются на поверхность в районе Ладожского озера раннекембрийские отложения Русской платформы, которая, в отличие от щита, в палеозойское время неоднократно покрывалась морем. Кембрийская толща представлена двумя комплексами: валдайским, развитым повсеместно и состоящим из пестрых песчаников и тонкослоистых сланцев, и балтийским, сложенным песчаниками, песками и пластическими синими глинами, настолько тонкозернистыми и жирными, что их иногда употребляли взамен мыла при стирке белья.
На Карельском перешейке балтийского комплекса нет, он имеется только на юго-восточном побережье Ладоги. Толщина покрова рыхлых четвертичных отложений в приладожской части Русской платформы достигает десятков метров.
Поверхность кристаллического фундамента, обнаженная на Балтийском щите и постепенно уходящая к югу и востоку под палеозойские осадки Русской платформы (в дельте Невы на глубине 200м, в южном Приладожье — 300-400 м), весьма неровная; она раздроблена трещинами и разломами на отдельные выступы и впадины. В таких тектонических впадинах, называемых грабенами, и лежат котловины Ладожского и Онежского озер. Выступы и понижения рельефа тянутся в пределах Балтийского щита совершенно прямолинейно на многие километры с северо-запада на юго-восток или с севера на юг.
Прямолинейность образований рельефа и гидрографической сети сама по себе свидетельствует о том, что формы эти созданы тектоникой, внутренними силами Земли. И чем длиннее эти образования, тем достовернее предположение о тектоническом происхождении их, так как экзогенные факторы, вследствие их многочисленности и непостоянства, создать прямолинейные формы длиной в несколько километров не в состоянии.
Различие в геологическом строении разных частей бассейна Ладожского озера отражается и на строении озерной котловины. Так, рельеф дна северной части котловины как бы повторяет рельеф прилежащей суши и состоит из глубоководных впадин, чередующихся с более мелководными участками. Преобладают глубины более 100м.
Здесь же, главным образом неподалеку от берегов, сосредоточены и глубоководные впадины. К западу от Валаама находится самое глубокое место озера (230м). Глубина впадины против Куркийокских шхер 220м, против Приозерска и Сортавальских шхер 150м, против Питкяранты 140м и близ шхер Импилахти 120м.
В южной части озера дно более ровное, глубины постепенно уменьшаются от 100м на севере до 10м и менее на юге (в заливе Петрокрепость глубины в среднем колеблются от 3 до 7 метров). Здесь много песчаных и каменистых кос и мелей, а также скоплений валунов на дне (Давыдова, 1968)[17].
Возможно более точные сведения о размерах озера, распределении в нем глубин, изрезанности и длине береговой черты и т. п. необходимы для многих расчетов, выясняющих особенности процессов, протекающих в озере. До последнего времени самыми достоверными морфометрическими данными о Ладожском озере были данные Государственного гидрологического института (ГГИ) на 1939 г.
Однако после того как в 1960-1962гг. были изданы новые карты, Комплексная ладожская экспедиция Лаборатории озероведения, естественно, пожелала получить новые морфометрические характеристики. Эту работу любезно согласилась выполнить кафедра картографии географического факультета Ленинградского университета.
По новым подсчетам, наибольшая длина озера оказалась 219км, средняя ширина 83км, площадь 18135км2. (вместе с площадью островов, занимающих 456,6км2). Если вычесть острова, площадь зеркала озера составит 17678км2.
Длина береговой линии 1570 км, коэффициент изрезанности ее равен 2,1. Чаша озера вмещает 908км3 воды. Наибольшая глубина 230м, средняя глубина всего озера 51м. Средний уклон дна озера равен 0,0105, а угол наклона 0°35, причем в северной части озера этот угол равен 1°52, в южной — только 0°03. Площадь озера получилась на 131км2 . меньше, чем по данным ГГИ 1939г., объем водной массы — на 6км 3 больше, а средняя глубина практически такая же.
Если считать только острова площадью больше 1га, то всего на Ладожском озере их около 660. Распределены острова крайне неравномерно. Больше всего их (около 500) у северо-западного берега. Они образуют здесь множество групп, разделенных лабиринтом узких проливов, это так называемые шхеры. В центре озера около 65 островов, принадлежащих Валаамскому и Западному архипелагам. Примерно столько же (около 80) вытянулось вдоль восточного побережья. Беднее всего островами западное побережье (только 5) и южная часть озера, где находится 16 небольших низменных песчаных островков, усеянных валунами.
К самым крупным островам Ладожского озера относятся Риеккалансари (55,3км2), Мантинсари (39,4км2), Кильпола (32,1км2), Тулолансари (30,3км2) и Валаам (27,8км2).
Если говорить о зональном подразделении территории, то северное и восточное побережья Ладожского озера относятся к подзоне средней тайги, а южное и западное — к подзоне южной тайги. Для средней тайги характерны ельники-черничники без подлеска, с сомкнутым древостоем и сплошным покровом блестящих зеленых мхов; надземная биомасса в них составляет 1300 ц/га, годовой прирост ее — 30 ц/га.
В подзоне южной тайги тоже господствуют темно-хвойные породы, но есть подлесок, в нем иногда встречаются липа, клен, ильм, появляется травяной ярус с участием дубравных трав, а моховой покров развит слабее, чем в средней тайге. Наиболее характерный тип леса — ельники-кисличники. Надземная масса достигает 2200 ц/га, а годовой прирост — 50 ц/га.
Обширные размеры Ладожского бассейна, сказывающиеся на климате и характере растительности, положение его на стыке или вблизи стыка двух крупнейших тектонических структур (кристаллического щита и платформы), сложная история развития не могли не наложить свою печать на формирование ландшафтов. Вокруг Ладожского озера выделяется несколько географических ландшафтов[18].
Особенно живописны ландшафты Северного Приладожья. Коренные породы здесь представлены древнейшими изверженными и метаморфическими комплексами. Для рельефа, выработанного в этих породах тектоническими и экзогенными процессами, характерно чередование скалистых сельговых гряд и межсельговых понижений, вытянутых с северо-запада на юго-восток или с севера на юг.
Сельги обычно короткие (несколько сот метров) и узкие (десятки метров), высотой 10-40м; склоны у них крутые, а вершины довольно плоские. Моренные отложения на сельгах сильно размыты и уцелели чаще всего на более пологих нижних частях склонов в виде скоплений песков, супесей, гравия, щебня и валунов. Вершины сельг покрыты лишайниками, на склонах растет сосна, а у подножия — более богатые леса: сосновые и березово-сосновые, иногда ельники. Почвы относятся к различным вариантам подзолистых.
Понижения между сельгами заполнены четвертичными озерными и озерно-аллювиальными отложениями — глинами, суглинками, супесями, тонкозернистыми песками. Нередко межсельговые ложбины заполнены озерами или по ним текут реки. Речная сеть здесь вообще густая, но слабо разработанная. Реки изобилуют порогами, стремнинами, а некоторые из них, в сущности, представляют собой цепь озер, связанных короткими протоками.
Поверхность межсельговых ложбин местами террасирована. Более сухие места заняты еловыми и сосново-березово-сероольховыми лесами, более влажные — заболоченными березняками, прирусловые части ложбин — зарослями серой ольхи, а центральные — небольшими болотами, преимущественно низинными, осоковыми, появившимися в результате зарастания озер.
Если мысленно затопить водой значительную часть территории североприладожского ландшафта, мы получим картину, очень ярко выраженную в шхерном районе Ладожского озера. Шхерный район, который начинается в 7км севернее Приозерска и тянется по побережью Ладоги полосой от 6 до 25км ширины до Питкярантского залива, — это и есть распространение североприладожских ландшафтов на акваторию озера.
