Гидроэкология

Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

Е.В. Логинова, П.С. Лопух

ГИДРОЭКОЛОГИЯ

Курс лекций

МИНСК

БГУ

2011

Рецензенты:

Доктор географических наук, профессор А.А. Волчек;

Доктор географических наук, главный научный сотрудник Института природопользования НАН Беларуси Т. И. Кухарчик

В курсе лекций рассматриваются вопросы экологии водных объектов, особенности их режима, качественные характеристики их вод.

Предназначается для студентов географического факультета БГУ специальности гидрометеорология

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. ГИДРОЭКОЛОГИЯ В СИСТЕМЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И ГЕОГРАФИЧЕСКИХ НАУК

1.1. Гидроэкология как самостоятельная наука

1.2. Предмет и задачи гидроэкологии

1.3. История развития гидроэкологии

1.4. Основные методы гидроэкологии

Глава 2. ГИДРОСФЕРА

2.1. Вода как среда обитания

2.2. Общая характеристика гидросферы

2.3. Водные ресурсы и их особенности

2.4. Происхождение воды и гидросферы

2.5. Круговороты веществ

Глава 3. ЭКОСИСТЕМЫ. ОСНОВНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ

3.1. Экосистемы

3.2. Основные законы и принципы гидроэкологии

Глава 4. АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ГИДРОСФЕРУ

4.1. Водопотребители и водопользователи

4.2. Использование воды в мире

4.3. Использование воды в РБ

4.4. Причины, источники и последствия загрязнения воды

4.5. Понятие о загрязняющих веществах, типы загрязняющих веществ

4.6. Загрязнение воды и здоровье

Глава 5. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

5.1. Понятие «экологическая безопасность»

5.2. Понятие воздействия на водную среду

5.3. Оценка экологической безопасности

Глава 6. ОХРАНА И ЗАЩИТА ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

6.1. Охрана и защита водных ресурсов

6.2. Способы очистки сточных вод

6.3. Экономическая оценка водных ресурсов и плата за ущерб

Глава 7. МОНИТОРИНГ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

7.1. Определения и классификация систем мониторинга окружающей среды

7.2. История мониторинга

7.3. Система мониторинга в Беларуси

Глава 8. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УЧЕТ ВОД И ВОДНЫЙ КАДАСТР БЕЛАРУСИ

Глава 9. КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ

Глава 10. ОБЩИЕ И СУММАРНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ВОД

10.1 Физические свойства воды

10.2. Общие химические показатели качества вод

Глава 11. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА В ВОДНОЙ СРЕДЕ

11.1. Классификация химических элементов

11.2. Макроэлементы

11.3. Микроэлементы в природных водах

Глава 12. ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА В ВОДНЫХ СИСТЕМАХ

Глава 13. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА

13.1. Основные группы гидробионтов

13.2. Фитопланктон

13.3. Зоопланктон

13.4. Бактериопланктон

13.5. Бентос

13.6. Высшая водная растительность (макрофиты)

13.7. Самоочищение

13.8. Первичная и вторичная продукция

13.9. Пищевые цепи и экологические пирамиды

13.10. Сукцессии

13.11. Критерии оценки качества вод по данным гидробиологического анализа

13.11.1. Оценка качества экосистемы по соотношению показателей обилия

13.11.2. Оценка качества экосистемы по индексам видового разнообразия

13.12.3. Классификация водоемов и биоценозов по сапробности

13.12.4. Оценка качества экосистемы по соотношению количества видов, устойчивых и неустойчивых к загрязнению

13.12.5. Интегральные критерии: оценка качества экосистем по нескольким показателям

Литература

Введение

В цикле гидрологических наук экология занимает одно из ведущих положений. Во многих университетах страны со сtредины 80-х годов наряду с курсом «Общая экология», «Экология», «Геоэкология» на природоведческих факультетах читаются общие профессиональные курсы с учетом специфики специальности. Так, для гидрогеологов читается курс «Экологическая гидрогеология», «Экологическая геохимия», и др. Внутри многих наук сформировались научные направления, занимающиеся проблемами экологии и охраны окружающей среды. Процесс формирования прикладных направлений продолжается.

Специальный курс «Гидроэкология» читается для студентов производственного направления «Гидрометеорология» в рамках специальности «География». В курсе рассматриваются как общие вопросы экологии гидросферы, так и региональные особенности водоемов и водотоков Беларуси. В отличие от других направлений «Гидроэкология» имеет свой объект и предмет исследования. Однако, авторам пока не удалось отойти от общих вопросов экологии. Поэтому отдельные вопросы гидроэкологии включают общие вопросы экологии, основные законы и постулаты экологии (Реймерс Н.Д).

В учебном пособии сделана попытка на фоне вопросов общей гидроэкологии рассмотреть вопросы гидроэкологии малых озер, водохранилищ и рек Беларуси. Поэтому данный курс следует рассматривать, как и курс региональной гидроэкологии. В связи с этим наряду со сформировавшимися новыми направлениями в белорусской лимнологической школе «Лимнология», «Озероведение», «Гидрология водохранилищ», «Гидрология прудов» целесообразно выделить и самостоятельные гидроэкологические курсы регионального плана: «Гидроэкология озер», «Гидроэкология водохранилищ», «Гидроэкология прудов», «Гидроэкология рек». В совокупности они представляют собой самостоятельные разделы «Гидроэкологии».

При изучении гидроэкологических вопросов водотоков и водоемов они рассматриваются в тесной связи с водосбором. «Водосбор - водоем (водоток)» представляют единую гидроэкосистему. «Гидроэкосистема» - понятие, отражающее целостность водоема или водотока, характеризующее взаимосвязь с водосбором, единство процессов, протекающих в них. Поэтому гидроэкология как самостоятельная наука наряду со специальными гидрологическими, использует все методы исследований, используемых в физической географии.

