Экология водных ресурсов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Качество воды и экологическое состояние водных объектов

Качество воды - характеристика состава и свойств воды, определяющая пригодность ее для конкретных видов водопользования. Критерии безопасности и вредности воды для человека устанавливаются Санитарными правилами, нормами и гигиеническими нормативами СанПиН 2.1.4.1074-01, в соответствии с которыми, питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу, с благоприятными органолептическими свойствами. Концентрация вредного вещества в воде не должна превышать нормативы предельно допустимых концентраций (ПДК). ПДК - это предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества в воде, кратковременный или длительный контакт с которой не оказывает прямого или косвенного влияния на организм человека и не сказывается на здоровье последующих поколений, не приводит к ухудшению гигиенических условий водопользования.

В настоящее время около 90% забираемых для нужд водоснабжения поверхностных и не менее 30% подземных вод подвергается водоподготовке, но водопроводные сооружения не всегда обеспечивают надежную подачу населению воды гарантированного качества. Каждый третий человек, пользующийся централизованными системами водоснабжения, получает воду, не отвечающую нормативам:

§ гигиеническим - 23%

§ по санитарно - химическим - 11,4%

§ микробиологическим - 21,4%

Особенно неблагоприятная ситуация с обеспечением населения качественной питьевой водой сложилась в Бурятии, Дагестане, Калмыкии, Приморском крае, Архангельской, Калининградской, Кемеровской, Курганской, Томской, Ярославской областях и ряде других. Резко возросло ( 15%) и микробиологическое загрязнение открытых водоемов.

Загрязненная вода, попадая в организм человека, вызывает 70-80% всех известных болезней. Кроме того, ухудшение качества воды приводит к уменьшению ресурсов пресной воды.

Рис. 6.1 Уменьшение ресурсов пресной воды в связи с ее загрязнением, в долях от мировых ресурсов пресной воды /www.expert.ru/

1.1 Источники загрязнения и качество воды поверхностных водных объектов

В настоящее время качество воды большинства водных объектов Российской федерации не отвечает нормативным требованиям. Источниками поступления больших объемов загрязняющих веществ являются:

Ш сточные воды, образующиеся в процессе ее использования отраслями экономики (промышленность, энергетика, транспорт, сельскохозяйственное производство, коммунально-бытовое хозяйство);

Табл.6.1

Годовые показатели водопотребления и водоотведения в Российской Федерации

Показатель	Российская Федерация	В том числе
		промышленность	сельское хозяйство	Коммунально-бытовое хозяйство
Водопотребление из природных водоемов, млн. м3	87305,39	38981,33	21996,90	16307,31
в том числе, % от объема водопотребления
из поверхностных источников	81	80	90	65
из подземных источников	14	9	10	35
морской воды	5	11	0	0
Сброшено в поверхностные водоемы, % от водопотребления	64	85	34	84
в том числе, % от объема сточных вод:
Загрязненных*	39	21	35	89
нормативно** чистых	56	76	65	1
нормативно *** очищенных	5	3	0	10

Примечание. *Сточные воды, не прошедшие очистку или недостаточно очищенные.

**Сточные воды, не загрязняемые в процессе использования.

***Сточные воды, очищенные на очистных сооружениях в соответствии с требованиями нормативов.

Ш поверхностные сточные воды с территории водосборов, образующиеся после таяния снега, выпадения дождя и полива улиц.

Табл.6.2

Диапазоны изменений концентраций характерных загрязнителей дождевого и талого стоков.

Загрязняющие вещества	Концентрации веществ, мг/л
Взвешенные вещества	300-6000
ХПК	300-750
БПКполн.	60-150
Нефтепродукты	20-70
Азот	2.5-6.0

Ш недостаточность или неэффективная работа очистных сооружений и других водоохранных мероприятий.

Табл.6.3

Объем загрязненных сточных вод, прошедших очистку на очистных сооружениях до нормативов качества

Регион	Объем нормативно очищенных стоков, % от объема загрязненных сточных вод
Центральный	6,3
Приволжский	13,4
Сибирский	31,7
Южный	24,4
Уральский	21,2
Дальневосточный	5,1
Северо-Западный	4,2
В целом по России	11,6

Характерными загрязняющими веществами для поверхностных вод России являются: нефтепродукты, фенолы, легкоокисляемые органические вещества (по БПК₅), железо, медь. Качество воды в крупных реках, таких как: Волга, Дон, Обь, Енисей, Лена, Печора, оценивается как "загрязненная", а их основных притоков: Ока, Кама, Томь, Иртыш, Тобол, Миасс, Исеть, Тура - как "грязная".



Рис. 6.2 Качество поверхностных водных ресурсов России

1.2 Источники загрязнения и качество воды подземных вод

Качество подземных вод во многом определяется антропогенным воздействием, приводящим к загрязнению водоносных горизонтов. Основными загрязняющими веществами являются: сульфаты, хлориды, нитраты, нитриты, аммоний, нефтепродукты, фенолы, фториды, стронций, соединения железа, меди, цинка, свинца, кадмия, никеля, ртути. В 40% случаях загрязнения подземных вод, концентрации веществ превышают 10 ПДК, из них в 12% случаях концентрации превышают 100 ПДК.

Основным источником загрязнения является промышленность, на долю которой приходится около 37% от всего объема поступающих в подземные воды загрязнений.



Рис. 6.3 Доля влияния различных источников загрязнений на качество эксплуатируемых подземных водных ресурсов

Загрязнение подземных вод, в основном, носят локальный характер и ограничиваются размерами источника загрязнений. Площадь источника загрязнений может достигать больших размеров (около 10% источников имеют площадь превышающую 10 км²).