В нем сотни больших и малых островов — скалистых, с высокими, до 60-70м, иногда отвесными берегами, то покрытых лесом, то почти голых или со скудной растительностью. Берег материка сильно изрезан (на этот район приходится половина длины береговой линии озера) узкими, далеко (иногда на 12-16км) вдающимися в сушу заливами типа фьордов, которые разделены узкими полуостровами, выступающими в озеро. Острова заплетены в сложную сетку проливов, в которых немало скал и подводных камней, хотя многие из проливов обладают при этом глубоким фарватером.
Совсем иной облик у Нижневуоксинского ландшафта на западном берегу озера между широтами Приозерска и Соснова. Плоская поверхность Вуоксинской низины образована водоемом, который существовал у края ледника, когда тот находился вблизи конечноморенной гряды Сальпауселькя.
Абсолютная высота низменности нигде не превышает 20-50м. Здесь широко распространены озерно-ледниковые отложения, ленточные глины, пески; местами на поверхность выступает морена; кое-где обнажаются невысокие выходы кристаллических пород. Но повсеместно под свитой четвертичных отложений залегают породы кембрийского возраста.
К основным формам рельефа относятся водоразделы с пологими склонами, сложенные песчаными отложениями приледниковых озер и Балтийского ледникового озера, и древнеозерные террасированные впадины, выстланные с поверхности песками, супесями, суглинками, кое-где ленточными глинами. Впадины частью заторфованы, частью заняты довольно большими и сильно зарастающими озерами. Встречаются озы и камы. Все элементы рельефа имеют отчетливое северо-западное простирание.
В этом ландшафте много лесов и болот. На водоразделах растут сухие сосняки на слабоподзолистых почвах— сосняки лишайниковые, с вереском толокнянкой и т.п. Моренные увалы одеты ельниками с примесью дубравных трав; почвы тут средне-подзолистые. Во впадинах верхние террасы заняты сосняками или сосново-березовыми лесами; средние, испытывающие временное переувлажнение, — сосново-мелколиственными лесами; нижние плоские постоянно увлажненные террасы — елово-мелколиственным лесом. На месте прежних озер нередки болота — гипново-осоковые, осоково-пушицевые. На узких приладожских террасах — еловые леса с кленом в подлеске и с обилием дубравных элементов в травяном покрове.
К югу от широты Соснова по западному побережью, а затем по южному на восток примерно до устья р.Сясь располагается ландшафт Южного Приладожья. Кристаллический фундамент находится тут на глубине 300-400м, поверх него — толща кембрийских пород, погребенная под мощным плащем четвертичных отложений. Основные формы рельефа — плоские песчаные озерные и озерно-ледниковые террасы высотой 10, 13, 17, 25 и 30м. Преобладают два главных типа урочищ: заболоченные междуречья на песках, с сосняками и мелколиственным лесом, и болота. Реки слабо врезанные, почти лишенные пойм. Небольшие речки, вытекающие из болот, летом сильно мелеют и даже пересыхают. Имеются небольшие остаточные озера.
На побережьях Ладоги — древние невысокие береговые валы с пологими склонами, одетыми сухим бором, а между ними — широкие заболоченные и заторфованные ложбины. Вдоль самого берега — заросли ив, серой ольхи, мелколесье на заболоченных почвах, низинные осоковые болота, болотистые луга с осокой и хвощем. Нередки цепи дюн, частью подвижных, частью закрепленных сосняками. В прибрежных мелководьях — заросли тростника и камыша.
Характер берегов хорошо отражает главные черты ландшафта; они низкие, пологие, с плавными очертаниями. На западном мало изрезанном низменном берегу размывом морены образованы нагромождения валунов, особенно значительные на мысах Морьин Нос, Осиновец и Сосновец. Эти каменистые гряды и россыпи уходят от берега и под урез воды. Самое низменное побережье, с абсолютными высотами всего 4-7м, — южное. В него вдаются три губы: бухта Петрокрепость, Волховская и Свирская (последняя уже в другом ландшафте). Их сопровождают неширокие песчаные пляжи, береговые валы с большим участием валунов; скопления валунов на мелях вблизи берегов образуют подводные валунные гряды, или «луды».
Нижнесвирский ландшафт охватывает низовья Свири и продолжается далее на север в пределы Карелии. Существенным его элементом является Свирская впадина, перегороженная в среднем течении р. Свири Олонецкой моренной грядой — виновницей существования порогов на реке. Рельеф повсеместно весьма однообразный: низкая, высотой не более 50м, террасированная равнина, которая в устьях Свири и ее притоков Паши и Ояти переходит в еще более низкую заболоченную дельту. На побережьях озера изредка попадаются песчаные дюны и древние береговые валы из песка и гальки, занятые сухими сосновыми борами.
В этом ландшафте много болот, главным образом верховых (сфагновых). На песчаных дренированных равнинах растут сосновые и елово-сосновые леса, почвы слабоподзолистые; на избыточно увлажненных местах елово-сосновые леса, почвы подзолисто-глеевые. В целом же это район типичной средней тайги; в особо благоприятных условиях здесь можно обнаружить отдельные экземпляры дуба, орешника и липы.
Коренные породы, служащие литологическим фундаментом ландшафта, состоят из нижнекембрийских песчаников и глин. Поверх них — толстый (до 120 м) покров четвертичных отложений, верхние части которого образованы мореной валдайского оледенения, а также озерными и озерно-ледниковыми осадками.
Различие между цветом водоема и действительным цветом воды в нем общеизвестны. Цвет водоема зависит от отражения неба, берегов, дна (если озеро неглубокое) и ряда других меняющихся условий, при которых мы видим поверхность озера. В солнечный день озеро выглядит иначе, чем в пасмурный, в тихую погоду — иначе, чем когда по нему бегут морщины волн.
Истинный же цвет воды определяется цветом тех лучей, которые, будучи отраженными от молекул воды и от разных взвесей в ней, более всего рассеиваются и выходят обратно в атмосферу. Цвет, стало быть, в первую очередь зависит от прозрачности воды. При отсутствии взвесей в воде лучше всего рассеиваются короткие лучи, и вода приобретает нормальный для нее (в большой толще) синий цвет. С увеличением мутности возрастает роль рассеивания лучей желтой и красной частей спектра, вода получает желтые и желто-бурые оттенки.
Цвет воды принято устанавливать по шкале Фореля — Уле, полученной путем смешения жидкостей разных цветов. Цвета шкалы подобраны таким образом, что образуют гамму постепенных переходов от чисто голубого через зеленовато-голубые и зеленовато-желтые оттенки к бурым и коричневым. Очевидно, шкала эта условна.
В практике гидрохимического анализа употребляется еще термин «цветность», означающий степень окрашенности природных пресных вод растворенными в них органическими веществами гумусового происхождения. Цветность определяют колориметрически: сравнивают окраску профильтрованной воды с окраской специально подобранных растворов минеральных солей (с так называемой платиново-кобальтовой или имитирующей ее шкалой).
Степень окраски выражается в градусах: ноль означает, что вода не имеет желтоватого или коричневатого оттенка. Очевидно, что и эта шкала условна. Кроме того, выяснено, что оттенки окрашенности природных вод отличаются от оттенков условной шкалы.
Недочеты принятых до сих пор методов определения цвета воды побудили Комплексную ладожскую экспедицию искать более объективные способы, которые позволили бы давать точную характеристику цвета.
Оказалось, что цвет воды нужно устанавливать при помощи двух координат. Одна из них — длина той волны спектра, которую максимально пропускает вода (А), другая — степень «разбавления» этого чистого спектрального цвета примесью белого (Р). Величина Р (в процентах), называемая чистотой тона, показывает, сколько нужно добавить белого цвета к первой координате, чтобы получился действительный оттенок изучаемой природной воды.