Процесс формирования гидроэкологии как самостоятельного курса продолжается и будет развиваться параллельно гидрологии и гидрологии отдельных водоемов. Поэтому авторы просят высказать свои замечания и пожелания по содержанию курса, которые будут учтены авторами в дальнейшей работе.

гидроэкология защита водные ресурсы экологический мониторинг

Глава 1. ГИДРОЭКОЛОГИЯ В СИСТЕМЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И ГЕОГРАФИЧЕСКИХ НАУК

1.1 Гидроэкология как самостоятельная наука

Истоки гидроэкологии уходят в далекое прошлое и связаны с необходимостью добычи пищи на стадии становления и развития человеческого общества, со становлением и формированием экологии и геоэкологии. Термин экология (экос - дом, логос - учение, гр.) в науку ввел немецкий биолог Эрнест Геккель. В 1866 году в работе "Всеобщая морфология организмов" он писал: “...суммы знаний, относящихся к экономике природы: изучению всей совокупности взаимоотношений животного с окружающей его средой, как органической, так и неорганической, и, прежде всего - его дружественных или враждебных отношений с теми животными и растениями, с которыми он прямо или косвенно вступает в контакт".

Это определение позволяет отнести экологию к биологическим наукам. В последующем, содержание понятия экологии многократно расширялось. Под ней стали понимать науку, изучающую среду обитания всех живых существ, включая человека. Иногда уместно ограничить содержание экологии лишь природной средой. В этом случае гидроэкологию можно рассматривать как «водную экологию». Воздействуя на водные объекты и изменяя их, человек тем самым меняет условия существования не только растений и животных, но и самого себя, человек сам попадает под воздействие производства и измененной природы. Потому правомерно рассматривать всю окружающую человека среду.

И не только природную, но также социальную и производственную. Поскольку взаимодействие организмов между собой и окружающей их средой всегда системно, то есть всегда реализуется в форме некоторых систем взаимосвязей, поддерживающихся обменом вещества, энергии и информации. Поэтому основным объектом исследования гидроэкологии являются водные экосистемы. Самой крупной в иерархии экосистем в гидроэкологии является гидросфера, в экологии - биосфера.

Учение о биосфере - это обширная область знания о функционировании и развитии биосферы, включающая в себя целый ряд научных направлений естественнонаучного и общественного профиля. Учение о биосфере в том числе включает в себя общую экологию, которая состоит из четырех основных разделов: биоэкологии, геоэкологии, экологии человека и прикладной экологии (рис.1.1.).

Гидроэкология представляет собой часть географической экологии, но на качественно более высоком уровне. Гидроэкология - результат дифференцирования общей экологии и геоэкологии, процесса характерного для большинства естественных наук. Многие научные исследования в настоящее время проводятся на стыке гидрологии, биологии, экологии, географии. Поэтому можно характеризовать гидроэкологию как результат интеграции этих наук.

Биоэкология состоит из экологий естественных биологических систем: особей, видов (аутоэкология), популяций и сообществ (синэкология) и экологии биоценозов. Эволюционная экология рассматривает экологические аспекты эволюции биологических систем.

Рис 1.1. Структура общей экологии (по В.Ф. Попову)

Геоографическая экология (геоэкология) изучает биосферные оболочки Земли, в том числе подземную гидросферу, как компоненты окружающей среды, минеральную основу биосферы и происходящие в них изменения под влиянием природных и техногенных процессов. Геоэкологические исследования носят комплексный характер и включают в себя изучение ландшафтов, почв, поверхностных и подземных вод, горных пород, воздуха, растительного покрова. Геоэкология, таким образом, требует интеграции геологии и географии, почвоведения и геохимии, гидрогеологии и гидрологии, горных наук в единую систему знаний о геологической и географической средах как единой геоэкологической среде.

Экология человека - комплекс дисциплин, исследующих взаимодействие человека как биологической особи (биоэкология человека) и личности с окружающей его природной, социальной и культурной средами. Здоровье людей связано с экологической обстановкой и образом жизни (медицинская экология), на человека оказывает влияние среда морали, воззрений, традиций и трудно уловимой духовности (экология духа).

Прикладная экология представлена комплексом дисциплин, связанных с различными областями человеческой деятельности и взаимоотношений между человеком и природой. Она исследует механизмы техногенных и антропогенных воздействий на экосистемы, формирует экологические критерии и нормативы в промышленности, транспорте и сельском хозяйстве (экология природно-технических геосистем (ПТГС) и сельскохозяйственная экология). Инженерная экология изучает законы формирования техносферы и способы инженерной защиты природной среды. Экологический менеджмент изучает управление взаимодействием общества и природы на основе использования экономических, административных, социальных, технологических и информационных факторов с целью достижения планируемого качества (состояния) окружающей среды. Экологическое образование формирует экологическое мышление, под которым понимается состояние человеческого познания и нравственности, обеспечивающее анализ и последующий синтез взаимосвязанных природных и техногенных объектов и процессов, как основу прогнозирования их развития и приоритетного выбора оптимальных в экологическом отношении решений и действий.

Таким образом, в последние десятилетия экология фактически вышла за рамки только биологии и переживает развитие в различных направлениях. Современная экология не только изучает законы функционирования природных и техногенных систем, но и ищет пути гармонического взаимоотношения природы и общества. От характера которого зависит не только здоровье людей и их экономическое процветание, но и сохранение человека как биологического вида. Решение экологических проблем требует огромной работы во всех областях науки и техники. Поэтому идеи и проблемы экологии всемерно проникают в другие научные дисциплины и внедряются в общественное развитие. Этот процесс называется экологизацией. Поэтому гидроэкология, как составная часть географической экологии имеет непосредственный практический аспект. Исходя из этого гидроэкология это наука, которая изучает:

1) общие законы функционирования гидроэкосистем различного порядка (раздел гидрологии);

2) живые системы в их взаимодействии с водной средой (одно из направлений биологических науки);

3) комплексная наука, синтезирующая данные естественных и общественных наук о природе и взаимодействии общества и природы (географическая экология);

4) особые экологические подходы к исследованию проблем взаимодействия организмов, биосистем и преимущественно водной среды (методоллогия и методика исследований);

5) совокупность научных и практических проблем взаимоотношений человека и водных объектов (экологические проблемы).