Рис. 6.4 Схема распространения загрязнения подземных вод от очага загрязнений

1.3 Источники загрязнения и качество морских вод

Территорию Российской Федерации омывают 13 морей. Общая площадь морской акватории, принадлежащей России, составляет 7 млн. км². Все моря России испытывают интенсивную антропогенную нагрузку, как на самой акватории, так и в результате хозяйственной деятельности на водосборном бассейне. Морские берега, особенно южных морей, подвержены эрозионным процессам. Более 60% береговой линии испытывает разрушение, размыв и подтопление, что наносит значительный экономический ущерб и является дополнительным источником загрязнения морской среды. Особую озабоченность вызывает захоронение радиоактивных отходов в Белом и Баренцевом морях. Степень загрязнения воды в прибрежных районах морей России изменяется в пределах "чистая" … "чрезвычайно грязная".

Табл. 6.4

Объемы использования морских вод и сброса наиболее характерных загрязняющих веществ в моря России

Бассейн	Забрано морской воды, %	Сброс сточных вод, %	Со сточными водами поступило загрязняющих веществ, %
		всего	загрязнен.	Нефтепр.	Железо	СПАВ	фенолы
Северный ледовитый океан	2	2	6	22	18	18	0
Каспийское море	0	16	22	0	8	3	0
Тихий океан	13	5	8	59	43	47	84
Атлантический океан	85	77	64	19	31	32	16
Всего	4330	8620	1750	540	414	365	6
	млн.м3	тонны

Основными источниками загрязнения морей являются:

- судоходство;

- организованные морские свалки грунта;

- выпуски сточных вод городов и промышленных предприятий;

- ливневые стоки;

- шламонакопители (специально подготовленные сооружения, предназначенные для хранения осадков сточных вод, шламов, шлаков, золы, ила и других жидких и твердых отходов).

1.4 Виды антропогенного воздействия на водные объекты

Антропогенное воздействие на водные объекты приводит к их истощению, загрязнению и засорению. Данные виды влияния могут носить прямой и косвенный характер. Прямое влияние связано с непосредственным воздействием на водный объект (например: водозабор, сброс загрязненных стоков, создание водохранилищ). Косвенное влияние вызвано:

· воздействием на наземные объекты, которое приводит к изменению условий формирования стока с водосборной площади (например, вырубка лесов, создание сельскохозяйственных угодий приводит к изменению условий формирования поверхностного и подземного стока, который питает водные объекты);

· изменением внутри водоёмных процессов, как следствие загрязнения воды (например, загрязнение донного грунта приводит к вторичному загрязнению воды, использование подземных вод гидравлически связанных с реками приводит к истощению последних);

· загрязнением атмосферного воздуха (например, с 60х годов ХХ века стали отмечаться случаи загрязнения водных объектов в результате выпадения кислотных дождей).



Рис. 6.5 Классификация антропогенного воздействия на водные объекты.

1.4.1 Истощение водных объектов

Истощение водных объектов - уменьшение стока поверхностных вод ниже минимально допустимого или сокращение запасов подземных вод. Минимально допустимый сток представляет собой экологический сток, который предназначен для сохранения устойчивости водной экосистемы.

Изъятие воды из водного объекта для хозяйственных целей приводит к ухудшению его состояния. Однако если величина изъятия воды не приводит к снижению объемов воды меньше экологически допустимых пределов, то воздействие обратимо и устойчивость экосистемы существенно не нарушается, то есть на водный объект оказано допустимое воздействие. В противном случае становится не допустимым, т.е. происходит истощение.

Рис. 6.6 Пример определения величины истощения реки

Истощение водных объектов может быть связано с рядом причин. Например: непосредственное изъятие воды для целей водопотребления; изменение режима стока или изменение условий формирования стока на водосборной площади.

Водопотребление из водного объекта непосредственно снижает объем водных ресурсов на величину безвозвратного водопотребления, которое определяется как разность объемов водопотребления (W) и возвратных вод (Wвв): Wб.п = W - Wвв. Это, в свою очередь, приводит к целому ряду негативных последствий, таких как:

- увеличение загрязненности воды (объем веществ G, поступающий с водосборной площади, остается прежним или увеличивается, а объем речного стока Wр снижается за счет безвозвратного водопотребления Wб.п., что приводит к росту концентраций загрязнителей С):

С = ; (6.1)

- снижаются уровни воды, что увеличивает относительную площадь мелководий, которая начинает зарастать;

hp, h'p - глубина воды в реке до и после водозабора,

Qp, Q'p-расход воды в реке до и после водозабора.

Рис. 6.7 Зависимости расхода воды (Q) и относительной площади мелководий (Fмел) от глубины воды в реке (h)

- уменьшается биомасса гидробионтов, так как она функционально связана с объемом жизненного пространства (по Алиеву А.Ф., размер территории занимаемой животными организмами (f), от инфузорий до рыб, связан с их массой (m): f ? 1.5·m м²/экз., т.е. территория особи с массой в 1 г составляет 1.5 м²);

- снижается транспортирующая способность воды в реке, что ведет к заилению.

Косвенное истощение водных объектов связано, например: с увеличением сельскохозяйственных площадей, которое приводит к изменению составляющих водного баланса на водосборной площади. Существенно увеличивается величина суммарного испарения (Ес/х), что, в основном, и определяет снижение объемов воды питающей водный объект (W).