Цвет воды Ладожского озера характеризуется в среднем координатами К=572 ммк, Р=70%. По акватории и по глубине цвет воды меняется очень мало (А от 569 до 573 ммк, Р от 67 до 72%), поэтому можно сказать, что вся вода в озере, окрашена в желто-бурые тона (средняя длина волны желтого цвета 590 ммк).
Что касается содержания в воде темноокрашенных органических веществ, которые в основном и придают воде желто-бурые оттенки, то цветность воды в открытой части Ладоги надо считать довольно устойчивой, от 29 до 42°. В прибрежных районах она доходит до 40—50°, а вблизи устьев рек повышается до 100° и более, среднее значение цветности воды озера, выведенное Э.Э.Шерман за четыре года наблюдений из почти 200 определений, равняется 36,2°[19].
Прозрачность воды измеряется обычно той глубиной (в метрах), на которой в воде перестает быть видимым белый диск диаметром 30 см (диск Секки); речь, стало быть, идет о глубине видимости. Этим путем И.В.Молчанов в свое время установил, что в Ладожском озере в течение года бывает два максимума прозрачности воды: в конце лета, когда реки несут меньше всего мути, а планктон еще не начал отмирать, и зимой подо льдом, что связано с минимумом речного стока и отсутствием взмученности воды под действием ветра. Прозрачность у западного побережья 2—2,5м, у восточного побережья 1—2м, в приустьевых участках 0,3—0,9м, а к центру озера увеличивается до 4,5м. Наименьшая прозрачность наблюдалась в Волховской губе (0,5—1 м), а наибольшая — к западу от Валаамских островов (летом 8—9, зимой свыше 10м) .
Описанный способ определения прозрачности привлекает своей крайней простотой. Но он же и настораживает своими несовершенствами, так как в известной мере зависит от остроты зрения наблюдателя и, кроме того, в сущности, суммирует оптические свойства разных и при том только поверхностных слоев воды.
Поэтому гораздо лучше отражает действительность другой показатель: коэффициент пропускания, или коэффициент прозрачности, т.е. отношение величины светового потока, прошедшего в воде без изменения направления путь в 1м, к величине светового потока, вошедшего в воду. Его можно определять по всей глубине, как для белого света, так и для отдельных цветов спектра (путем применения соответствующих фильтров).
По ряду свойств, в том числе и по гидрооптическим показателям, воды Ладожского озера слагаются из двух типов вод: речных, поступающих из бассейна озера, и собственно озерных, которые образовались уже в результате трансформации речных вод. А в собственно озерных водах надлежит различать поверхностные воды (верхний слой толщиной 20м), глубинные, простирающиеся от подошвы поверхностного слоя до горизонта, отстоящего от дна озера на 15—20 м, и. придонные (придонный 15—20-метровый слой). В северной и средней частях озера хорошо выражены все три слоя, но в южной части слой глубинных вод «выпадает», и поверхностные водные массы смыкаются с придонными.
Вследствие взаимодействия с атмосферой, речными водами и под влиянием биологических процессов поверхностные воды испытывают особенно заметные изменения прозрачности. Она меняется в течение года от 0,18 до 0,50, особенно у побережий и в южной части озера. Наиболее прозрачны поверхностные воды у о.Мантинсари. Максимум прозрачности наблюдается весной (март — апрель), минимум — в начале осени (август — сентябрь).
Прозрачность глубинных вод по сравнению с другими наибольшая, а изменения прозрачности в течение года — наименьшие (от 0,40 до 0,60).
Прозрачность придонных вод уменьшается сверху вниз, т. е. в сторону дна. В толще этих вод из-за их большой вязкости осаждение мелких взвесей замедляется, и, стало быть, мутность воды по мере приближения ко дну увеличивается.
Вследствие того, что воды Ладожского озера и воды, впадающих в него притоков весьма различны по гидрооптическим показателям, гидрооптический метод позволяет с большой точностью проследить распространение речных вод в озере. Воды Вуоксы распространяются вдоль западного берега и далее к середине озера на 35—40км.
Воды Волхова распределяются по поверхности Волховской губы, но при некоторых условиях ветрового режима их обнаруживают в открытом озере и в 40—45км от устья Волхова. Воды Сяси прослеживаются на 8—10км вдоль восточного берега Волховской губы.
Гидрооптические показатели оказались гораздо более чувствительными индикаторами изменений, происходящих в водных массах, чем температура и гидрохимические особенности.
Вода по-разному поглощает разные лучи. Из невидимой части спектра инфракрасные и ультрафиолетовые практически полностью перехватываются верхним метровым слоем. Глубже проникают только видимые лучи (свет). Весьма интересно определение того слоя воды, в котором осуществляется наиболее полное поглощение лучистой энергии Солнца и ее превращение в тепловую и фотохимическую. Нижнюю границу слоя проводят там, где относительная интенсивность проникающей радиации составляет 1% приходящей.
Из различных факторов, влияющих на проникновение радиации в воду, главную роль играет высота солнца над горизонтом. Оттого осенью проникновение радиации наименьшее, летом — наибольшее. На глубину 10—12м доходит лишь 0,05% приходящей на поверхность суммарной радиации.
Солнечная радиация — единственный источник тепла для верхнего слоя гидросферы. Естественно поэтому, что КЛЭ уделила большое внимание актинометрии. По собственным актинометрическим наблюдениям и с широким использованием всех других материалов, были произведены подсчеты суммарной радиации, определены величины альбедо, поглощенной поверхностью озера радиации, эффективного излучения, и на основе всех этих данных составлен средний радиационный баланс поверхности озера для периода 1957—1962гг.
Наибольший приток радиации отмечается с мая по июль, наименьший — в декабре и январе. Колебания суммарной радиации в пределах расчетного периода (1957-1962) составили от 74 до 82 ккал/см2 в год.
В притоке суммарной радиации, как и в особенностях других слагаемых радиационного режима, существуют и некоторые региональные вариации.
По площади озера весьма заметны сезонные различия в альбедо водной поверхности. Летом оно изменяется от 8 до 9%, осенью — от 10 до 11%, весной — от 26 до 29% и зимой — от 32 до 56%. Зимой, конечно, отражает не только водная поверхность, но также лед и снежный покров на льду, чем и объясняются резко возрастающие зимние показатели альбедо.
Радиационный баланс дважды в году переходит через нуль: на рубеже февраля и марта и на рубеже сентября и октября. С октября по февраль он отрицательный, с марта по сентябрь положительный.
Очень существенной разницы в годовом радиационном балансе отдельных районов озера нет: на севере центральной части озера он равен 35,1 ккал/см2 , на юге той же части 38,7, на западе озера 38,2, на востоке 37,8 и в южном районе 43,3 ккал/см2.
Очевидно, что во всяком водоеме плотные слои воды всегда располагаются ниже, а более легкие — выше: плотность воды с глубиной увеличивается. Плотность воды зависит от ее температуры и солености. Когда теплое и соленое Атлантическое течение входит в Северный Ледовитый океан, то его воды, как более теплые, должны были бы остаться на поверхности, а как более соленые — погрузиться под поверхность. В этом конкретном случае роль солености перевешивает, и атлантические воды опускаются на глубину.
Пресные воды минерализованы настолько мало, что их соленостью можно пренебречь. И плотность пресной воды определяется только ее температурой. Пресная вода приобретает наибольшую плотность при температуре, близкой к 4°.
Стало быть, если поверхностный слой воды, имеющий температуру около 0°, подвергается нагреванию, он становится плотнее и опускается вниз, вытесняя кверху более легкие слои. Вследствие такой конвекции возникает состояние, при котором температура воды растет с глубиной. Это состояние носит название обратной стратификации, или обратной тепловой слоистости воды.
Если нагревается поверхностный слой, имеющий температуру 4°, он будет делаться легче и останется наверху. Нагревание воды может распространяться вглубь только турбулентным путем, т.е., при перемешивании воды ветром. В этом случае устанавливается состояние, при котором температура с глубиной убывает, — это прямая термическая стратификация[20].
