Процеси формування якості поверхневих вод
Качество воды является следствием двух основных процессов - поступления веществ из внешних по отношению к данному водному объекту источников и внутриводоемных изменений, происходящих с веществами вследствие функционирования водных экосистем. В водной экосистеме совместно функционируют биотическое сообщество и неживая природа, причем неживая природа является источником веществ и энергии, необходимых для существования биоты. Попадая в водный объект, вещества становятся элементами водных экосистем и включаются в основные процессы, происходящие в них. Прежде всего, это процессы трансформации вещества. Трансформация вещества может осуществляться физическим, химическим и биологическим путем.
Поступающие в водные объекты вещества вносят изменения в их газовый и солевой режимы, что может привести к нарушению равновесия экосистем. В результате процессов трансформации поступивших веществ в водном объекте может происходить восстановление его первоначального состояния или осуществляться переход в другое устойчивое состояние. Процессы, в результате которых восстанавливается фоновое состояние водного объекта, называются процессами самоочищения. Самоочищение — это первый из процессов, формирующих качество воды в водном объекте. Основным поставщиком вещества и энергии является водная масса.
Вторым процессом, влияющим на формирование качества воды, является перенос вещества и энергии водным потоком. В силу присущих водному потоку физических особенностей в нем происходит непрерывное перераспределение вещества и энергии, обусловленное процессами перемешивания. Процесс формирования качества воды в водном объекте можно представить следующим образом:
1) растворенные и взвешенные вещества поступают в водный объект из сосредоточенных или диффузных источников;
2) под влиянием гидравлических факторов (перенос и перемешивание) происходит количественное перераспределение веществ в водном потоке;
3) под влиянием физических, химических и биологических факторов происходит качественная трансформация веществ.
Способность подвергаться качественному изменению присуща не всем веществам. Вещества, которые не подвержены процессам химико-биологической трансформации, получили наименование консервативных, а противоположные им по свойствам вещества называют неконсервативными. Количественной характеристикой способности веществ подвергаться химико-биологической трансформации является коэффициент неконсервативности (k), который, по определению, является величиной, пропорциональной скорости изменения концентрации вещества. В зависимости от его величины все неконсервативные вещества делятся на легко окисляемые биологически мягкие вещества (k>0,13 1/сут.), трудно окисляемые биологически жесткие вещества (k<0,025 1/сут.) и промежуточные вещества (0,025<k<0,13 1/сут.). Величина коэффициента неконсервативности зависит от свойств вещества, гидродинамических характеристик потока и условий внешней среды.
5.4. Оценка состояния водных объектов
Водопользование может быть двух видов - общее и специальное.
Общее водопользование осуществляется гражданами для удовлетворения их нужд (купание, плавание на лодках, любительское и спортивное рыболовство, водопой животных, забор воды из водных объектов без применения сооружений или технических устройств и из колодцев)бесплатно, без закрепления водных объектов за отдельными лицами и без предоставления соответствующих разрешений.
Специальное водопользование - это забор воды из водных объектов с применением сооружений или технических устройств, использование воды и сбрасывание загрязняющих веществ в водные объекты, включая забор воды и сбрасывание загрязняющих веществ с обратными водами с применением каналов. Специальное водопользование осуществляется юридическими и физический лицами прежде всего для удовлетворения питьевых нужд населения, а также для хозяйственно-бытовых, лечебных, оздоровительных, сельскохозяйственных, промышленных, транспортных, энергетических, рыбохозяйственных и других государственных и общественных нужд.
Разнообразие видов водопользования порождает и разнообразие требований к воде. Исходя из этого, понятие качества воды должно быть увязано с ее использованием.
Согласно Водному кодексу Украины качество воды есть характеристика состава и свойств воды, определяющая ее пригодность для конкретного вида водопользования.
5.4.1. Показатели качества воды
Поскольку не существует единого показателя, который характеризовал бы весь комплекс характеристик воды, оценка качества воды ведется на основе системы показателей. Показатели качества воды делятся на физические, бактериологические, гидробиологические и химические. Другой формой классификации показателей качества воды является их разделение на общие и специфические. К общим относят показатели, характерные для любых водных объектов. Присутствие в воде специфических показателей обусловлено местными природными условиями, а также особенностями антропогенного воздействия на водный объект.
К основным физическим показателям качества воды относятся:
Температура воды. В водных объектах температура является результатом одновременного действия солнечной радиации, теплообмена с атмосферой, переноса тепла течениями, перемешивания водных масс и поступления подогретых вод из внешних источников. Температура влияет практически на все процессы, от которых зависят состав и свойства воды. Температура воды измеряется в градусах Цельсия (°С).