W = W - Wс/х (Eс/х - E)

Ос - осадки, Е - суммарное испарение, О - поверхностный отток,

П- подземный приток, И - инфильтрационный поток

Рис. 6.8 Водобалансовые потоки естественных и сельскохозяйственных угодий

Использование воды из подземных горизонтов, гидравлически связанных с поверхностным водным объектом, приводит к снижению запасов подземных водоносных горизонтов (прямое воздействие) (П), и оказывает косвенное влияние на истощение поверхностного водного объекта.

Изменение объема поверхностных (W) вод при водозаборе подземных вод W: W' = W - W* где - коэффициент гидравлической связи поверхностных и подземных вод.

Рис. 6.9 Влияние водозабора из подземных водоносных горизонтов на истощение поверхностных водных объектов

1.4.2 Загрязнение водных объектов

Загрязнение вод - привнесение в среду или образование в ней физических, химических или биологических агентов или превышение, за рассматриваемое время, естественного среднемноголетнего уровня концентрации перечисленных агентов, неблагоприятно воздействующих на среду жизни или наносящих урон материальным ценностям.

Загрязняющие вещества могут быть биогенными (свойственные природным водам вещества, которые необходимые живым организмам для питания и построения своего тела, например: азот, калий, кальций, фосфор, магний, цинк, медь и др) и не биогенные, поступающие в водные объекты со сточными водами промышленных и сельскохозяйственных предприятий, коммунально-бытового хозяйства. К ним относятся, например: ртуть, свинец, стронций, кадмий, радиоактивные вещества и др.

В зависимости от того, какое вещество поступает в водный объект, его загрязненность определяется по-разному.

Поступление любого количества не биогенных веществ в воду вызывает их загрязнение: допустимое, если концентрация их в воде (С) не превышает предельно допустимые нормы (ПДК); не допустимое (что и принято называть загрязнением) если С > ПДК.

А - зона загрязнения воды в пределах нормативов;

В - зона сверхнормативного загрязнения.

Рис. 6.10 Схема выявления загрязнения воды биогенным веществом

В отношении биогенных веществ, при оценке загрязненности, учитываются естественные (фоновые) концентрации (Сф) веществ. Если концентрация биогенного вещества меньше фоновых значений С?Cф - загрязнения нет. Загрязнение считается допустимым в случае Сф < С ? ПДК (в ряде случаев естественные фоновые концентрации Сф могут быть больше ПДК, тогда для водной экосистемы загрязнения не происходит если ПДК < С ? Cф, однако по условиям использования воды для нужд человека она считается загрязненной). Загрязнение не допустимое (или сверхнормативное) если ПДК < С.

Различают: химическое, физическое и биологическое загрязнение.

-

Химическое загрязнение - изменение естественных химических свойств среды, за счет увеличения в ней вредных минеральных примесей и примесей органической природы. Химическое загрязнение влияет на процессы фотосинтеза водных растений, делает воду не пригодной для жизнеобитания рыб и использования воды человеком. Основными минеральными загрязнителями являются соединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути, хрома, меди, фтора, неорганические кислоты и основания. К органическим загрязнителям относятся такие вещества, как: нефтепродукты, поверхностно-активные вещества (ПАВ), синтетически поверхностно-активные вещества (СПАВ), пестициды. Они также, как и минеральные загрязнители, оказывают существенное влияние на состояние водных объектов. Например, осаждаясь на дне, задерживают развитие донных микроорганизмов (бентоса), участвующих в процессе самоочищения вод. Разложение органических веществ, особенно в анаэробных условиях, ведет к образованию вредных соединений, таких как сероводород, метан; причем их разложение снижает содержание растворенного в воде кислорода, необходимого для водных организмов. Органическое загрязнение ухудшает органолептические свойства воды (в частности уменьшается прозрачность, что снижает проникновение солнечных лучей в водную толщу) необходимые для фотосинтеза растений. ПАВ (к которым относятся: жиры, масла, смазочные материалы) и СПАВ (обширная группа соединений, к которым относятся: соли сернокислых эфиров и сульфокислот, аммониевые соли, эмульгаторы, входящие в состав инсектицидов, фунгицидов, гербицидов и дефолиантов) - образуют на поверхности воды пленку, которая препятствует газообмену между водой и атмосферой, что снижает степень насыщенности воды кислородом.



Степень опасности: 0 - отсутствует; 1 - очень слабая; 2 - слабая;

3 - сильная; 4 - очень сильная

Рис. 6.11 Степень токсичности химических веществ, для представителей водной биоты /works.tarefer.ru/

Загрязняющие вещества представляют собой опасность для живых организмов, степень, которой зависимости и от вида организма и от самого загрязнителя (рис.6.11).

- Физическое загрязнение - изменение физических параметров среды. Физическое загрязнение делится на механическое, тепловое и радиоактивное. Механическое загрязнение связано с поступлением в воду твердых взвешенных веществ, которые повышают мутность, снижается прозрачность, что уменьшает толщу воды, в которой развиваются водные растительные организмы. Взвешенные вещества забивают дыхательные пути животных организмов. Осаждаясь на дне, ухудшают условия обитания бентоса. Тепловое загрязнение связано с поступлением теплых сбросных вод от электростанций, промышленности и коммунально-бытового хозяйства. Это вызывает ускорение процессов разложения органики, снижение содержания растворенного кислорода, увеличение биомассы сине-зеленых водорослей. Изменение температурного режима сопровождается ухудшением условий перезимовки организмов и активизацией процессов вторичного загрязнения вод. Радиационное загрязнение вод происходит в результате поступление в них радиоактивных веществ. Радионуклиды могут попасть в водный объект:

o со сточными водами, в случае захоронения отходов на дне водного объекта;

o при вымыве радионуклидов поверхностным и грунтовым стоком с зараженной площади водосбора;

o в результате взаимодействия подземных вод с радиоактивными горными породами или местами захоронений радиоактивных отходов.

