Как живая природа очищает воду?

Посмотрите вниз, на долину Свияги. Река петляет, отрезает от себя дугообразные старицы, тянет вдоль берегов полосы тростника и осоки, выше по склону переходит в пойменный лес. Если бы вода стремилась к кратчайшему пути, ничего этого не было бы. Почему река вьётся — разобрано в сюжете «Откуда текут реки»; здесь вопрос другой: что эта форма делает с водой.

Прямой канал делает одно — проводит воду от А до Б как можно быстрее. Излучина устроена иначе: на внешней стороне поворота поток ускоряется и подмывает берег, на внутренней — замедляется, и взвесь оседает на косу. Каждый изгиб — ступень: часть груза оставлена на дне, дальше идёт вода чуть чище. Весной река выходит на пойму, теряет глубину и скорость, и муть оседает в траве — потому пойменные луга и растут вверх на миллиметры в год. Старицы стоят почти неподвижно, и нитраты с фосфатами уходят в тростник и донный ил. Прибрежная полоса ивняка перехватывает сток с полей раньше, чем он дошёл до русла.

У природы нет насосов и реагентов. Она решает задачу временем: чем дольше вода идёт и чем большей живой поверхности касается, тем чище приходит к Волге.

Что сделать. Найдите на склоне ниже вас две воды: старицу в тростнике и саму реку. Сравните их после дождя. Река несёт муть; старица может быть зелёной от водорослей, но мути в ней нет — вода стоит неделями, и всё, что могло осесть, уже осело.

Три ступени. Очистка в ландшафте складывается из трёх разных процессов, и каждому нужно своё.

1. ступени по течению 1 → 2 → 3: чем дольше путь и больше живой поверхности — тем чище вода
2. 1 · излучина: песок оседает на косе
3. 2 · старица: растения забирают азот и фосфор
4. 3 · тростник и ил: бактерии убирают нитрат

Осаждение — физика. Частица тонет тем быстрее, чем крупнее: по закону Стокса¹ скорость падения $w = (\rho_\text{ч} - \rho)\,g\,d^2/(18\mu)$, где $\rho_\text{ч}$ и $\rho$ — плотности частицы (около 2650 кг/м³) и воды, $d$ — диаметр частицы, $\mu$ — вязкость воды. Для глины ($d = 2$ мкм) это 3,6 мкм/с, около 0,3 м в сутки, и в метровой толще она оседает несколько дней; для ила ($d = 20$ мкм) — 31 м в сутки. Оседает частица там, где турбулентность слабее, чем нужно для взвеси (мерой служит число Рауза — скорость падения, делённая на скорость сдвига потока у дна, умноженную на постоянную Кармана²): на внутренней стороне излучины, в старице, на залитом лугу. Песок ложится на первой же косе, глина держится в воде сутками и выпадает лишь там, где вода почти стоит.

Усвоение — биология. Нитраты и фосфаты — удобрение; тростник, рогоз, ряска и водоросли вытягивают их из воды в собственное тело. Ивы на берегу перекачивают избыток азота в листья; осенью листья опадают, и часть азота уходит в почву, часть — обратно в воду.

Превращение — микробиология. В иле, где нет кислорода, бактерии дышат нитратом и выпускают его в воздух молекулярным азотом — денитрификация. Это единственная ступень, которая не копит загрязнение, а убирает его из системы насовсем.

Предположения, стоящие за картиной:

1. Скорость очистки задаёт время контакта воды с дном, растениями и илом, а не длина реки на карте.
2. Каждая ступень убирает свою долю; вместе они работают как каскад, а не как один фильтр.
3. Ландшафт не разрушается: берег с тростником стоит, пойма заливается, старицы не осушены.

Почему форма реки — это время. Русло равнинной реки вдвое-втрое длиннее долины, и вода идёт этот путь медленнее, чем шла бы по прямому каналу в той же долине. Перепад высот у них один и тот же, но на длинном пути он делится на большую длину: уклон меньше в $\sigma$ раз, где $\sigma$ — коэффициент извилистости. Скорость растёт как корень из уклона (формула Маннинга³ при той же глубине и шероховатости), поэтому она меньше в $\sqrt{\sigma}$ раз, а время прохождения пути, который в $\sigma$ раз длиннее, растёт в $\sigma^{3/2}$ раз: при $\sigma = 2$ в 2,8 раза, при $\sigma = 3$ в 5,2 раза. Иначе говоря, петли — не помеха, а множитель: та же вода в той же долине проводит в контакте с живой поверхностью в несколько раз больше часов.

Как это называют. Самоочищение водоёмов начали описывать систематически в начале XX века, когда немецкие гидробиологи Кольквиц и Марссон разделили загрязнённую реку на зоны по населяющим их организмам: ниже стока — бактерии и черви, дальше по течению — снова рыба и чистая вода. Расстояние между зонами и есть мера самоочищения. Про ландшафт в целом — пойму, старицы, прибрежную полосу — говорят о буферной функции поймы; когда пойму распахивают под самое русло, река несёт заметно больше нитратов и фосфатов.

Проверьте сами. После сильного дождя посмотрите на воду выше и ниже участка с тростником у берега. Ниже — прозрачнее. Тростник не фильтр: он замедлил воду, и муть легла на дно между стеблями.