Развиваясь на стыке географии и биологии гидроэкология имеет два аспекта. С биологической точки зрения гидроэкология - это наука о взаимоотношениях организмов, обитающих в водной среде, между собой и с окружающей их неорганической средой, о связях в надорганизменных системах, о структуре и функционировании этих систем. С географической точки зрения, гидроэкология - наука, изучающая исключительно свойства водных объектов, занимается изучением особенностей водных объектов в современных условиях, их качественных характеристик, прогнозированием изменения количества и качества водных ресурсов водоемов и водтотоков.

Другими словами, гидроэкология - это научная дисциплина, которая занимается изучением влияния природных и антропогенных факторов на процессы, происходящие в водоемах и водотоках.

1.2 Предмет и задачи гидроэкологии

Объектом изучения гидроэкологии являются водные экосистемы (гидроэкосистемы) в их связи с окружающей средой. Это водотоки и водоемы, как сложные природные и природно-технические системы, находящиеся под влиянием хозяйственной деятельности общества.

Предметом изучения гидроэкологии является вода как активная среда, воздействующая на берега, русло и природные и хозяйственные объекты, ее экологическое состояние, закономерности развития гидроэкосистем под влиянием внутренних (биотических) и внешних (в основном абиотических и антропогенных) факторов, а также способы защиты гидроэкосистем от загрязнения и истощения, пути принятия решений для улучшения качества водной среды. В связи с этим в состав дисциплины «Гидроэкология» включены основные данные о физико-химических и биологических свойствах воды, гидробионтов, русловых процессах, роли гидробионтов в процессах самоочищения воды, комплексном использовании водных ресурсов в хозяйстве, негативных воздействиях природного и антропогенного характера на гидроэкосистемы, внедрение экологически безопасных технологий.

Общими задачами гидроэкологии являются:

· Выявление природных и антропогенных факторов, воздействующих на гидроэкосистемы;

· Оценка экологического состояния водных объектов по различным показателям;

· Оценка действующей системы мониторинга за состоянием водной среды.

· Оценка экологической напряженности и стадий развития гидроэкосистем;

· Решение задач по предотвращению и ликвидации ситуаций природного и техногенного характера;

· Оценка экономических и социальных последствий антропогенного влияния на гидроэкосистемы.

Гидроэкология возникла на стыке экологии и других научных дисциплин (медицины, педагогики, юриспрунденции, химии, технологии, агрономии и так далее). Поэтому в широком смысле слова гидроэкология выходит за рамки чисто географической и биологической отраслей знаний.

К экологии иногда неверно относят такие дисциплины как природопользование и охрана природы. Однако в последнее время стало ясно, что нельзя организовывать природопользование и охрану природу, не применяя экологических методов и не используя экологические знания. Только знания о взаимосвязи природных объектов, об устойчивости природных систем может определить возможные механизмы взаимодействия с ними. Этим и объясняется справедливый всеобщий интерес к экологии как науке о взаимосвязях живых организмов и окружающей их среды.

В связи с тем, что гидроэкология - наука гидрологического цикла, она тесно связана с гидрологией, использует данные, полученными при гидрологических исследованиях. Такие, например, как температура воды, ледовые явления, характеристика наносов, морфометрические показатели водоемов и другие. Гидроэкология часто пользуется знаниями, используемые в гидротехнике. Данные используются для оценки качества воды, последствий гидротехнического строительства.

Гидроэкология как наука тесно связана с гидрохимией, так как у нее есть общий предмет изучения - экологическое (гидрохимическое) состояние воды водоемов и водотоков.

Тесна связь также с гидробиологией и биоэкологией - дисциплинами биологического цикла, изучающими условия развития гидробионтов и их реакции на поллютанты.

Общие проблемы также есть с науками ветеринарно-медицинскими, например, с ихтиопатологией и водной токсикологией.

С науками экономического цикла - поскольку среди задач гидроэкологии существует задача поиска наименее затратных и экологичных решений по улучшению качества водной среды. Такая связь, например, существует с экономикой природопользования, так как в гидроэкологии часто приходится решать задачи, связанные с подсчетом материального ущерба от загрязнения и истощения водных и биологических ресурсов.

Гидроэкология тесно связана с частными экологиями: экологией растений (геоботаникой), лесоведением, почвоведением, экологией животных, гидробиологией, экологией человека, биоценологией, ландшафтоведением и др.

1.3 История развития гидроэкологии

Область знаний, отражающая взаимоотношение живых тел и различного рода их объединений с неживым и живым окружением имеет более чем 2000-летнюю историю. Но, только в середине XIX века эта область знаний, благодаря трудам К.Ф.Рулье и Э.Геккеля, приобрела статус самостоятельной науки. В своих работах, опубликованных в 1866 и 1868 гг. Эрнст Геккель так определяет новую науку: "Под экологией мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономике природы: изучение всей совокупности взаимоотношений животного с окружающей его средой, как органической, так и неорганической, и прежде всего - его дружественных или враждебных отношений с теми животными и растениями, с которыми он прямо или косвенно вступает в контакт.