В водном объекте, радиоактивные вещества поглощаются гидробионтами (растениями и животными) непосредственно из воды и передаются по пищевой цепи: водоросли зоопланктон организм моллюсков, ракообразных, рыб. Радиация приводит к ослаблению организма, замедлению роста, снижению воспроизводства, поражению генов, что проявляются во втором или третьем поколения. Радионуклиды способны накапливаться в водных объектах, вызывая необратимые эффекты. Наиболее вредны радиоактивные элементы с большим периодом распада, обладающие повышенной способностью к передвижению в воде (стронций-90, уран, радий-226, цезий и др.).

- Биологическое загрязнение - привнесение в среду и размножение в ней нежелательных для человека организмов. Биологическое загрязнение может быть разделено на микробное (или бактериологическое), ботаническое и зоологическое. Бактериологическое загрязнение вызывают главным образом бытовые сточные воды и стоки некоторых промышленных предприятий (бойни, кожевенные заводы, фабрики первичной обработки шерсти, меховые производства, биофабрики, предприятия микробиологической промышленности и др.), а также стоки животноводства. Ботаническое и зоологическое загрязнение связано с появлением в водных объектах не свойственных им видов растительных и животных организмов, которые создают сильную конкуренцию благородным видам, вытесняя их. Это ведет к нарушению пищевых цепей, снижению видового состава и устойчивости водных экосистем.

Различают также:

- первичное загрязнение - поступление в водные объекты загрязняющих веществ извне;

- вторичное загрязнение - загрязнение вод в результате превращения внесенных ранее загрязняющих веществ, массового развития организмов или разложения мертвой биологической массы, происходящее за счет внутри водоемных процессов.

Рис. 6.12 Классификация загрязнений водной среды

Рис. 6.13 Функция гидрохимического равновесия между концентрацией вещества в воде и донном грунте

Биохимические реакции, при вторичном загрязнении, связаны с процессами десорбции веществ из донного грунта в воду или минерализации мертвого органического вещества. Десорбция веществ донным грунтом является процессом противоположным сорбции, в результате которого вещества из воды поглощаются грунтом. Два данных процесса разграничиваются состоянием гидрохимического равновесия, которое может смещаться в ту или другую сторону, например, при изменении температурных условий. Повышение температуры приводит к снижению сорбционной способность грунтов, при снижении температуры - повышается.

Зависимость гидрохимического равновесия показывает, какая концентрация вещества устанавливается в водной толще при определенной загрязненности данным веществом донного грунта и наоборот. В случае (А) поступления в воду загрязняющего вещества, его концентрация становится равной С¹_в, что выше равновесного состояния, поэтому донный грунт начинает сорбировать данное вещество из воды. В результате его концентрация в воде снижается до С²_в, а концентрация данного вещества в донном грунте увеличивается с Сг1 до Сг2_. В данном случае происходит самоочищение воды.

В случае (Б) концентрация загрязняющего вещества в воде меньше равновесной. В результате происходит вторичное загрязнение воды, когда концентрация увеличивается от Св' до Св''_, за счет того, что в результате десорбции, вещество выходит их донного грунта в воду. В донном грунте концентрация снижается с Сг' до Сг''_.

Мертвое органическое вещество подвергается минерализации, в результате чего оно разлагается на минеральные составляющие, углекислый газ и воду. Скорость разложения зависит от многих факторов, таких как: температура воды, содержание растворенного кислорода.



Рис. 6.14 Вид зависимости скорости разложения органического вещества в воде от температуры и содержания растворенного кислорода

При нулевой температуре, температуре замерзания пресной воды, разложение практически прекращается. Увеличение температуры до +3..4С приводит к резкому увеличению скорости разложения. Дальнейшее повышение температуры сопровождается относительно равномерным увеличением скорости разложения органики.

Влияние растворенного в воде кислорода на скорость разложения, имеет несколько иной вид. Связано это с тем, что при практически полном отсутствии кислорода в воде, разложение происходит в анаэробных условиях в результате протекания таких процессов, как гниение и брожение. Увеличение концентрации растворенного кислорода приводит к возрастанию роли аэробных процессов, которые характеризуются более высокой, чем анаэробные, интенсивностью разложения. Скорости разложения достигают 100% при содержании кислорода на уровне предела насыщения.

Таким образом, при увеличении температуры воды и содержания в ней растворенного кислорода активно протекают процессы самоочищения воды от органических веществ, но это приводит к вторичному загрязнению воды минеральными загрязнителями.

1.4.3 Засорение водных объектов

Засорение водных объектов - это поступление в водные объекты трудно разлагаемых предметов, ухудшающих состояние и затрудняющих использование водных объектов.

Засорение водных объектов вызывает:

§ ухудшение состояния водного объекта из-за влияния мусора на условия обитания водных организмов, созданием препятствий на пути миграции животных организмов. Большая часть предметов, поступающих в виде мусора, выделяет в воду загрязняющие вещества. Например, затонувшая при лесосплаве древесина выделяет в воду ряд биогенных веществ;

Табл. 6.5

Количество веществ поступающих в воду за год из тонны затонувшей древесины, кг

ХПК	NH4	NO3	Рмин.	Робщ.
16.4	0.38	0.08	0.18	0.42

ХПК - общее содержание органического вещества; NH₄ - ион аммония; NO₃ - нитраты; Робщ - общее содержание в воде всех форм фосфора; Рмин. - минеральные формы фосфора.