Обратная стратификация существует до тех пор, пока вся толща воды от поверхности до дна не нагреется до 4°. Прямая стратификация существует до тех пор, пока вся толща воды от поверхности до дна не охладится до 4°. Состояние, при котором температура по вертикали не меняется и равна температуре наибольшей плотности воды, называется гомотермией. В озерах гомотермия бывает весной и осенью. Прямая стратификация характерна для лета, обратная — для зимы. Другая особенность термического режима озер — образование на известной глубине в условиях термической стратификации слоя скачка, или металимниона, т. е. слоя резкого перепада температуры, высоких ее градиентов — значительно более высоких, чем в слое воды над ним (в эпилимнионе) и под ним (в гиполимнионе). Возникновение металимниона обычно связано с нагреванием воды выше 4°.
В этом случае поверхностный слой, как это мы только что отметили, становится легче ниже лежащих слоев, т.е. погружаться не может, и эффективное согревание более глубоких горизонтов осуществляется при помощи перемешивания воды ветром. Перемешивание это с глубиной все более затрудняется, потому что в том же направлении возрастает плотность воды. Оттого между верхней нагреваемой и нижней холодной толщей образуется резкий температурный раздел, где на очень коротком расстоянии по вертикали температура изменяется подчас на несколько градусов (иногда до 10° на 1м).
Наконец, третья особенность термического режима заключается в появлении и исчезновении термического бара.
Удивительно странной оказалась судьба этого замечательного открытия: оно было практически забыто. О термическом баре до сих пор не говорится ни в новейших учебных руководствах по озероведению[21].
Причина возникновения термического бара состоит в том, что различно нагретые воды прибрежных участков и открытого озера (с температурами выше и ниже температуры наибольшей плотности) в зоне контакта смешиваются и образуют толщу с температурой наибольшей плотности от поверхности до дна. Термический бар создает в озере две различные области, которые Тихомиров удачно назвал теплоактивной и теплоинертной.
На Ладожском озере бар образуется ежегодно не только осенью, но и весной. При весеннем баре в теплоактивной области формируется прямая термическая стратификация, при осеннем — обратная. А в области теплоинертной (наименованной так потому, что в ней температура в период нагревания растет медленно, а в период охлаждения столь же медленно уменьшается) весной существует обратная стратификация, а осенью — прямая.
Поскольку в термическом баре плотность воды наибольшая, то поверхность воды должна находиться здесь чуть ниже, чем в теплоактивной и теплоинертной областях. Это значит, что в поверхностном слое этих областей вода будет двигаться в сторону бара, затем опускаться вниз вдоль стенки бара и оттекать в придонном слое от подножия стенки в сторону от бара, т. е. в теплоактивной области — к берегу, в теплоинертной — в открытое озеро.
Эти два ниспадающих по обе стороны от бара потока существуют до тех пор, пока вся толща воды в озере не достигнет температуры наибольшей плотности. Однажды возникнув, термический бар держится очень устойчиво, пока ему не придет время исчезнуть при гомотермии. Ветер, даже сильный, его не разрушает.
Термический бар можно не только обнаружить путем измерения температуры воды — его можно видеть! Благодаря хорошо развитой конвергенции в поверхностных слоях, сопровождающейся вертикальной циркуляцией, мелкие плавающие предметы, масло, пена образуют полосу на воде, указывая на положение фронта термического бара. Особенно четко эта полоса видна с самолета.
Фронт термического бара, окаймляющий чашу озера сперва вдоль берегов и неподалеку от них, со временем смещается в сторону открытой части озера. Так, весной вдоль южного побережья Ладоги бар возникает над глубинами 30-35м, к концу июня он находится над глубинами 70м, а в середине июля исчезает. Осенью вдоль южного берега бар появляется в начале ноября над глубинами 7-10м; он отгораживает прибрежную часть от остального озера, у берегов появляется лед, тогда как почти во всей открытой части озера сохраняется температура 6-7°.
Теплоактивная область всегда находится над мелководьем, теплоинертная — всегда над большими глубинами. Пока существует термический бар, эти области изолированы друг от друга, и весной и осенью Ладожское озеро превращается, в сущности, в два разных озера, из которых одно внутреннее, теплоинертное, как бы вставлено в рамку другого — внешнего, теплоактивного.
В каждом из этих «озер» свое вертикальное распределение температуры (противоположная стратификация), своя циркуляция воды, между ними в горизонтальном направлении очень большие температурные контрасты. Изоляция сказывается также и в различиях цвета, прозрачности, химизма воды и, стало быть, отражается на условиях жизни и распределения организмов, в особенности планктона.
Легко видеть, что термический бар — это, как и металимнион, тоже «слой скачка», только расположенный не в горизонтальной, а в вертикальной плоскости.
Температурный режим озера — один из важнейших энергетических факторов, контролирующих все протекающие в озере процессы. За время полевых работ Комплексная ладожская экспедиция измерила температуру воды на 2800 термических станциях. На основе этих многочисленных измерений собраны сведения о температурном режиме Ладожского озера и рассчитаны средние месячные температуры поверхности воды и всей водной массы озера за период 1957-1962гг.
Из-за большого объема водной массы Ладожского озера велика и его тепловая инерция; оно медленно нагревается и медленно остывает. Мы должны сделать также вывод, что Ладожское озеро холодное. Средняя температура водной массы в озере вдвое ниже температуры поверхности. Разумеется, осредненная картина не дает еще полного представления о динамике явления. Температурный режим озера весьма сложный, и целесообразно вкратце обрисовать его главные фазы.
Период весеннего нагревания начинается с момента, когда приток тепла за сутки устойчиво преобладает над потерями тепла. Это приходится в среднем на середину марта; запас тепла в Ладоге в это время минимальный. В раннюю фазу весеннего периода температура воды у поверхности близка к 0°, а с глубиной возрастает, достигая у дна 2-2,7°, т.е. существует обратная термическая стратификация.
Чем больше озеро очищается ото льда, тем сильнее ветровое перемешивание водных масс: идет выравнивание температуры воды по глубине и по акватории. Когда лед исчезает, в центральной части озера наступает гомотермия.
Вода в прибрежных районах нагревается быстрее, чем в открытом озере. Поэтому на мелководьях в конце апреля — начале мая она имеет уже температуру 4° и выше, что вызывает здесь перемену обратной стратификации на прямую, а в пелагической области в то же время отмечается слабая обратная стратификация. На границе водных масс, обладающих противоположной стратификацией, образуется весенний термический бар, знаменующий своим появлением вторую фазу весеннего нагревания и разделяющий озеро на теплоактивную и теплоинертную области.
По мере нагревания воды весной фронт термического бара перемещается на большие глубины. К 1 июня он лежит на изобате 30-35м; температура поверхности воды в теплоактивной области 6-10°, в теплоинертной 2-2,5°. В теплоактивной области к этому времени формируется слой скачка, который затем делается все резче выраженным. К 1 июля термобар оказывается в пределах изобат 70-85м; на теплоинертную область остается лишь 18-20% площади озера, и вода здесь приобретает температуру 3,4-3,8°.
В конце периода весеннего нагревания вся толща воды в озере прогревается до температуры наибольшей плотности, вследствие чего термический бар исчезает. Наступает период летнего нагревания.
Начало летнего нагревания, или гидрологического лета, совпадает обычно с серединой июля. Летом температура поверхности воды доходит иногда до 24°, но в придонных слоях она близка к 4°. Таким образом, на глубинах в озере создается своеобразный купол воды с температурой наибольшей плотности. Но именно потому, что в нем вода плотнее, чем в обрамляющей его массе, он со временем «распластывается»: в придонных слоях вода оттекает к побережьям, а «крыша» купола опускается. Последнее способствует выравниванию температуры верхнего слоя воды на всем озере. Под воздействием ветра растет мощность эпилимниона и металимниона. Летом господствует прямая термическая стратификация.