Современная гидроэкология вбирает в себя проблемы окружающей среды, использует науки о Земле, физику, химию, компьютерные науки и т.д. развивалась вместе с экологией. В истории её развития можно выделить три этапа:

1 этап. С древних времён - до 60-х годов 19-го века. Первые сообщения экологического характера связаны с такими центрами древней культуры, как Китай, Египет, Индия, Греция. Уже в работах древнегреческих философов Гераклита (530 - 470 гг. до н.э.), Гиппократа (460 - 356 гг. до н.э.), Аристотеля (384 - 322 гг. до н.э.), Теофраста Эрезийского (372 - 287 гг. до н.э.), Плиния Старшего (23 - 79 гг.) и других содержатся сведения экологического характера. Например, в трактате Гиппократа «О воздухе, воде и местности» содержатся сведения о влиянии условий окружающей среды на здоровье человека. Аристотель описал 500 известных ему видов животных, особенности их поведения и приспособления к условиям окружающей среды. Ученик Аристотеля Теофраст Эрезийский - “отец ботаники”, как его часто называют, описывал особености роста растений в разных условиях среды, зависимость их форм и особенностей их роста от грунта и климата.

В эпоху Возрождения продолжалось накопление данных о растительном и животном мире. Первые систематики Д. Цезалпин
(1519 - 1603), Д.Рей (1627 - 1705), Ж.Турнефор (1556 - 1708) в своих трудах приводят сведения экологического характера, в частности, зависимость распространения растений от условий их произрастания.
Т. Мальтус ещё в 1798 г. описал уравнение экспоненциального роста популяции, на основе которого строил демографические концепции.

2 этап. 60-е годы 19-го века - 50-е годы 20-го века. Важный этап в становлении экологии как новой области знания. Ознаменовался выходом работ русских учёных Н.А.Северцова, В.В.Докучаева, В.И.Вернадского. Неоценимый вклад в развитие науки внёс в своё время Ч. Дарвин, которые ввёл понятие «борьба за существование». Это обстоятельство следует рассматривать как взаимодействие живых организмов с биотическими и абиотическими условиями среды.

С введением практически однозначных понятий «экосистема» А.Тенсли и «биогеоценоз» В.Н.Сукачёвым стали интенсивно развиваться экологические исследования надорганизменного уровня. Это направление широко использовало количественные методы определения функций экосистем и математическое моделирование биологических процессов.

3 этап. 60-е годы 20-го века - до наших дней. С середины столетия экология оказывается в центре общечеловеческих проблем, наблюдается превращение экологии в комплексную междисциплинарную науку. Продолжаются исследования свойств биосферы, начатые В.И. Вернадским.

Стало ясно, что популяция - не просто «население», т. е. сумма особей на какой-то территории, а самостоятельная биологическая (экологическая) система надорганизменного уровня, обладающая определенными функциями и механизмами авторегуляции, которые поддерживают ее самостоятельность и функциональную устойчивость. Это направление наряду с интенсивным исследованием многовидовых систем занимает важное место в современной классической экологии. Выдающимися представителями классической экологии этого периода являются Ю. Одум, Н.Ф. Реймерс, Н.П. И.А. Наумов, С.С. Шварц. Постепенно раскрывается роль многовидовых совокупностей живых организмов в осуществлении биогенного круговорота веществ и поддержании жизни на Земле.

1.4 Основные методы гидроэкологии

Методы могут быть подразделены на следующие три группы: общие, особенные и частные методы.

Общие методы касаются всей геоэкологии. Это различные формы диалектического метода, дающего возможность связывать воедино все стороны процесса познания, все его ступени. В естествознании диалектический метод выступает как сравнительный (например, в биологии, географии, химии) метод, с помощью которого раскрывается всеобщая связь явлений, или как исторический. Иногда оба этих метода сочетаются в единый сравнительно-исторический метод, который глубже и содержательней каждого из них в отдельности и широко используется в гидроэкологии.

Особенные методы касаются не предмета в целом, а лишь одной из его сторон (явления, сущности явления, количественной стороны) или же определенного приема исследований. К особенным методам относятся, в частности, анализ и синтез, индукция и дедукция.

Анализ (греч. analysis- разложение) и синтез (греч. synthesis- соединение) в самом общем значении- это процессы мысленного или фактического разложения целого на составные части и восстановления целого из частей соответственно. Цель анализа - познание частей как элементов сложного целого.

Синтез, напротив, есть процесс объединения в единое целое частей, свойств, отношений выделенных посредством анализа. Синтез дополняет анализ и находится с ним в неразрывном единстве.

Дедукция (от лат. deductio- выведение) - один из основных способов рассуждения (умозаключения) и методов исследования. Под дедукцией в широком смысле понимается любой вывод вообще, в более специфическом и наиболее употребительном смысле - доказательство или выведение утверждения (следствия) из одного или нескольких других утверждений (посылок) на основе законов логики, носящее достоверный характер.

Индукция (от лат. inductio- наведение) еще один тип умозаключения и метод исследования. Как форма умозаключения индукция обеспечивает возможность перехода от единичных фактов к общим положениям. В качестве метода исследования индукция понимается как путь опытного изучения явлений, в ходе которого от отдельных фактов совершается переход к общим положениям. Отдельные факты как бы наводят на общее положение. В реальном познании индукция всегда выступает в единстве с дедукцией.

Особенными методами являются также практические методы: наблюдение, эксперимент, сравнение, измерение. Исключительно важны математические приемы и методы, роль которых неуклонно возрастает по мере все более широкого применения счетно-вычислительных машин.

К частным методам относятся специальные методы, действующие либо только в пределах отдельной отрасли естествознания, либо за пределами той отрасли, где они возникли. Так методы физики, используемые в других отраслях естествознания привели к созданию геофизики и физической химии. Распространение химических методов привело к созданию геохимии, биохимии и т.д.

В ходе прогресса методы могут переходить из более низкой категории в более высокую: частные превращаются в особенные, особенные в общие.