Рис. 6.15 Изменение рН речной воды в зависимости от времени экспозиции затонувшей древесины. (При массовом лесосплаве теряется до 10% древесины).

§ образование заторов и переработка берегов;

§ ухудшение условий водопользования и водопотребления (засорение приводит к потере рекреационной ценности, невозможности судоходства и лесосплава, удорожание водозабора и т.д.);

§ деградация водных объектов (заторы снижают скорости потока воды, что вызывает заиление, зарастание водных объектов и может активизировать процессы болотообразования).

1.4.4 Деградация водных объектов

Деградация - процесс ухудшения характеристик объекта с течением времени. Масштабное и прогрессирующее ухудшение характеристик водного объекта (снижение качества воды, снижение биопродуктивности, в том числе и рыбопродуктивности, заиление, зарастание) связано с антропогенной деятельностью. Качественные закономерности, характеризующие особенности поведения экосистем в процессе деградации, могут быть выражены тремя постулатами.

1. Структура экосистемы изменяется быстрее, чем видовой состав X.

2. Функциональная активность F экосистемы (внешнее проявление ее свойств) меняется медленнее, чем изменяется состав X, и еще медленнее, чем структура . При снижении видового состава экосистемы, ресурсы среды обитания распределяются между оставшимися популяциями, которые полнее реализуют свой биотический потенциал (способность вида противостоять неблагоприятным воздействиям внешней среды). Это ведет к увеличению численности уцелевших популяций. Данный механизм позволяет экосистеме сохранять внутренние параметры состояния и относительно медленно трансформировать функционирование.

3. Надежность функционирования экосистемы F (экологическая упругость) сохраняется даже при изменении, до определенного предела, видового состава X и структуры . Фактический видовой состав характеризуется долей сохраненного числа видов организмов в экосистеме:

Р_х = Х/Х_мах,

где Рх -- вероятность (доля) сохранения исходного видового состава; X --фактическое число видов; X_мах -- исходное число видов в экосистеме.

Структура экосистемы характеризуется степенью сохранения межвидовых взаимосвязей:

Р = /_max,

где Р, -- вероятность (доля) сохранения исходных межвидовых взаимосвязей; -фактическое число взаимосвязей; = С²_х = X*(X-X₁)/2; С²_х - число двойных сочетаний из Х элементов; _max - исходное число межвидовых взаимосвязей.

Экологическая упругость определяется взаимосвязанными факторами (Состав и структура), нарушение которых приводит к отказу функционирования экосистемы, рассчитывается по схеме зависимых событий:

F=1-Q_x*Q =P_x+P- P_x*P

F -- надежность функционирования, т.е. вероятность (доля) сохранения исходных свойств (требований) экосистемы в изменившейся обстановке; Q_x -- вероятность (доля) изменения исходного видового состава экосистемы, Q_{x =} 1 - Р_х; Q -- вероятность (доля) нарушения исходных межвидовых взаимосвязей в экосистеме, Q= 1 -- Р.

Рассмотрим состояния экосистемы, находящейся на различных стадиях деградации (рис.6.16, 6.17).

Неповрежденная экосистема характеризуется стабильным видовым составом, структурой и функционированием: Х₀=const; ₀= const; F₀=const.

Первая стадия разрушения (стадия релаксации) - потеря 20...40 % видового состава и разрыв 40...60% исходного числа связей Функциональная активность изменяется несущественно (F 8...28%), что позволяет экосистеме сохранять устойчивость: Х₁=(80…60%)Х₀; ₁=(60…40%)₀; F₀F₁ const. Темпы разрушения структуры вдвое превышают, а темпы снижения функциональной активности на 40 % отстают от темпов изменения видового состава экосистемы. Восстановление звеньев, утерянных на этой стадии разрушения, еще существенно не перестраивает экосистему, т. е. изменения в ней обратимы. Экосистема находится в квазиустойчивом состоянии, соответствующем темпам когерентной (постепенной) эволюции, при которой прежние виды плавно вытесняются новыми, более приспособленными к изменившимся условиям среды.

В период релаксации экосистемы под воздействием человека происходит выпадение ряда видов. Однако система в целом и на уровне трофических группировок существенно не изменяет ее пейзажность и величины, характеризующие скорость новообразования органического вещества. Внешне система кажется мало измененной, но заметно снижаются ее сопротивляемость и иммунитет к загрязнению, возрастает вероятность "заболевания".

Вторая стадия разрушения (стадия вырождения, или деэволюции)- существенное обеднение видового состава (40...100%), дальнейший разрыв структурных связей (60...100%) и резкое снижение (28...100%) функциональной активности экосистемы:

Х₂=(60…0%)Х_{0 2}=(40…0%)₀; F2=(72...0%)F₀

Рис. 6.16 Изменение видового состава экосистемы на разных стадиях деградации

Рис. 6.17 Изменение биомассы экосистемы на разных стадиях деградации

Темпы сокращения структурных связей (~ 88%) опережают, а темпы снижения функциональной активности (~ 66%) отстают от темпов изменения видового состава экосистемы, хотя разрыв между ними по сравнению с предыдущей стадией разрушения экосистемы сокращается. В целом, на стадии вырождения, темпы разрушения экосистемы катастрофически велики (66...88%), почти вдвое превышает соответствующие показатели для стадии релаксации. Восстановление звеньев, утерянных на этой стадии разрушения экосистемы, естественным порядком практически невозможно (изменения необратимы). Взамен вымирающих видов в экосистему устремляются менее организованные, но индивидуально более устойчивые виды. Устойчивость экосистемы в целом теряется, что соответствует некогерентной эволюции (деволюции).