Запах. Запах воды создается специфическими веществами, поступающими в воду в результате жизнедеятельности гидробионтов, разложения органических веществ, химического взаимодействия содержащихся в воде компонентов и поступления из внешних (аллохтонных) источников. Запах воды измеряется в баллах.
Прозрачность. Прозрачность воды зависит от степени рассеивания солнечного света в воде веществами органического и минерального происхождения, находящимися в воде во взвешенном и коллоидном состоянии. Прозрачность определяет протекание биохимических процессов, требующих освещенности (первичное продуцирование, фотолиз). Прозрачность измеряется в сантиметрах.
Цветность. Цветность воды обусловливается содержанием органических окрашенных соединений. Вещества, определяющие окраску воды, поступают в воду вследствие выветривания горных пород, внутриводоемных продукционных процессов, с подземным стоком, из антропогенных источников. Высокая цветность снижает органолептические свойства воды, уменьшает содержание растворенного кислорода. Цветность измеряется в градусах.
Содержание взвешенных веществ. Источниками взвешенных веществ могут служить процессы эрозии почв и горных пород, взмучивание донных отложений, продукты метаболизма и разложения гидробионтов, продукты химических реакций и антропогенные источники. Взвешенные вещества влияют на глубину проникновения солнечного света, ухудшают жизнедеятельность гидробионтов, приводят к заиливанию водных объектов, вызывая их экологическое старение (эвтрофирование). Содержание взвешенных веществ измеряется в г/м3 (мг/л).
Бактериологические показатели характеризуют загрязненность воды патогенными микроорганизмами. К числу важнейших бактериологических показателей относят: коли-индекс — количество кишечных палочек в одном литре воды; коли-титр — количество воды в миллилитрах, в котором может быть обнаружена одна кишечная палочка; численность лактозоположительных кишечных палочек; численность колифагов.
Гидробиологические показатели дают возможность оценить качество воды по животному населению и растительности водоемов. Изменение видового состава водных экосистем может происходить при столь слабом загрязнении водных объектов, которое не обнаруживается никакими другими методами. Поэтому гидробиологические показатели являются наиболее чувствительными. Существует несколько подходов к гидробиологической оценке качества воды.
Оценка качества воды по уровню сапробности. Сапробность — это степень насыщения воды органическими веществами. В соответствии с этим подходом водные объекты (или их участки) в зависимости от содержания органических веществ подразделяют на полисапробные, а-мезосапробные, (3-мезо-сапробные и олигосапробные. Наиболее загрязненными являются полисапробные водные объекты. Каждому уровню сапробности соответствует свой набор индикаторных организмов-сапробионтов. На основе индикаторной значимости организмов и их количества вычисляют индекс сапробности, по которому определяется уровень сапробности.
Оценка качества воды по видовому разнообразию организмов. С увеличением степени загрязненности водных объектов видовое разнообразие, как правило, снижается. Поэтому изменение видового разнообразия является показателем изменения качества воды. Оценку видового разнообразия осуществляют на основе индексов разнообразия (индексы Маргалефа, Шеннона и др.).
Оценка качества воды по функциональным характеристикам водного объекта. В этом случае о качестве воды судят по величине первичной продукции, интенсивности деструкции и некоторым другим показателям.
Физические, бактериологические и гидробиологические показатели относят к общим показателям качества воды.
Химические показатели могут быть общими и специфическими. К числу общих химических показателей качества воды относят:
Растворенный кислород. Основными источниками поступления кислорода в водные объекты является газообмен с атмосферой (атмосферная реаэра-ция), фотосинтез, а также дождевые и талые воды, которые, как правило, перенасыщены кислородом. Окислительные реакции являются основными источниками энергии для большинства гидробионтов. Основными потребителями растворенного кислорода являются процессы дыхания гидробионтов и окисления органических веществ. Низкое содержание растворенного кислорода (анаэробные условия) сказывается на всем комплексе биохимических и экологических процессов в водном объекте.
Химическое потребление кислорода (ХПК). ХПК определяется как количество кислорода, необходимого для химического окисления содержащихся в единице объема воды органических и минеральных веществ. При определении ХПК в воду добавляется окислитель — бихромат калия. Величина ХПК позволяет судить о загрязнении воды окисляемыми веществами, но не дает информации о составе загрязнения. Поэтому ХПК относят к обобщенным показателям.