В последних числах августа или в начале сентября начинается осеннее охлаждение озера. В центральной части озера процесс остывания постепенно приближает водную массу к гомотермии (следовательно, к исчезновению купола плотной воды). Так как охлаждение в прибрежных районах протекает быстрее, чем в удалении от берега, в конце октября — начале ноября вдоль южного побережья зарождается на Ладоге осенний термический бар, «Стенка» наибольшей плотности, по одну сторону которой (в литорали) существует обратная стратификация, а по другую — прямая, затем постепенно смещается в сторону больших глубин. В прибрежных районах, изолированных баром, появляются забереги. Осенний бар в конце декабря исчезает, во всем озере устанавливается гомотермия.
Период зимнего охлаждения начинается со второй-третьей декады декабря и продолжается до 15 марта. Зимой для озера характерна повсеместная обратная стратификация и, разумеется, наличие ледяного покрова.
Ладожское озеро полностью одевается в ледяную броню не каждую зиму. В среднем один раз в 4-5 лет глубоководные его области, а иногда и центральная часть остаются открытыми. Озеро вообще замерзает с трудом: на замерзание ему нужно около 2,5 месяцев.
Ледостав, начинающийся около 1 декабря, сперва захватывает прибрежные части, наиболее спокойные мелководные заливы, а затем концентрически продвигается все дальше и дальше от берегов к середине озера и завершается здесь 15-20 февраля. Позже всех замерзает акватория к юго-западу от Валаамских островов. К 1 декабря льдом закрыт всего 1% площади озера, к 15 января — 54%, к 31 января — 91%, к 15-20 февраля — 100%. Толщина ледяного покрова увеличивается до 15 марта, после чего медленно уменьшается.
Средняя толщина ладожского льда в марте 50-60см, наибольшая 70-90см, но в особенно суровые зимы, например 1941/42г., когда действовала на озере «Дорога жизни», толщина льда доходила до 110 см.
В центральной части озера, где лед образуется позже всего, он зеркально-гладкий, мало заснеженный, тогда как в остальных местах озера более старый лед застлан пеленой снега. На границе этих разновозрастных льдов бугрятся подчас торосы высотой до 6м, а вдоль цепочки их темнеют разводья. Наблюдались и торосы высотой до 15-25м (у маяка Сухо и близ Кареджинской косы).
Разрушаться ледяной покров на озере начинает после 15 марта. Вскрытие происходит в порядке, обратном порядку замерзания: раньше всего (между 1 и 10 апреля) на юго-западе от Валаамского архипелага, к 20 апреля на всей центральной акватории (на 53% площади озера). Вскрытие озера заканчивается между 5 и 10 мая, очищение от льда—во второй декаде мая.
Основная масса ладожского льда тает в самой Ладоге. Лишь очень незначительная его часть — от 1 до 5% — попадает в Неву. Ладожский лед обычно проходит мимо Ленинграда в течение 7-8 дней; это бывает в среднем в последнюю неделю апреля. Из Ладоги в Неву лед поступает при восточных и северо-восточных ветрах.
Многолетний средний годовой уровень Ладоги, исчисленный для периода 1932-1958гг., равен 457±9см. Вследствие того что, в отличие от поверхности, дно озера лежит ниже уровня моря, котловину Ладожского озера надо считать криптодепрессией.
Колебания уровня в течение года зависят от притока рек и от стока Невы. Так как уровни притоков озера колеблются в разное время и так как площадь озера огромна, то колебания, обусловленные указанными причинами, отличаются плавным ходом. Уровень постепенно повышается с января по июнь, после чего постепенно понижается, т. е. в течение года вырисовываются всего две фазы. При повышении или понижении уровня на 1см объем водной массы озера изменяется на 0,175км3 .
В 1932-1958гг. наиболее высокий средний годовой уровень (1958г.) был 556см и самый низкий (1940) 364см.
Помимо ежегодных колебаний уровня Ладожского озера, обнаружены и ритмические колебания с циклом по 29-30 лет (брикнеровы циклы), в которых многоводные фазы закономерно сменяются маловодными.
Многоводные, или трансгрессивные, фазы характеризуются подъемом уровня озер, увеличением стока рек, более прохладным климатом; условия зарастания водоемов ухудшаются. Фаза маловодная, или регрессивная, отличается более сухим и теплым климатом; понижение уровня озер благоприятствует их зарастанию.
Комплексная ладожская экспедиция захватила своими исследованиями окончание яркой трансгрессивной фазы и начало регрессивной.
Из многоводных фаз наиболее заметной была фаза 1899-1905гг.; всего за 7 лет приток воды в озеро составил 4,78м сверх нормы. Из маловодных фаз особенно резкая была в 1937-1952гг.: за это время озеро недополучило против нормы слой воды почти 10м. Вместе с тем надо подчеркнуть, что с конца XIX столетия смена многоводных и маловодных фаз происходит в Ладожском бассейне на фоне прогрессирующего снижения общей увлажненности бассейна.
Кроме регулярных колебаний уровня в течение года, вызванных соотношением прихода и расхода воды в котловине озера, возникают колебания и по другим причинам, в частности, под действием ветра.
Величина сгонно-нагонных колебаний уровня зависит и от силы ветра и от продолжительности его действия, а ветровой режим над озером весьма изменчив. Ветры, скорость которых не превышает 5 м/сек. (а таких в году около 40%), не вызывают ни нагона воды, когда они дуют на берег, ни сгона, когда они дуют с берега. Ветров скоростью 10-15 м/сек. в году не более 3%, а ветры сильнее 15 м/сек. бывают не каждый месяц, и их повторяемость в году всего примерно 1%.
Денивеляции уровня преобладают в осенне-зимнее время. В северной части озера, где они не крупнее 5-10см, практическое значение их невелико. Максимальные по величине и наиболее частые колебания уровня свойственны южному мелководному району озера. Здесь наблюдаются сгоны и нагоны более 20-30см, в отдельных случаях 40см. Случаются нагоны воды и до 90см, сопровождаемые затоплением берегов. И все же подавляющее большинство денивеляций (если отсчитывать их от уровня, предшествующего сгону или нагону) не превышает 10см.
Денивеляций на озере держатся короткое время, и короче всего — наиболее сильные из них.
К особому виду колебаний уровня озера относятся сейши. Напомним, что сейши, или стоячие волны, — это быстрые колебания, близкие к периодическим, при которых уровень воды в одной части озера поднимается, а в другой, противоположной, опускается. При этом колеблется вся водная масса озера до самого дна, она как бы качается наподобие маятника, стремясь вернуть себе равновесие, из которого выведена внешним воздействием.
Водная поверхность колеблется при этом вокруг одной или нескольких линий, пересекающих эту поверхность и называемых узловыми линиями. Очевидно, что амплитуда сейши, т. е. наибольшее отклонение уровня водной поверхности от его положения в состоянии покоя, на узловых линиях равна нулю. Максимальные амплитуды получили название пучностей. Если вся масса в озере делится на две части и каждая из частей приходит в колебательное движение, образуется двухузловая сейша с одной полной пучностью и двумя полупучностями на концах: вода в средней части озера поднимается, а у берегов опускается. Сейши могут быть и многоузловыми.
Современная теория сейш рассматривает их как свободные колебания водной массы в результате приложения к ней какой-либо мгновенной силы.
Основная причина возникновения сейш — изменение атмосферного давления над озером. Сейшеобразные колебания зарождаются и при сгонно-нагонных явлениях, создающих различие уровней на противоположных концах озера.