В период деволюции происходит дальнейшее, по сравнению со стадией релаксации, выпадение видов. Нарушение структуры затрагивает компенсаторные механизмы. Вследствие этого наблюдается существенное изменение величин функциональных показателей, относящихся к различным трофическим группировкам. Существенно меняется пейзажность системы. Происходит выпадение крупных форм и заметное изменение биомассы. Особенно информативным в период второй стадии оказывается не столько снижение суммарной биомассы сообщества в целом, сколько сопоставление интегральных биомасс организмов различных трофических уровней.

В стадии релаксации биоценоз обедняется видами конечных звеньев трофической цепи (50 % - хищников, 40 % - зоофагов и 15 % -фитофагов) при общем сохранении уровня биомассы и продуктивности всех трофических уровней экосистемы.

В стадии деволюции наблюдается обеднение видового богатства всех трофических цепей. Доля обеднения возрастает от первичных продуцентов к хищникам: 10% - первичных продуцентов; 30% -фитофагов; 60% - зоофагов и100% - хищников. При этом одновременно снижается продуктивность трофической цепи и ее биомасса, что неизбежно меняет пейзажность экосистемы.

На основе сказанного можно сделать следующие выводы. Антропогенное воздействие на водные объекты (), например загрязнение, приводит к обеднению их видового состава Х=f(), что сопровождается нарушением структуры =f(Х) и снижением устойчивости экосистемы, и как результат - снижение уровня функционирования системы F=f(Х,). Таким образом, учитывая первопричину происходящих изменений, приходим к закономерному выводу: антропогенное воздействие вызывает деградацию экосистемы F=f() (табл.6.6).

Табл.6.6

Критерии химического загрязнения и состояние водной экосистемы

Признаки	Деволюция	Релаксация	Неповрежденная экосистема
Кратность превышения ПДК веществ для классов опасности: I-II III-IV	>10 >100	5-10 50-100	<1 <1
Нефть и нефтепродукты	Пленка темной окраски, занимающая 2/3 обозримой площади	Яркие полосы или пятна тусклой окраски	Отсутствуют
Растворенный кислород, %	10-20	20-50	>80
Нитриты (n*ПДК)	>10	>5-10	<1
Нитраты (n*ПДК)	>20	>10-20	<1
Аммоний (n*ПДК)	>10	>5-10	<1
Фосфаты (n*ПДК)	>0.6	0.3-0.6	<0.03

1.5 Формирование загрязнения поверхностных и подземных вод

1.5.1 Классификация источников загрязнения

Источники загрязнения водных ресурсов классифицируются по следующим признакам.

v По источнику формирования загрязнения. Загрязняющие вещества поступают в водный объект, главным образом, с потоками воды, которые образуются:

§ на промышленных предприятиях (заводы, фабрики, энергетические станции, транспортные организации и др.);

§ на сельскохозяйственных угодьях и в животноводстве;

§ в коммунально-бытовом хозяйстве (процесс использования воды в бытовых и рекреационных условия).

Потоки загрязняющих веществ могут образоваться при выпадении дождей или таянии снега на селитебных территориях (в городах и населенных пунктах, на автодорогах, на территории свалок и т.п.).

v По характеру поступления в водный объект: сосредоточенные и площадные.



Рис. 6.18 Схемы сосредоточенного и площадного источника воздействия на водный объект

где G - объем веществ, Wвв - объем сточных вод, L - длина фронта поступления веществ в водный объект, g - интенсивность поступления веществ, g=G/(W*L).

К сосредоточенным источникам загрязнения относятся канализованные сточные воды, например: стоки городской канализации, промышленности, рыбного прудового хозяйства, дренажный сток с осушаемых земель. Площадные (рассредоточенные) источники, это не канализованные объекты, с которых загрязняющие вещества вымываются в водный объект в результате выпадения осадков, таяния снега или проведения поливов (например, сельскохозяйственные орошаемые и богарные земли, свалки)

v По продолжительности воздействия: залповые, периодические, постоянные. Продолжительность поступления загрязняющих веществ в водный объект зависит от режима поступления загрязняющих веществ. Залповые поступление происходят в том случае, если между периодами поступления веществ в водный объект проходит время достаточное для того, чтобы за счет самоочищающей способности практически устраняется эффект предыдущего воздействия. К таким источникам загрязнения относятся, например, селитебная территория, на которой формируется поверхностный сток после выпадения осадков, аварийные ситуации в водном транспорте. При периодическом режиме поступление веществ в водный объект происходит за время, которое проходит от окончания очередного сброса до начала следующего, эффект воздействия не успевает устраниться за счет самоочищающей способности воды. Примером таких источников загрязнения могут быть промышленные предприятия при односменной работе. Постоянный сброс происходит практически непрерывно, что характерно для коммунально-бытового хозяйства, промышленности.

Рис. 6.19 Изменение во времени концентрации загрязняющих веществ в месте поступления загрязненных вод в водный объект

v По масштабу воздействия: локальные, катастрофические.

Локальные источники оказывают загрязняющее воздействие, приводящее к изменению качества воды, в то время как катастрофические приводят к ухудшению состояния водного объекта.