Методическую основу гидроэкологии как современной науки составляет сочетание системного подхода, натурных наблюдений, эксперимента и моделирования. Экологическая практика охватывает собой множество приемов и методов исследований, адекватных многообразию направлений экологии и потому здесь перечислены лишь некоторые из них.

· Режимные систематические (мониторинговые) наблюдения за состоянием водных объектов и процессов и влияющими на них антропогенными (техногенными) факторами;

· аналитические исследования природных и искусственных объектов;

· исследования морфологических параметров природных водныз объектов;

· статистические методы оценки процессов и явлений, происходящих на водных объектах и их водосборах;

· дистанционные методы исследований и методы специальной картографии водотоков и водосборов;

· методы математического моделирования гидроэкологических процессов;

· системный анализ гидроэкологической информации;

· методы социальной демографии;

· паспортизация природных и искусственных водных объектов;

· экологический менеджмент;

· экологический аудит.

Как правило, в гидроэкологических исследованиях эти и другие применяемые методы исследований используются совместно или комплексиpуются.

Будучи одной из наук гидрологического цикла, гидроэкология использует общие для него теоретические и эмпирические методы: анализ и синтез, дедукцию и индукцию, наблюдение, сравнение (включая измерение) и эксперимент (включая моделирование). Эмпирические методы подразделяются на "полевые" и "лабораторные", соответственно тому, проводятся ли они в условиях, приближенных к естественным или в условиях, контролируемых исследователем. И те и другие могут предполагать использование инструментария: измерительного и аналитического оборудования, устройств для фиксации, снятия и обработки данных. Эмпирические данные могут быть использованы лишь после их теоретической обработки, то есть после включения в логическую конструкцию: гипотезу, теорию, концепцию.

В последнее время особую важность приобрели планомерные, поддающиеся эффективному анализу экологические исследования, складывающиеся в мониторинг - систему долгосрочных наблюдений, оценки, контроля и прогноза состояния и изменения объектов. Мониторинг принято делить на фоновый, глобальный, региональный и импактный (в особо опасных зонах и местах). По способам ведения различают космический, авиационный и наземный мониторинг. В систематизации и анализе накапливаемых данных особое значение имеет создание баз данных и использование ГИС-технологий.

Глава 2. Гидросфера

2.1. Вода как среда обитания

В процессе исторического развития живые организмы освоили четыре среды обитания. Первая - вода. В воде жизнь зародилась и развивалась многие миллионы лет. Вторая - наземно-воздушная - на суше и в атмосфере возникли и бурно адаптировались к новым условиям растения и животные. Постепенно преобразуя верхний слой суши - литосферы, они создали третью среду обитания - почву, а сами стали четвертой средой обитания.

Вода покрывает 71 % площади земного шара и составляет 1/800 часть объема суши. Основная масса воды сосредоточена в морях и океанах - 94-98 %, в полярных льдах содержится около 1,2 % воды и совсем малая доля - менее 0,5 %, в пресных водах рек, озер и болот. Соотношения эти постоянны, хотя в природе, не переставая, идет круговорот воды.

В водной среде обитает около 150 000 видов животных и 10 000 растений, что составляет соответственно всего 7 и 8 % от общего числа видов Земли. В Мировом океане, как в горах, выражена вертикальная зональность. Особенно сильно различаются по экологии пелагиаль - вся толща воды, и бенталь - дно.

Особенно чётко зональность проявляется в озёрах умеренных широт (рис. 2.1). В водной массе как среде обитания организмов по вертикали может быть выделено 3 слоя: эпилимнион, металимнион и гиполимнион. Воды поверхностного слоя - эпилимниона летом прогреваются и перемешиваются под воздействием ветра и конвекционных токов. Осенью поверхностные воды, охлаждаясь и становясь более плотными, начинают погружаться, и температурная разность слоев выравнивается. При дальнейшем охлаждении воды эпилимниона становятся холоднее вод гиполимниона. Весной происходит обратный процесс, заканчивающийся периодом летнего застоя. Дно озёр (бенталь) подразделяется на 2 зоны: более глубоководную - профундаль, примерно соответствующую части ложа, заполненной водами гиполимниона, и прибрежную зону - литораль, обычно простирающуюся вглубь до границы произрастания макрофитов. По поперечному профилю реки различают прибрежную зону - рипаль и открытую - медиаль. В открытой зоне скорости течения выше, население количественно беднее, чем в прибрежной.

Рис. 2.1. Вертикальная экологическая зональность озера (по М.С. Гилярову)

Экологические группы гидробионтов. Наибольшим разнообразием жизни отличаются теплые моря и океаны (40000 видов животных) в области экватора и тропиках, к северу и югу происходит обеднение флоры и фауны морей в сотни раз. Что касается распределения организмов непосредственно в море, то основная масса их сосредоточена в поверхностных слоях (эпипелагиаль) и в сублиторальной зоне. В зависимости от способа передвижения и пребывания в определенных слоях, морские обитатели подразделяются на три экологические группы: нектон, планктон и бентос.

Нектон (nektos - плавающий) - активно передвигающиеся крупные животные, способные преодолевать большие расстояния и сильные течения: рыбы, кальмары, ластоногие, киты. В пресных водоемах к нектону относятся и земноводные и множество насекомых.