До работ Комплексной ладожской экспедиции о сейшах на Ладожском озере почти ничего не было известно. Разность атмосферного давления между Сортавалой и Новой Ладогой иногда превышает 5-6мб, что служит причиной довольно сильных ветров вдоль длинной оси озера. Кроме того, циклоны, пересекающие озеро поперек, создают и разность давления на восточном и западном его берегах иногда до 10мб и более. Таким образом, условия для возникновения сейш налицо.
КЛЭ изучала сейши при помощи самописцев уровня, показания которых использованы также и для контроля теоретических расчетов по формулам.
Основной одноузловой сейшей Ладожского озера является сейша с периодом 5 часов 40 минут, которая возникает вдоль самой длинной оси озера, протянувшейся с северо-запада на юго-восток на 219км. Она хорошо видна при сравнении лимниграмм, полученных в Питкяранте и Кобоне, особенно для случаев, когда ветры дуют вдоль озера. Узел сейши располагается в 112км от северного конца озера, а ее амплитуда не превышает 300мм и довольно быстро уменьшается.
На озере выражены и сейши с периодом 90 и 60 минут (это, вероятно, трехузловая и четырехузловая), в бухтах и заливах — с периодом 16-18 и 10-11 минут. Сейша с периодом 16-18 минут наблюдается и в открытом озере; можно предполагать, что сейши с короткими периодами — это многоузловые сейши. Вообще на озере наблюдались сейши с девятью различными периодами.
Амплитуды сейш относительно невелики — от 3-5 до 28 см. Но сейши, видимо, влияют в какой-то степени на перемешивание воды и, стало быть, на перераспределение температуры и содержание растворенного кислорода в летний период. Течения, возникающие при сейшах, особенно заметны в прибрежных районах.
Озерные воды содержат в себе различные вещества в виде истинных (молекулярных) растворов, коллоидов и взвесей. Минеральные вещества, образующие истинные растворы, формируют так называемый ионный состав воды. Органические вещества могут быть тоже в виде истинных растворов, коллоидов или взвесей. Частично коллоидными растворами или взвесями бывают и биогенные элементы; их вообще ничтожно мало, но они играют важную роль в биологических процессах (соединения азота, фосфора, кремния, железа). Наконец, в воде есть и растворенные газы, как поступившие из атмосферы, так и образованные в самом озере (кислород, азот, двуокись углерода и др.).
Химические особенности ладожской воды в сильной степени зависят от того, какие вещества приносят в озеро спадающие в него реки. Мы знаем, что речные воды сбегаются, а Ладогу из двух весьма различных регионов. В северном (Балтийский щит) преобладают кислые горные породы, хотя есть и отдельные выходы основных и ультраосновных. Породы карбонатные (кристаллические известняки) распространены слабо, четвертичные отложения маломощны и их грубый минералогический (стало быть, и химический) состав не очень отличается от состава коренных пород. Южный регион сложен палеозойскими толщами, среди которых немало карбонатных, а покров рыхлых четвертичных осадков значительный. Климат Ладожского бассейна влажный, поэтому почвы и грунты хорошо промыты. По указанным причинам общая минерализация притоков Ладоги в северной части бассейна только 25—35 мг/л, а в южной достигает 250—350 мг/л.
У всех притоков состав воды гидрокарбонатно-кальциевый. Из-за обилия болот и лесов в пределах бассейна воды притоков обогащены гумусовыми веществами, отличаются высокой цветностью, несут в растворе железо, но весьма бедны минеральным фосфором; растворенные соединения азота и фосфора — главным образом органические.
Вследствие того, что основная роль в формировании химического состава воды озера принадлежит речному стоку и вследствие того, что минерализация речных вод Ладожского бассейна исключительно мала, вода Ладожского озера содержит ничтожное количество солей: от 48 до 61 мг/л в разных районах, а в среднем для всего озера 56 мг/л.
Вода Ладожского озера относится к кальциевой группе гидрокарбонатного класса, что соответствует географическому положению озера в зоне лесов.
Причина однородности в том, что из озера ежегодно вытекает не более 1/12 объема водной массы; кроме того, вода в озере непрестанно перемешивается сезонными вертикальными циркуляциями и течениями, как постоянными (плотностными), так и периодически возникающими (ветровыми).
Таким образом, вода Ладожского озера в гидрохимическом отношении весьма инертна. И все же, несмотря на низкую общую минерализацию, общее количество солей в воде озера достигает 51,21 млн.т.
Вследствие малого содержания солей кальция и магния ладожская вода мягкая, т. е. пригодна для бытовых и промышленных целей.
Так как Ладога — озеро пресное, то определяющая роль в его гидрохимическом режиме (кроме режима кислорода) принадлежит биохимическим процессам, и основные изменения испытывают главным образом газы и биогенные элементы.
Общеизвестно значение кислорода для жизни организмов. В озерную воду кислород поступает из атмосферы, а в самой воде вырабатывается еще и растениями при фотосинтезе. И в том и в другом случае он попадает только в верхние слои воды. Расходуется же кислород путем отдачи в атмосферу, на дыхание организмов и на реакции окисления при разложении органических остатков. Окислительные процессы охватывают всю толщу воды и донные отложения. Однако кислорода на них тратится сравнительно мало, так как имеющиеся в воде органические соединения довольно устойчивы против разложения биохимическим путем, а в донных осадках содержание гумуса невелико. Поэтому запас кислорода в ладожской воде всегда значительный: в открытой части озера содержится от 14,8 до 9,2 мг/л, или от 91 до 118%.
Поскольку растворимость кислорода в воде зависит от температуры, именно колебания температуры преимущественно и регулируют его режим.
Зимой, в период ледостава, когда вода особенно холодна, кислорода в ней больше всего (14-14,8мг/л). С началом весеннего нагревания (май) содержание кислорода несколько уменьшается (13-14мг/л). При весенней гомотермии содержание его во всей водной толще выравнивается.
Летом вода, нагреваясь, отдает кислород в атмосферу: количество его в эпилимнионе падает до 10-11 мг/л, но в гиполимнионе остается высоким (12,5-13,0 мг/л). Такое распределение по вертикали сохраняется все лето, до начала осенней гомотермии. Вместе с тем летом, помимо температуры, вступает в действие и другой фактор кислородного режима: массовое развитие летних форм фитопланктона (мельчайших водорослей), вследствие чего производство кислорода усиливается (фотосинтез), и верхние слои бывают им пересыщены (105-115%). Однако концентрация кислорода в эпилимнионе все же уменьшается, так как повышение температуры (ведущее к потере кислорода) дает более заметный эффект, чем работа фитопланктона (обогащение воды кислородом).
В августе, когда летний фитопланктон отмирает, расход кислорода возрастает в металимнионе (здесь кислород в минимуме), а в поверхностном и придонном горизонтах содержание этого газа более высокое. Осенью охлаждение воды и вспышка осеннего фитопланктона действуют в сторону обогащения воды кислородом. При осенней гомотермии кислорода в воде около 12-13 мг/л.
В целом режим кислорода в Ладожском озере благоприятствует существованию и развитию организмов.
Весьма интересны в научном и практическом отношении распределение и режим биогенных веществ в озере. Общие особенности таковы:
1) на распределение биогенных элементов заметно воздействует распространение речных вод по озеру, так как притоки во много раз богаче биогенными веществами, чем озеро;
2) южные и восточные части озера снабжены биогенными веществами лучше, чем другие его районы; они поэтому и биологически наиболее продуктивны;
3) до начала гидрологического лета биогенными элементами обогащаются лишь прибрежные участки, так как термический бар мешает речным водам проникать в открытое озеро. Летом же, с исчезновением бара, сглаживается и резкая неоднородность в распределении биогенных элементов по акватории.