Рис. 6.20 Изменение устойчивости водной экосистемы в зависимости от загрязненности воды

Загрязненность оценивается индексом загрязнения воды ИЗВ = , где Ci, ПДКi - соответственно, фактическая и предельно допустимая концентрация i-го загрязняющего вещества в воде, n - количество загрязняющих веществ, используемых для оценки качества воды. А, В, С - зоны кризисности экосистемы. А - зона обратимых изменений, соответствует классу качества воды: «чистая». В - пороговая зона, класс качества воды «умеренно загрязненная». С - зона необратимых изменений, включает классы качества «загрязненная» - «грязная».

Локальное загрязнение на отдельном участке водного объекта может привести к значительному ухудшению качества воды, но при этом сохраняется устойчивость водной экосистемы, т.е. способность противостоять внешним и внутренним процессам которые нарушают структуру и нормальное функционирование системы. Катастрофическое воздействие приводит к увеличению очага поражения, в результате начинается деградация водной экосистемы.

Рис. 6.21 Воздействия, вызываемые локальным и катастрофическим источниками загрязнения

Влияние локального источника устраняется за счет самоочищающей способности (б), что ограничивает поражаемый участок (1-2). Катастрофическое воздействие не устраняется, приводит к переходу системы на качественно новый уровень функционирования. Может сопровождаться активизацией процессов вторичного загрязнения (а).

1.5.2 Гидрохимические балансы для участка реки

Гидрохимический баланс - это сопоставление объемов веществ, поступающих в водный объект или образовавшийся в нем в результате внутри водоемных процессов, с объемами веществ, удаляемыми из водного объекта и подвергающихся процессам самоочищения.

Гидрохимические балансы предназначены:

§ для оценки качества водных ресурсов;

§ планирования водоохранных мероприятий и мероприятий по улучшению качества воды;

§ выявления источников загрязнения вод;

§ анализа процессов формирования качества вод;

§ определения интенсивности процессов самоочищения.

В уравнении гидрохимического баланса учитываются факторы внешнего воздействия и внутри водоемные процессы, влияющие на изменение концентрации вещества в водном объекте. К факторам внешней среды относятся: поступление веществ со стороны водосбора с поверхностным и подземным стоком, водопотребление, с которым забирается некоторый объем воды и содержащиеся в нем вещества, поступление веществ с возвратными водами после хозяйственного использования воды. К внутри водоемным процессам относятся: самоочищение воды, вторичное загрязнение, самоочищение водного объекта. Самоочищение воды - это снижение концентрации вещества в воде за счет перехода его из одной формы в другую. Например, органическое вещество в воде разлагается в процессе минерализации. Таким образом, концентрация органического вещества снижается за счет перехода органической формы в минеральную. Напротив, вещество, находящееся в воде в минеральной форме может быть поглощено растениями, что также приводит к снижению его концентрации в воде, за счет перехода вещества из минеральной формы в органическую. Самоочищение воды не ведет к снижению объемов вещества в водном объекте, происходит только снижение его концентрации. Самоочищение водного объекта сопровождается выходом вещества из биотического круговорота: вынос на заливные луга, захоронение веществ в толще донных отложений (вовлечение в геологический круговорот), отложение их в старицы.

Внешнее воздействие различных источников загрязнения необходимо учитывать в инженерных расчетах. Внутри водоемные процессы, в частности процессы самоочищения, могут учитываться или не учитываться. Это зависит от стадии и детальности разработки.

Загрязняющие вещества с водосборной территории поступают от сосредоточенных источников загрязнения в объеме возвратных вод (Qвв) с концентрацией (Свв) и площадных, в объеме поверхностного Qп (концентрация Сп) или подземного Qпод стоков (концентрация Спод). На рассматриваемом участке может впадать приток, который оказывает сосредоточенное воздействие (Qпр, Спр). Уравнение водного баланса для участка реки между створами 1 - 2 имеет вид (рис. 6.22).

Уравнение водохозяйственного баланса

Qрек.2 = Q рек.1 + q_под* Lпод + q_п * Lп + Qпр + Qвв - Q _, (6.2)

где q_п - удельный объем поверхностного стока с водосборной площади на единицу длины береговой линии (q_п = Qп/Lп), м³/м; q_под - удельный объем подземного стока с водосборной площади на единицу длины береговой линии (q_под =Qпод/Lпод), м³/м; Qрек.1, Qрек.2 - соответственно, объемы стока воды в реке в начальном и конечном створах, м³; Qпр _- объем воды в притоке реки, м³; Qвв - объем возвратных вод, м³; Q - объем водопотребления, м³.

Гидрохимический баланс, для конкретного загрязняющего вещества, можно записать в следующем виде (рис. 6.23).

Рис. 6.23 Схема для составления гидрохимического баланса участка реки

Qрек.2*Срек.2 = Q рек.1*Срек.1 +q_под* Lпол*Спод + q_п * Lп*Сп +

+ Qвв*Свв +Qпр *Спр - Q *Сх_, (6.3)

где С - концентрации загрязняющего вещества в стоках, г/м³; Cх - концентрация воды в реке на расстоянии х откуда происходит водозабор.

Записанное выражение гидрохимического баланса из всех внутриводоемных процессов учитывает только процесс разбавления загрязненных стоков чистой речной водой. Однако и в этом случае возникают трудности определения концентраций веществ в произвольной точке, что связано с различным влиянием сосредоточенных и площадных источников воздействия.

1.5.3 Учет самоочищающей способности воды

Самоочищение воды происходит в соответствии с принцип Лешателье -- Брауна (принцип тормозящего противодействия) -- внешнее возмущающее воздействие, оказываемое на систему, и выводящее ее из состояния равновесия, стимулирует внутренние процессы, которые стремятся вернуть равновесное состояние. В инженерной практике возникает необходимость учета самоочищающей способности воды в пространстве (если необходим прогноз распространения загрязнений от места сброса вниз по течению реки), или во времени (для прогноза изменения концентрации в конкретной точке водного объекта по прошествии определенного времени с момента сброса сточных вод).