Планктон (planktos - блуждающий, парящий) - совокупность растений (фитопланктон: диатомовые, зеленые и сине-зеленые (только пресные водоемы) водоросли, растительные жгутиконосцы, перидинеи и др.) и мелких животных организмов (зоопланктон: мелкие ракообразные, из более крупных - крылоногие моллюски, медузы, гребневики, некоторые черви), обитающих на разной глубине, но не способных к активным передвижениям и к противостоянию течениям. В состав планктона входят и личинки животных, образуя особую группу - нейстон. Это пассивно плавающее «временное» население самого верхнего слоя воды, представленное разными животными (десятиногие, усоногие и веслоногие ракообразные, иглокожие, полихеты, рыбы, моллюски и др.) в личиночной стадии. Личинки, взрослея, переходят в нижние слои пелагели. Выше нейстона располагается плейстон - это организмы, у которых верхняя часть тела растет над водой, а нижняя - в воде (ряска, кубышки, кувшинки и др.). Планктон играет важную роль в трофических связях биосферы, т.к. является пищей для многих водных обитателей, в том числе основным кормом для усатых китов.

Бентос (benthos - глубина) - гидробионты дна. Представлен в основном прикрепленными или медленно передвигающимися животными (зообентос: фораминефоры, рыбы, губки, кишечнополостные, черви, плеченогие моллюски, асцидии, и др.), более многочисленными на мелководье. На мелководье в бентос входят и растения (фитобентос: диатомовые, зеленые, бурые, красные водоросли, бактерии). На глубине, где нет света, фитобентос отсутствует. У побережий встречаются цветковые растения зостера, рупия. Наиболее богаты фитобентосом каменистые участки дна.

В озерах зообентос менее обилен и разнообразен, чем в море. Его образуют простейшие (инфузории, дафнии), пиявки, моллюски, личинки насекомых и др. Фитобентос озер образован свободно плавающими диатомеями, зелеными и сине-зелеными водорослями; бурые и красные водоросли отсутствуют.

Укореняющиеся прибрежные растения в озерах образуют четко выраженные пояса, видовой состав и облик которых согласуются с условиями среды в пограничной зоне «суша-вода». В воде у самого берега растут гидрофиты - полупогруженные в воду растения (стрелолист, белокрыльник, камыши, рогоз, осоки, трищетинник, тростник). Они сменяются гидатофитами - растениями, погруженными в воду, но с плавающими листьями (лотос, ряски, кубышки, чилим, такла) и - далее - полностью погруженными (рдесты, элодея, хара). К гидатофитам относятся и плавающие на поверхности растения (ряска).

Высокая плотность водной среды определяет особый состав и характер изменения жизнеобеспечивающих факторов. Одни из них те же, что и на суше - тепло, свет, другие специфические: давление воды (с глубиной увеличивается на 1 атм. на каждые 10 м), содержание кислорода, состав солей, кислотность. Благодаря высокой плотности среды, значения тепла и света с градиентом высоты изменяются гораздо быстрее, чем на суше.

Тепловой режим. Для водной среды характерен меньший приход тепла, т.к. значительная часть его отражается, и не менее значительная часть расходуется на испарение. Согласуясь с динамикой наземных температур, температура воды обладает меньшими колебаниями суточных и сезонных температур. Более того, водоемы существенно выравнивают ход температур в атмосфере прибрежных районов. При отсутствии ледового панциря моря в холодное время года оказывают отепляющее действие на прилегающие территории суши, летом - охлаждающее и увлажняющее.

Диапазон значений температуры воды в Мировом океане составляет 38° (от -2 до +36°С), в пресных водоемах - 26° (от -0,9 до +25°С). С глубиной температура воды резко падает. До 50 м наблюдаются суточные колебания температуры, до 400 - сезонные, глубже она становится постоянной, опускаясь до +1-3°С (в Заполярье близка к 0°С). Поскольку температурный режим в водоемах сравнительно стабилен, их обитателям свойственна стенотермность. Незначительные колебания температуры в ту или иную сторону сопровождается существенными изменениями в водных экосистемах.

Примеры: «биологический взрыв» в дельте Волги из-за понижения уровня Каспийского моря - разрастание зарослей лотоса (Nelumba kaspium), в южном Приморье - зарастание белокрыльником стариц рек (Комаровка, Илистая и др.) по берегам которых вырублена и сожжена древесная растительность. Для Беларуси можно привести случаи разрастания в водоемах таких несвойственных для нашей природной зоны гидробионтов как водяная сосенка и водный гиацинт в некоторых водоемах Полесья.

В связи с разной степенью прогревания верхних и нижних слоев в течение года, приливами и отливами, течениями, штормами происходит постоянное перемешивание водных слоев. Роль перемешивания воды для водных обитателей (гидробионтов) исключительно велика, т.к. при этом выравнивается распределение кислорода и питательных веществ внутри водоемов, обеспечивая обменные процессы между организмами и средой.

В стоячих водоемах (озерах) умеренных широт весной и осенью имеет место вертикальное перемешивание, и в эти сезоны температура во всем водоеме становится однородной, т.е. наступает гомотермия. Летом и зимой в результате резкого усиления прогревания или охлаждения верхних слоев перемешивание воды прекращается. Это явление называется температурной дихотомией, а период временного застоя - стагнацией (летней или зимней). Летом более легкие теплые слои остаются на поверхности, располагаясь над тяжелыми холодными. Зимой, наоборот, в придонном слое более теплая вода, так как непосредственно подо льдом температура поверхностных вод меньше +4°С и они в силу физико-химических свойств воды становятся более легкими, чем вода с температурой выше +4°С.

В периоды стагнаций четко выделяются три слоя: верхний (эпилимнион) с наиболее резкими сезонными колебаниями температуры воды, средний (металимнион или термоклин), в котором происходит резкий скачок температур, и придонный (гиполимнион), в котором температура в течение года изменяется слабо. В периоды стагнаций в толще воды образуется дефицит кислорода - летом в придонной части, а зимой и в верхней, вследствие чего в зимний период нередко происходят заморы рыбы. В стоячих водоемах (озерах) умеренных широт весной и осенью имеет место вертикальное перемешивание, и в эти сезоны температура во всем водоеме становится однородной, т.е. наступает гомотермия. Летом и зимой в результате резкого усиления прогревания или охлаждения верхних слоев перемешивание воды прекращается. Это явление называется температурной дихотомией, а период временного застоя - стагнацией (летней или зимней). Летом более легкие теплые слои остаются на поверхности, располагаясь над тяжелыми холодными. Зимой, наоборот, в придонном слое более теплая вода, так как непосредственно подо льдом температура поверхностных вод меньше +4°С и они в силу физико-химических свойств воды становятся более легкими, чем вода с температурой выше +4°С.