Реки приносят в озеро мало минеральных соединений фосфора, оттого и в озерной воде его немного, что, естественно, ограничивает развитие фитопланктона. Содержание фосфора приходится выражать в миллиграммах на кубический метр (а не на литр, как для других веществ!). В северной и северо-западной частях озера в теплые и маловодные годы фосфор в воде вообще не отмечается, а в другие годы не превышает 5 мг/м3 . На юге и юго-востоке содержится от 1 до 15 мг/м3 фосфора, а в Волховской губе — от 7 до 25 мг/м3. Главный поставщик фосфатов — р.Волхов.
В поверхностном слое отмечается два минимума содержания фосфатов; летний и осенний. Каждый из них обусловлен вспышкой развития фитопланктона.
Главные поставщики азота нитратов — Волхов, Свирь, отчасти р. Бурная. Максимальная концентрация нитратов во всей толще воды наблюдается в конце периодов весенней и осенней циркуляции, с развитием планктона снижается количество нитратов в воде. Содержание азота нитратов колеблется в озере от 0,02 до 0,24мг/л. В целом азотом фитопланктон обеспечен лучше, чем фосфором.
Неизменными потребителями кремния являются диатомовые водоросли, которым он нужен для построения их наружного кремневого скелета (створок) В ладожской воде содержится от 0,5 до 1мг/л кремния и этого количества вполне достаточно для оптимального развития диатомовых. Пространственная неоднородность и сезонная изменчивость концентрации кремния зависят от объема речного стока, т.е. от гидрометеорологических условий года, и от колебаний численности фитопланктона, в котором диатомеи преобладают.
Гумусовые кислоты могут образовать с железом растворимые соединения, устойчивые к окислению и коагуляции (свертыванию), чем и объясняется высокая миграционная способность железа в обстановке Ладожского бассейна. В озеро ежегодно поступает 30 000 тонн железа. Когда речные воды смешиваются с озерными, большая часть железа выпадает в осадок, поэтому концентрация железа в воде сравнительно невелика закисного (которое преобладает в поверхностных слоях) — от 0,01 до 0,07 мг/л, окисного — от 0 до 0,14 мг/л. Окисное железо в минимуме зимой, в максимуме — летом. Ход закисного железа летом противоположен ходу окисного.
Заключение.
Экологическая обстановка в регионе определяется во многом антропогенным воздействием на природу и ответной реакцией на него. Основное воздействие на природную среду Ладожского региона со стороны агропромышленного комплекса проявляется в загрязнении атмосферы и поверхностных вод.
В этом регионе относительно высока и запыленность воздуха (данные по территории всей Ленинградской области). По загрязнению поверхностных вод выделяется Карелия, где в водоемах доминируют органические вещества, нефтепродукты и соединения азота, меди и цинка. Такой характер загрязнений обуславливается, прежде всего, стоками предприятий целлюлозно-бумажной промышленности и сельского хозяйства. До начала 60-х годов прошлого века Ладожское озеро являлось олиготрофным водоемом и эталоном высшего класса по чистоте воды.
За следующие 25-30 лет из-за интенсивного роста хозяйственной деятельности на территории водосбора и недостаточного развития водоохранных мероприятий состояние Ладожского озера ухудшилось. В начале 90-х годов озеро характеризовалось как слабо мезотрофное в центральной и северной частях; в южной части озера отмечались признаки эвтрофности. Наблюдалось интенсивное летнее развитие синезеленых водорослей. Однако в последнее время после закрытия ряда целлюлозно-бумажных комбинатов (ЦБК) и с общим снижением интенсивности промышленного и сельскохозяйственного производства активизировались процессы самоочищения озера, и в настоящее время Ладога возвращается к состоянию олиготрофности.
Изменения в экосистеме Ладожского озера обусловлены действием двух основных факторов: антропогенного эвтрофирования и загрязнения токсичными веществами. На сегодняшний день концентрации никеля, меди, цинка, свинца, кадмия и кобальта в придонных водах южной прибрежной части Ладожского озера и впадающих в него рек близки к средним значениям концентраций в реках мира. Содержание железа выше средних мировых значений для озерных вод в 3 раза, для речных – в 13 раз. На границе смешения речных и озерных вод происходит значительное уменьшение концентрации большинства микроэлементов.
Содержания металлов во взвешенной форме падают в 10-300 раз, в растворенной форме в 2-20 раз. Установлены две области с аномально высокими для бассейна Ладоги содержаниями тяжелых металлов в растворенной форме. Первая область – устьевая зона р. Морье, где концентрации никеля, кадмия и меди превышают фоновые значения в 20, 10 и 3 раза соответственно. Вторая область – западная часть бухты Петрокрепость, где содержания меди и цинка выше фоновых, соответственно, в 20 и 10 раз.
Санитарно-токсикологическая оценка состояния прибрежных вод озера показала, что особенно сильным загрязнением, сопровождающимся эвтрофированием и микробным загрязнением, отличаются районы Волховской губы, восточного прибрежья (устья рек Олонки, Тулоксы, Тулемайоки) и ряд районов северного прибрежья (г. Приозерск, Питкяранта, пос. Лахденпохья).
Сильное микробное и токсическое загрязнение при более низком значении эвтрофирования наблюдалось в Свирской губе и ряде районов восточного прибрежья (устья рек Обжанки и Видлицы). Среди веществ природного и антропогенного происхождения, опасных с точки зрения их влияния на экосистему, в донных отложениях озера выявлены цезий-137, пестициды, фенолы, фосфор и тяжелые металлы (ртуть, свинец, цинк, медь, кобальт, никель и др.).
Значительные количества фосфора поступают в озеро и с другими притоками. Так, на долю р. Волхов приходится около 55% общего фосфора, р. Бурной – 16%, р. Свирь – около 14%, на остальные притоки – 15%. Содержание тяжелых металлов в осадках Ладожского озера для большинства металлов не превышает их средних концентраций в других крупных озерах Мира. В целом суммарное антропогенное загрязнение донных ландшафтов Ладожского озера колеблется от весьма слабого до умеренного, достигая уровня сильной загрязненности на отдельных локальных участках.
Потепление климата приблизительно 10 тысяч лет назад привело к уменьшению мощности ледникового покрова в Фенноскандии. Последовавшее изостатическое поднятие территории вызвало быструю регрессию, и Ладожское озеро впервые стало самостоятельным бассейном со стоком через северную часть Карельского перешейка. Очередное повышение уровня озера около 2 000 л. назад привело к образованию реки Невы.
Геологические особенности (происхождение) водоема выявляются как через состав материнских пород, так и через неоднородность морфометрии котловины. Формирование котловины озера происходило на стыке Балтийского кристаллического щита и Русской платформы, она приурочена к грабену – геологической структуре, которая представляет собой крупный блок земной коры, опущенный по разломам относительно обрамления. С этим связаны и значительные размеры озера, и геоморфологическая неоднородность его частей. Три его района, поэтому различаются по целому ряду параметров, в том числе по составу донных осадков и химизму воды.
Река Нева соединяет Ладожское озеро с Финским заливом Балтийского моря. Ее бассейн (территория водосбора) имеет площадь 281 000 км2. По характеру рельефа бассейн Невы разделяется на две области примерно по линии Выборг — Приозерск — Петрозаводск — Усть-Видлица. К югу от этой линии простирается, в общем, слабопересеченная равнина с мягким холмистым рельефом, к северу — местность сильнопересеченная. В целом рельеф бассейна равнинный. По видам растительности бассейн относится к лесной зоне. Почвы представлены в основном дерново-подзолистыми супесями и суглинками, чередующимися с торфяниками. Леса занимают 55% площади бассейна, болота—13%, пахотные земли — 12%.