Рассмотрим пространственную модель. Для сосредоточенного источника загрязнения, изменение концентрации (С), на расстоянии (х) от места сброса сточных вод, описывается дифференциальной зависимостью первого порядка:

(6.4)

где k - коэффициент самоочищения, 1/км.

Рис.6.24 Схема пространственной модели для точечного источника загрязнения.

Решение уравнения (6.4) при граничном условии С(х=0) = Со и учете фонового содержания рассматриваемого вещества в реке Ср, имеет вид:

Сх = Ср + Со*ехр(-к*х), мг/л (6.5)

где Сх - концентрация веществ на расстоянии (х) от места сброса, Со - начальная концентрация вещества в водном объекте в месте сброса сточных вод.

Для площадного источника загрязнения, изменение концентрации (С), на расстоянии (х) от начала поступления загрязнений, в пределах всей зоны поступления (L) загрязненных стоков, описывается зависимостью:

 (6.6)

Рис. 6.25 Схема пространственной модели для площадного (диффузионного) источника загрязнения

Решение уравнения (6.6) при граничном условии С(х=0) = Ср, где Ср - фоновая концентрация рассматриваемого вещества в реке, имеет вид:

, мг/л (6.7)

где q - интенсивность поступления веществ, кг/м³*м; ; G - объем веществ поступающих в реку на участке L.

1.5.4 Гидрохимический баланс взвешенных веществ

Взвешенные вещества присутствуют в водных объектах в виде: глинистых и песчаных частиц ила, суспензий органических и неорганических веществ. Концентрация взвешенных частиц изменяется по сезонам года, что связано: с режимом поверхностного стока с водосборной площади, зависит от грунтов ложа водного объекта, антропогенного воздействия.

Взвешенные частицы влияют на прозрачность воды и проникновение в нее света, на температуру, состав растворенных компонентов поверхностных вод, адсорбцию токсичных веществ, а также на состав и распределение отложений и на скорость осадкообразования.

Баланс веществ (6.8)

Водный баланс W = W1 + Wбп + Wвв - W - W2 (6.9)

где - соответственно, объемы веществ, поступающие и выходящие с рассматриваемого участка; -объемы веществ, поступающие в водный объект с поверхностным стоком (после выпадения дождя, таяния снега, поливки улиц); - вещества выносимые на поймы, откладывающиеся в старицах; - объем веществ, осаждающийся в виде донных отложений; W1, W2 - объемы стока на входе и выходе с рассматриваемого участка; Wбп - объем боковой приточности на участке, равный сумме объемов поверхностного и подземного стока (Wбп=Wпс+Wгс); Wвв, -объемы возвратных вод и водопотребления на участке.

Невязка баланса Gвзв равна нулю для среднемноголетних условий. В конкретный год невязка может иметь как положительный, так и отрицательный знак. В случае Gвзв ? 0 объем взвешенных веществ на рассматриваемом участке изменяется за счет изменения концентрации или объемов воды. Концентрация вещества на входе в рассматриваемый участок составляет Свзв1=G ¹взв/W1. Концентрация вещества на участке составит

(6.10)

Внешние факторы в уравнении баланса веществ представлены потоками со стороны водосборной площади (поступление веществ с поверхностным стоком и возвратными водами) и отбором воды на водопотребление, поступление веществ с атмосферными осадками. Внутри водоемные процессы отражены составляющими учитывающие осаждение веществ на дно (самоочищение воды) или транспорт донных отложений (вторичное загрязнение), а также вынос веществ на поймы или в старицы (самоочищение водного объекта).

1.5.5 Гидрохимический баланс органических веществ

Органические вещества присутствуют в водных объектах в виде: глинистых и песчаных частиц ила, суспензий органических и неорганических веществ. Содержание органических вещества в водных объектах зависит: от количества мертвого органического вещества (МОВ), к которому относятся продукты жизнедеятельности гидробионтов и их остатки после гибели; поступления органических веществ с атмосферными осадками, поверхностными и подземными стоками с водосбора; поступления со сточными водами промышленности, коммунально-бытового хозяйства и т.п.

Органические вещества присутствуют в воде в растворенном, коллоидном и нерастворенном виде. Наиболее распространенными органическими загрязнителями являются: нефтепродукты, бензол, ПАВ, СПАВ и др. Влияние их на водные объекты, особенно в концентрациях 0.001-10 мг/л, и человека многогранно. Они оказывают токсическое действие, поражая сердечно-сосудистую и нервную системы. Их присутствие сказывается на развитии водной растительности, ухудшаются органолептические свойства воды. Покрывая поверхность водного объекта пленкой, они затрудняют газообмен с атмосферой, что приводит к снижению концентрации кислорода.

(6.11)

Внутри водоемные процессы отражены разложением органического вещества (самоочищение воды), выносом веществ на поймы или в старицы (самоочищение водного объекта).

1.5.6 Гидрохимический баланс биогенных и небиогенных минеральных веществ

Биогенные вещества необходимы живым организмам для роста и развития (нитратный и аммонийный азот, фосфаты, углерод, железо, кальций, калий, сульфаты, цинк и др). Пути поступления их в водный объект, такие же, как и органических соединений. Повышение концентрации биогенов в воде приводит к повышению биологической продуктивности, что является причиной эвтрофирования водных объектов.

...