В периоды стагнаций четко выделяются три слоя: верхний (эпилимнион) с наиболее резкими сезонными колебаниями температуры воды, средний (металимнион или термоклин), в котором происходит резкий скачок температур, и придонный (гиполимнион), в котором температура в течение года изменяется слабо. В периоды стагнаций в толще воды образуется дефицит кислорода - летом в придонной части, а зимой и в верхней, вследствие чего в зимний период нередко происходят заморы рыбы.

Световой режим. Интенсивность света в воде сильно ослаблена из-за его отражения поверхностью и поглощения самой водой. Это сильно сказывается на развитии фотосинтезирующих растений. Чем меньше прозрачность воды, тем сильнее поглощается свет. Прозрачность воды лимитируется минеральными взвесями, планктоном. Уменьшается она при бурном развитии мелких организмов летом, а в умеренных и северных широтах - еще и зимой, после установления ледового покрова и укрытия его сверху снегом.

В небольших озерах на глубину 2 м проникает всего лишь десятые доли процента света. С глубиной становится все темнее, и цвет воды становится вначале зеленым, затем голубым, синим и в конце - сине-фиолетовым, переходя в полный мрак.

Соответственно меняют цвет и гидробионты, адаптирующиеся не только к составу света, но и к его недостатку - хроматическая адаптация. В светлых зонах, на мелководьях, преобладают зеленые водоросли (Chlorophyta), хлорофилл которых поглощают красные лучи, c глубиной они сменяются бурыми (Phaephyta) и далее красными (Rhodophyta). На больших глубинах фитобентос отсутствует.

К недостатку света растения приспособились развитием хроматофоров крупных размеров, обеспечивающих низкую точку компенсации фотосинтеза, а также увеличением площади ассимилирующих органов (индекса листовой поверхности). Для глубоководных водорослей типичны сильно рассеченные листья, пластинки листьев тонкие, просвечивающиеся. Для полупогруженных и плавающих растений характерна гетерофиллия - листья над водой такие же, как у наземных растений, имеют цельную пластинку, развит устьичный аппарат, а в воде листья очень тонкие, состоят из узких нитевидных долей.

Животные, как и растения, закономерно меняют свою окраску с глубиной. В верхних слоях они ярко окрашены в разные цвета, в сумеречной зоне (морской окунь, кораллы, ракообразные) окрашены в цвета с красным оттенком - удобнее скрываться от врагов. Глубоководные виды лишены пигментов.

2.2 Общая характеристика гидросферы

Общепринятое и наиболее обоснованное определение понятия «гидросфера» - прерывистая водная оболочка Земли. По некоторым прежним представлениям, рамки гидросферы ограничивались Мировым океаном. Но воды рек и озер, так же как и подземные воды, являются составными частями гидросферы. А эти воды в отличие от океана дискретны. Отсюда и появляется необходимость определения гидросферы как прерывистой оболочки. Гидросфера отличается высокой динамичностью, движущей силой которой служит круговорот воды.

Воды гидросферы не связаны химически и физически в земной коре, т. е. могут двигаться под влиянием гравитационной, сорбционных, капиллярных сил, а также под влиянием тепла. В понятие движения входит и переход воды из одного агрегатного состояния в другое. Переход воды через парообразную фазу служит механизмом естественного опреснения воды. Происхождение гидросферы связывается с дегазацией воды из мантии Земли, в которой содержится около 20 млрд. км³ воды.

Из определения гидросферы и ее краткой характеристики видно, что эта сфера Земли находится в тесной взаимосвязи с другими сферами - литосферой, атмосферой и биосферой.

Данные по объему гидросферы представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1.

Состав гидросферы [По Львовичу М.И., 1986]

Части гидросферы	Объем воды тыс. км3	% от общего объема
Мировой океан Подземные воды В том числе зоны активного водообмена Ледники Озера Почвенная влага Пары атмосферы Речные воды Итого	1 370 323 60000 4 000 24 000 280* 85** 14 1,2 1454193	93,96 4,12 0,27 1,65 0,019 0,006 0,001 0,0001 100

* В том числе около 5 тыс. км³ воды в водохранилищах.

** В том числе около 2 тыс. км³ оросительных вод.

Весь объем гидросферы, по современным подсчетам, несколько превышает 1,4 млрд. км³.

Приблизительное представление о пресноводной части гидросферы дают данные табл. 2.2. Общий объем пресных вод на Земле достигает приблизительно 28,25 млн. км³, что составляет около 2 % общего объема гидросферы. Но если учесть, что основная часть пресных вод, законсервированных в полярных ледниках в виде льда, недоступна для использования, то объем остальной части пресных вод составляет всего лишь немногим более 4,2 млн. км³, или 0,3 % объема гидросферы.

Таблица 2.2

Пресные воды гидросферы [По М.Л. Львовичу, 1986]

Части гидросферы	Объем пресной воды, км3	% от данной части гидросферы	% от общего объема пресной воды
Ледники Подземные воды Озера и водохранилища Почвенная влага Пары атмосферы Речные воды Итого	24 000 000 4 000 000 155000 83 000 14000 1 200 28 253 200	100 6,7 55 98 100 100 -	85 14 0,6 0,3 0,05 0,004 100

2.3 Водные ресурсы и их особенности

К водным ресурсам относятся все виды воды, исключая воду, физически и химически связанную с горными породами и биосферой. Они делятся на две различные группы, состоящие из стационарных запасов воды и возобновимых запасов, участвующих в процессе круговорота воды и оцениваемых балансовым методом. Для практических нужд необходимы в основном пресные воды.