В бассейне Невы насчитывается множество озер — всего около 50 000, и среди них крупнейшие озера Европы — Ладожское и Онежское, площадью соответственно 17 680 км2 и 9720 км2. К другим крупным озерам относится озеро Сайма на территории Финляндии (площадь 4400 км2) и озеро Ильмень (площадь 1000 км2). Все озера невского бассейна занимают площадь 48000 км2, или 17% его площади. Объем воды в озерах бассейна огромен — 1350 км3. Этой воды хватило бы для питания такой реки, как Днепр, в течение 25 лет, а такой, как Дон, в течение 48 лет.
Список источников.
1. СНиП 2.04.07-86. Тепловые сети. М.: ГП ЦПП, 1994.
2.Алекин О. А. Основы гидрохимии. Л., Гидрометеоиздат, 1970. 413с. 3. Баскаков А.П., Щелоков Я.М. Качество воды в системах отопления и ГВС. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001.
4. Белан Ф.И., Сутоцкий Г.П. Водоподготовка промышленных котельных. М.: Энергия, 1969. С. 328.
5.Богословский Б. Б. Озероведение. М. Изд-во Моск. ун-та, I960. 335 с. 6.Важнов А. Н. Гидрология рек. М. Изд-во Моск. ун-та, 1976. 239.с. 7.Великанов М. А. Гидрология суши. Л. Гидрометеоиздат, 1974. 455 с. 8.Голубев Г. Н. Гидрология ледников. Л. Гидрометеоиздат, 1976. 247 с. 9.Давыдов Л. К. Дмитриева А. П. Конкина Н. Г. Общая гидрология. Л. Гидрометеоиздат, 1973. 462 с.
10.Долгушин Л. Д. , Осипова Г. Б. Ледники. М. Мысль, 1989. 447 с. 11.Егоров Н. И. Физическая океанография. Л. Гидрометеоиздат, 1974. 455 с. 12.Жуков Л. А. Общая океанология. Л. Гидрометеоиздат, 1953. 238 с. 13.Иванов К. Е. Гидрология болот. Л. Гидрометеоиздат, 1953. 238 с. 14.Львович М. И. Вода и жизнь. М. Мысль, 1986. 254 с. 15.Маккавеев Н. И., Налов Р. С. Русловые процессы. М. Изд-во Моск. ун-та, 1986. 264 с.
16.Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли. Л. Гидрометеоиздат, 1974. 638 с.
17.Михайлов Л. Е. Гидрогеология. Л. Гидрометеоиздат, 1985. 263 с. 18.Михайлов В. Н. Гидрология устьев рек. М. Изд-во Моск. ун-та, 1998. 176с.
19.Михайлов В. Н. , Добровольский А. Д. Общая гидрология. М. Высш. шк., 1991. 368 с.
20.Общая гидрология (гидрология суши). Б. Б. Богословский, А. А. Самохин, К. Е. Иванов, Д.П. Соколов Л. А. Гидрометеоиздат, 1984. 422 с.
21.Салтанкин В. П., Шарапов В. А. Водохранилища. М. Мысль, 1987. 352 с. 22.Степанов В. Н. Океаносфера. М. Мысль, 1983. 270 с. 23.Тебенихин Е.Ф., Гусев Б.Т. Обработка воды магнитным полем в теплоэнергетике. М.: Энергия, 1970. С. 144.
24.Чеботарев А. И. Общая гидрология. Л. Гидрометеоиздат, 1975. 544 с. 25.Широков Рациональное использование и охрана водных ресурсов. Екатеринбург. Винтор, 1994
26.Шикломанов И. А. Исследование водных ресурсов суши итоги, перспективы, проблемы. Л. Гидрометеоиздат, 1986. 152 с. 27.Шикломанов И. А. Влияние хозяйственной деятельности на речной сток. Л. Гидрометеоиздат, 1989. 334 с.
Приложение
Дельта Нева образуется следующими протоками и каналами.
Названия протоков
Длина
Ширина, сажени
верст
саженей
Большая H.
7
—
158—278
Малая H.
4
100
135—195
Большая Невка
8
200
40—172
Средняя Невка
3
345
60—110
Малая Невка
4
250
53—147
Фонтанка
6
450
25—34
Мойка
4
160
17
Екатерининский канал
4
300
10
Обводной канал
7
235
13
Притоки Нева:
На какой версте от истока Нева впадает
Длина в верстах:
Всего течения
Судоходного пути
С правой стороны
Река Черная
Река Дубровка
Река Охта
на 5 в.
на 14 в.
на 59 в.
26
4
60
—
—
2
С левой стороны
Река Мойка
Река Мга
Река Тосна
Река Ижора
Река Славянка
на 17 в.
на 19 в.
на 29 в.
на 39 в.
на 45 в.
23
67
106
63
29
3
—
9
8
2
Таблица 1. Средний состав воды Ладожского озера
Ингредиенты
Содержание, мг/л
HCO3 .......
29,4
CL ........
4,5
SO4 .......
6,9
Ca ........
8,5
Mg .......
2,5
Na+K ........
4,6
Сумма ионов
50,4
Таблица 2 Химический баланс Ладожского озера (в тысячах тонн)
CO3
SO4
Cl
Ca
Mg
K+Na
Сумма ионов
Приход
с поверхностным стоком
980,7
430,8
347,3
620,4
131,3
312,7
2823,2
с атмосферными осадками
2,8
20,3
3,8
2,6
0,9
—
30,4
с подземным притоком
36,5
8,4
3,4
16,1
4,6
8,1
77,1
Сумма
1020,0
459.5
354,5
639,1
136,8
320,8
2930,7
Расход
со стоком р. Невы
1030,9
413,7
332,6
659,3
128,3
321,5
2886,3
Разность
-10,9
45,8
21,9
-20,2
8,5
-.07
44,4
[1] Богословский Б. Б. Озероведение. М. Изд-во Моск. ун-та, I960. с.176.
[2] Богословский Б. Б. Озероведение. М. Изд-во Моск. ун-та, I960.
[3] Чеботарев А. И. Общая гидрология. Л. Гидрометеоиздат, 1975.
[4] Львович М. И. Вода и жизнь. М. Мысль, 1986.
[5] Львович М. И. Вода и жизнь. М. Мысль, 1986.
[6] СНиП 2.1.4.1074-01. Тепловые сети. М.: ГП ЦПП, 1994.
[7] Белан Ф.И., Сутоцкий Г.П. Водоподготовка промышленных котельных. М.: Энергия, 1969. С. 328.
[8] Белан Ф.И., Сутоцкий Г.П. Водоподготовка промышленных котельных. М.: Энергия, 1969. С. 354.
[9] Баскаков А.П., Щелоков Я.М. Качество воды в системах отопления и ГВС. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. С. 34.
[10] СНиП 2.04.07-86. Тепловые сети. М.: ГП ЦПП, 1994.
[11] Баскаков А.П., Щелоков Я.М. Качество воды в системах отопления и ГВС. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. С. 37.
[12] Баскаков А.П., Щелоков Я.М. Качество воды в системах отопления и ГВС. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. С. 39.
[13] Калесник С.В. Ладожское озеро: Гидрометеоиздат. Л., 1968.
[14] Калесник С.В. Ладожское озеро: Гидрометеоиздат. Л., 1968.
[15] Калесник С.В. Ладожское озеро: Гидрометеоиздат. Л., 1968
[16] Калесник С.В. Ладожское озеро: Гидрометеоиздат. Л., 1968.
[17] Давыдова Л.К. Общая гидрология. – Л., 1990, С.265.
[18] Исаченко А. Г., Дашкевич З. В., Карнаухова Е. В. Физико-географическое районирование Северо-Запада СССР. Л., 1965
[19] Шикломанов И. А. Исследование водных ресурсов суши итоги, перспективы, проблемы. Л. Гидрометеоиздат, 1986. с.46.
[20] Михайлов В. Н. , Добровольский А. Д. Общая гидрология. - М. Высш. шк., 1991. с.143.
[21] Богословский Б. Б. Озероведение. М. Изд-во Моск. ун-та, I960. с.176.