Тот же принцип в других местах. Биоплато — каскад мелких бассейнов с тростником, через который медленно пропускают стоки; это упорядоченная пойма, и по чистоте на выходе она близка к третьей ступени городских очистных, почти без электричества. Бобёр в ручье делает то же: плотина замедляет воду, выше неё копится ил, ниже идёт вода прозрачнее, — за это бобров называют экосистемными инженерами. В середине XX века малые реки в России и Европе спрямляли под хозяйство; через десятилетия мутность и нитраты ниже по течению выросли, и теперь инженерные проекты идут обратно — возвращают петли и пускают воду на луга.

Уравнение времени. Простейшая модель самоочищения — убыль первого порядка:

$$C(t) = C_0\, e^{-kt}$$

модель

где $C_0$ — концентрация на входе, $k$ — коэффициент, зависящий от температуры, глубины и того, сколько живой поверхности на литр воды, $t$ — время, которое вода провела в системе. Иначе говоря, при одном и том же $k$ вдвое большее время даёт не вдвое, а в $e^{kt}$ раз меньшую концентрацию; удлинение пути через петли и пойму входит в показатель степени. Зависимость $k$ от глубины получается из баланса: если вещество уходит только на дне (в ил и растения) со скоростью захвата $v_f$ в метрах за сутки (в гидрологии её называют скоростью поглощения¹), то для столба воды глубиной $h$ имеем $dC/dt = -(v_f/h)\,C$, то есть $k = v_f/h$. Мелкая вода очищается быстрее глубокой, потому что дна на каждый литр больше. Для азота в прибрежных зарослях $k$ измеряют по разности концентраций на входе и выходе; численно он колеблется на порядок от участка к участку, и потому наука здесь оперирует не формулой, а обзорами измерений.

Что показали обзоры. Сводка по 89 прибрежным буферным полосам в Северной Америке и Европе дала ожидаемую, но нелинейную картину: часть узких полос шириной до 25 м работала хорошо, полосы шире 50 м убирали значимую долю азота устойчиво, от участка к участку; дальнейшее расширение прибавляло мало. Главным фактором оказалась не ширина, а путь воды: азот, идущий с грунтовым стоком через корнеобитаемый слой с илом без кислорода, убирается намного полнее, чем азот поверхностного стока, и подземное удаление от ширины полосы почти не зависело².

Река, которую спрямили и вернули. Самый большой опыт в обратную сторону — Киссимми во Флориде. В 1962–1970 годах 166 км петляющей реки заменили каналом длиной 90 км; пойма высохла, водоплавающих птиц стало в разы меньше, а фосфор пошёл в озеро Окичоби без задержки. С конца 1990-х часть канала засыпали и вернули воду в старые излучины: к 2021 году восстановлено около 70 км исторического русла и 8 тысяч гектаров пойменных болот, растворённого кислорода в воде стало больше, птицы вернулись³. Стоимость такой обратной инженерии — около миллиарда долларов, и это цена одного спрямления, показанная задним числом.

Кто открыл. Что грязная река сама становится чистой ниже по течению, знали давно; что это делают организмы и что по ним можно измерять загрязнение, показали Рихард Кольквиц и Максимилиан Марссон в 1908–1909 годах, введя шкалу сапробности — сегодня по ней работают гидробиологи всего мира. В России самоочищение водоёмов как круговорот вещества изучал Георгий Винберг в 1930–1960-х, введя балансовый метод: сколько кислорода водоём производит и сколько тратит на разложение органики. Денитрификацию как отдельный микробный процесс описал Ульрих Гайон в 1882 году, и только через сто лет её поставили в центр расчётов прибрежных полос.

Границы этого рассуждения.

• Ландшафт не убирает всё. Тяжёлые металлы и стойкие органические загрязнители осаждаются в иле, но не разрушаются; старица копит их годами, и осушение или паводок возвращает их в воду.
• Усвоение растениями обратимо. Азот, ушедший в тростник, осенью частично вернётся; безвозвратна для азота только денитрификация (у фосфора заметной газовой формы нет, он уходит в основном осаждением и захоронением в ил⁵).
• Модель первого порядка груба. При больших концентрациях ступени насыщаются, а зимой $k$ падает в разы.
• Дозы имеют предел. Пойма чистит сток с полей, но не сток очистных сооружений города: масштаб нагрузки другой.

О чём спорят. Восстановление петель и пойм стало индустрией, но проверки итогов показывают: во многих проектах вернули форму русла, а качество воды и число видов не изменились, потому что источник загрязнения выше по течению остался. Часть экологов считает, что важнее вернуть режим паводков, а не рисунок русла; другие — что без сплошной прибрежной полосы по всему водосбору локальное восстановление бесполезно. Спор о том, что восстанавливать в первую очередь, не закрыт⁴.

Открытый вопрос. Сколько азота прибрежная полоса убирает насовсем, а сколько лишь откладывает? Измерить разность концентраций просто; разделить денитрификацию и накопление в почве, которое через десятилетия вернётся в реку, до сих пор удаётся лишь на отдельных участках. Пока это не измерено на масштабе водосбора, оценки «пойма задерживает столько-то процентов» остаются оценками.