Распределение и потребление воды по территории Земли и отдельным регионам неравномерно (табл. 2.3).

Водные ресурсы не всегда соответствуют требованиям хозяйства. Это относится к качеству воды, устойчивости водных ресурсов во времени и распределению по территории. Наиболее высокие требования к качеству водных ресурсов предъявляются при использовании их в рыборазведении и для питьевого водоснабжения.

Для использования речного стока в связи с его неравномерным территориальным и временным распределением необходимо регулирование стока, что достигается путем создания водохранилищ и переброской стока.

Первые стандарты качества питьевой воды были утверждены в СССР и в США в 1937 г. Советский стандарт включал 30 обязательных показателей. Всемирная организация здравоохранения рекомендует учитывать более 100 показателей качества питьевой воды. Полномасштабный контроль качества воды требует значительных вложений, направленных на организацию соответствующих служб, создание приборов, разработку систем очистки.

Таблица 2.3

Распределение воды и ее потребление по континентам (общее/безвозвратное) [по Глухову В.В., 1999)]

Континент	Среднегодовой сток рек	Водопотребление,
		км3/год	% к стоку
		1970	2000	1970	2000
Европа	3210	320/100	730/240	10/3,1	23/7,5
Азия	14410	1500/1130	3200/2000	10,4/7,6	22,7/13,9
Африка	4570	130/100	380/250	2,8/2,2	8,3/5,5
Северная Америка	8200	540/160	1300/280	6,6/2,0	15,8/3,4
Южная Америка	11760	70/50	300/130	0,6/0,4	2,5/2,1
Австралия и Океания	2390	23/12	60/30	1,0/0,5	2,5/2,1
Весь мир	46540	2583/1552	5970/5930	5,8/3,4	13/6,7

Особенностью природных водоемов является их способность к самоочищению за счет осаждения примесей, деятельности водных растений, разложения веществ в воде, кругооборота воды.

На территории бывшего СССР около 2870 тыс. рек и других естественных водотоков длиной больше 0,5 км формируют сток, среднемноголетний объем которого составляет более 4 тыс. км³ в год.

По величине формируемого стока территория СНГ естественным образом делилась на регионы, принадлежащие к водосборным бассейнам трех океанов или их частям. Наибольший речной сток формируется на западном, северном и восточном склонах территории бывшего СССР, а также в бассейнах Балтийского моря и Тихого океана. Особенно низкий сток характерен для бессточной области Казахстана и Средней Азии.

Распределение речного стока по территории Беларуси и сопредельных государств очень неравномерно, о чем свидетельствует табл. 2.4. В ней приведены данные о местном речном стоке, формируемом на территории какой-либо республики или СССР в целом, и общем стоке рек, представляющем сумму местного и поступающего извне речного стока.

Таблица 2.4

Ресурсы речного стока Беларуси и сопредельных стран

Республика	Площадь, тыс. км2	Речной сток, км3/год
		Местный	Общий
Россия	17075,4	4043	4270
Украина	603,7	52,4	209,8'
Беларусь	207,6	34,1	55,8
Латвия	64,5	15,2	31,9
Литва	65,2	12,8	23,2
Эстония	45,1	10,9	15,6
Бывший СССР в целом	22403,2	4414	4740

Значительная доля общего речного стока приходится на приток речных вод извне (транзитный сток). Это объективно создает трудности в управлении располагаемыми водными ресурсами рек, которые иногда довольно трудно использовать. Например, около 73 % общих ресурсов речного стока на Украине - это сток р. Дунай.

Наибольший речной сток формируется в Грузии, величина слоя стока достигает 765 мм. Хорошо обеспечены собственным речным стоком Армения, Киргизия, Прибалтийские республики, Россия и Таджикистан. Небольшими ресурсами поверхностных вод располагают Молдавия и Узбекистан, а наименьшими - Туркмения, где удельная величина речного стока составляет лишь 2,3 мм.

Республика Беларусь относительно небогата водными ресурсами. Это обусловлено рядом объективных и других факторов, которые показывают реальную ситуацию с проблемами обеспечения и использования поверхностных и подземных вод республики.

Чтобы правильно оценить реальные запасы водных ресурсов необхродимо учитывать следующие аспекты, которые возникают при их использовании и которые в разной степени ограничивают их использование в хозяйстве:

Неравномерность размещения ресурсов по территории республики;

Их изменение на протяжении года и по отдельным годам;

Необходимость в воде в связи с развитием хозяйства;

Загрязнение воды сточными водами;

Загрязнение верхних горизонтов подземных и грунтовых вод, которые используются для обеспечения сельского и городского населения питьевой водой;

Загрязнение воды радионуклилами после аварии на ЧАЭС, нитратами и нитритами.

Таблица 2.5

Удельные ресурсы речного стока

Республика	Население, тыс. чел (1987 г.)	Речной сток, мм	Обеспеченность одного жителя речным стоком в средний по водности год, тыс. м3
		местный	общий	местного формирования	общим
Россия	145311	236	250	29,2	29,4
Украина	51201	86,8	348	1,02	4,10
Беларусь	10078	164	269	3,38	5,54
Латвия	2647	239	495	5,74	12,1
Литва	3641	196	356	3,52	6,37
Эстония	1556	242	346	7,01	10,0
Грузия	5266	765	878	10,1	11,6
СССР	281700	198	212	15,7	16,8

По степени водообеспеченности страны Европейской части СНГ разделены на 3 зоны: высокой, средней и низкой обеспеченности.

...