Биохимическое потребление кислорода (БПК). БПК определяется как количество кислорода, затрачиваемое на биохимическое окисление содержащихся в единице объема воды органических веществ за определенный период времени. В Украине на практике БПК оценивают за пять суток (БПК5) и двадцать суток (БПК). БПК обычно трактуют как полное БПК (БПКполн), признаком которого является начало процессов нитрификации в пробе воды. БПК также относится к обобщенным показателям, поскольку оно служит оценкой общего загрязнения воды легкоокисляемыми органическими веществами.
Водородный показатель (рН). В природных водах концентрация ионов водорода зависит, главным образом, от соотношения концентраций угольной кислоты и ее ионов. Источниками содержания ионов водорода в воде являются также гуминовые кислоты, присутствующие в кислых почвах и, особенно, в болотных водах, гидролиз солей тяжелых металлов. От рН зависит развитие водных растений, характер протекания продукционных процессов.
Азот. Азот может находиться в природных водах в виде свободных молекул N2 и разнообразных соединений в растворенном, коллоидном или взвешенном состоянии. В общем азоте природных вод принято выделять органическую и минеральную формы. Основными источниками поступления азота являются внутриводоемные процессы, газообмен с атмосферой, атмосферные осадки и антропогенные источники. Различные формы азота могут переходить одна в другую в процессе круговорота азота. Азот относится к числу важнейших лимитирующих биогенных элементов. Высокое содержание азота ускоряет процессы эвтрофирования водных объектов.
Фосфор. Фосфор в свободном состоянии в естественных условиях не встречается. В природных водах фосфор находится в виде органических и неорганических соединений. Основная масса фосфора находится во взвешенном состоянии. Соединения фосфора поступают в воду в результате внут-риводоемных процессов, выветривания и растворения горных пород, обмена с донными отложениями и из антропогенных источников. На содержание различных форм фосфора оказывают влияние процессы его круговорота. В отличие от азота круговорот фосфора несбалансирован, что определяет его более низкое содержание в воде.
Поэтому фосфор наиболее часто оказывается тем лимитирующим биогенным элементом, содержание которого определяет характер продукционных процессов в водных объектах.
Минеральный состав. Минеральный состав определяется по суммарному содержанию семи главных ионов: К+, Na+, Са2+, Мg2+, С1-, SO42-, НС03-. Основными источниками повышения минерализации являются грунтовые и сточные воды. С точки зрения воздействия на человека и гидробионты неблагоприятными являются как высокие, так и чрезмерно низкие показатели минерализации воды.
К наиболее часто встречающимся специфическим показателям качества воды относят:
Фенолы. Содержание фенолов в воде, наряду с поступлением из антропогенных источников, может определяться метаболизмом гидробионтов и биохимической трансформацией органических веществ. Источником поступления фенолов являются гуминовые вещества, образующиеся в почвах и торфяниках. Фенолы оказывают токсическое воздействие на гидробионты и ухудшают органолептические свойства воды.
Нефтепродукты. К нефтепродуктам относятся топлива, масла, битумы и некоторые другие продукты, представляющие собой смесь углеводородов различных классов. Источниками поступления нефтепродуктов являются утечки при их добыче, переработке и транспортировке, а также сточные воды. Незначительное количество нефтепродуктов может выделяться в результате внутри-водоемных процессов. Входящие в состав нефтепродуктов углеводороды оказывают токсическое и, в некоторой степени, наркотическое воздействие на живые организмы, поражая сердечно-сосудистую и нервную системы.
ПАВ и СПАВ. К поверхностно-активным веществам (ПАВ) относят органические вещества, обладающие резко выраженной способностью к адсорбции на поверхности раздела "воздух-жидкость". В подавляющем большинстве попадающие в воду поверхностно-активные вещества являются синтетическими (СПАВ). СПАВ оказывают токсическое воздействие на гидробионты и человека, ухудшают газообмен водного объекта с атмосферой, снижают интенсивность внутриводоемных процессов, ухудшают органолептические свойства воды. СПАВ относятся к медленно разлагающимся веществам.
Пестициды. Под пестицидами понимают большую группу искусственных хлорорганических и фосфорорганических веществ, применяемых для борьбы с сорняками, насекомыми и грызунами. Основным источником их поступления является поверхностный и дренажный сток с сельскохозяйственных территорий. Пестициды обладают токсическим, мутагенным и кумулятивным действием, разрушаются медленно.
Тяжелые металлы. К числу наиболее распространенных тяжелых металлов относятся свинец, медь, цинк. Тяжелые металлы обладают мутагенным и токсическим действием, резко снижают интенсивность биохимических процессов в водных объектах.
Химические показатели измеряются в г/м3, мг/дм3 (мг/л).