Гидроэкология

Зона высокой обеспеченности занимает около половины территории, в которой наблюдаются излищки воды, что приводит к образованию болот и заболоченных земель.

Зона средней обеспеченности отличается достаточным количеством водных ресурсов для нужд хозяйства (Центральная Россия, Урал).

Зона низкой, или недостаточной водообеспеченности включает юг Украины, Крым, Донбасс, Заволжье и т. д., где водные ресурсы составляют несколько процентов от всех запасов, а для обеспечения водой необходима переброска воды из других речных бассейнов.

Территория республики Беларусь относится ко второй зоне. По данным ГВК преобладают самые малые и малые реки (табл. 2.6.)

Таблица 2.6

Число рек Беларуси и их длина

Градации	Интервалы длины, км	Число рек	Общая длина, км	% от общей длины речной сети
Самые малые	Менее 25	20 403	65 966	72
Малые	26 - 100	329	14 554	16
Средние	101 - 500	41	6 702	8
Большие	Более 501	7	3 409	4
Всего		20 780	90 631	100

Однако, значительная часть воды находится в водоемах замедленного водообмена, круговорот ресурсов которых происходит за длительный период (табл. 2.7.).

Таблица 2.7

Объемы воды и площаль водной поверхности водотоков и водоемов Беларуси

Водные объекты	Объем воды	Площадь поверхности
	км2	%	км2	%
Реки	3,08	29,7	1 028	26,6
Озера	6,00	50,0	2 000	50,2
Водохрани-лища	2,43	20,0	606	16,2
Пруды	0,38	0,3	301	8,0
Всего	11,89	100	3 935	100

2.4 Происхождение воды и гидросферы

Существует шесть гипотез появления воды на земном шаре.

Первая гипотеза исходит из «горячего» происхождения Земли. Считается, что некогда Земля была расплавленным огненным шаром, который, излучая тепло в пространство, постепенно остывал. Появилась первородная кора, возникли химические соединения элементов и среди них соединение водорода с кислородом, или, проще говоря, вода.

Пространство вокруг Земли все более заполнялось газами, которые непрерывно извергались из трещин остывающей коры. По мере охлаждения пары образовывали облачный покров, плотно окутавший нашу планету. Когда температура в газовой оболочке упала настолько, что влага, содержащаяся в облаках, превратилась в воду, пролились первые дожди. Тысячелетие за тысячелетием низвергались дожди. Они-то и стали тем источником воды, которая постепенно заполнила океанические впадины и образовала Мировой океан.

Вторая гипотеза исходит из «холодного» происхождения Земли с ее последующим разогревом. Разогрев стал причиной вулканической деятельности. Извергаемая вулканами лава выносила на поверхность планеты пары воды. Часть паров, конденсируясь, заполняла океанические впадины, а часть образовала атмосферу. Как теперь подтверждено, главной ареной вулканической деятельности на первых стадиях эволюции Земли действительно являлось дно современных океанов.

Согласно этой гипотезе вода содержалась уже в той первичной материи, из которой сложилась наша Земля. Подтверждением такой возможности является наличие воды в падающих на Землю метеоритах.

Третья гипотеза также исходит из «холодного» происхождения Земли с последующим ее разогревом. В мантии Земли на глубинах 50- 70 км из ионов водорода и кислорода начал возникать водяной пар. Однако высокая температура мантии не позволяла ему вступать в химические соединения с веществом мантии.

Под действием давления пар выжимался в верхние слои мантии, а затем и в кору Земли. В коре более низкие температуры стимулировали химические реакции между минералами и водой, в результате разрыхления пород, образовались трещины и пустоты, которые немедленно заполнялись свободной водой. Под действием давления воды трещины раздавались, превращались в разломы, и вода через них устремлялась на поверхность. Так возникли первичные океаны.

В пользу приведенной гипотезы свидетельствует резкое возрастание скорости сейсмических волн на глубине 15-20 км, т. е. как раз там, где должна пролегать граница предполагаемого раздела между гранитом и поверхностью рассола, граница резкого изменения физико-химических свойств вещества.

Приведенную гипотезу подтверждает и так называемый дрейф материков. Гранитные громады материков перемещаются. Они «плывут», хотя скорость их движения составляет всего несколько сантиметров в столетие.

Четвертая гипотеза принадлежит английскому астрофизику Хойлу и опубликована сравнительно недавно, в 1972 г. Она представляет собой следствие из гипотезы происхождения Солнечной системы. Конденсация протопланетного облака, окружавшего прото-Солнце, протекала неравнозначно на разных расстояниях от Солнца. Чем дальше от него, тем температура облака была ниже. Ближе к Солнцу могли конденсироваться, скажем, металлы как вещества более тугоплавкие. А там, где проходят орбиты Урана, Нептуна и Плутона, по расчетам Хойла, температура составляла примерно 350 К, что уже достаточно для конденсации паров воды. Именно этим обстоятельством можно объяснить «водную» природу Урана, Нептуна и Плутона, образовавшихся в процессе слияния частиц льда и снега. «Водную» природу указанных планет подтверждают новейшие астрономические наблюдения.

Расчеты, выполненные Хойлом, подтверждают возможность образования земных океанов из ледяных дождей, для чего потребовалось всего несколько миллионов лет.

Пятая гипотеза, как и четвертая, предполагает космическое происхождение воды, но из других источников. Дело в том, что на Землю из глубин космоса непрерывно низвергается ливень электрически заряженных частиц. И среди этих частиц изрядную долю составляют протоны - ядра атомов водорода. Пронизывая верхние слои атмосферы, протоны захватывают электроны и превращаются в атомы водорода, которые тут же вступают в реакцию соединения с кислородом атмосферы. Образуются молекулы воды. Расчет показал, что космический источник такого рода способен дать почти 1,5 т воды в год, и эта вода в виде осадков достигает земной поверхности.

Шестая гипотеза. Как установлено учеными, примерно 250 млн. лет назад на Земле был единый континент. Затем, неизвестно по каким причинам, он треснул, и части его начали расползаться, «уплывать» друг от друга.

Доказательствами существования некогда единого материка является не только подобие береговых линий, но также сходство флоры и фауны, сходство геологических структур побережий.

Исследования последних лет подтвердили: материки «плывут», расстояние между ними непрерывно увеличивается. Передвижение материков блестяще объясняет гипотеза расширяющейся Земли. Гипотеза утверждает: первоначально Земля имела радиус вдвое меньший, чем сейчас. Материки, слитые тогда воедино, опоясывали планету.

Океанов не существовало. И вот на границе протерозоя и мезозоя (250-300 млн. лет назад) Земля начала расширяться. Единый материк дал трещины, которые, наполнившись водой, превратились в океаны.

Однако по мере уплотнения пылевого облака происходило его гравитационное сжатие, и давление внутри прото-Земли возрастало. Соответственно росла и степень поглощения водорода металлами группы железа. Сжатие порождало антипод давления - разогрев. А так как наибольшему сжатию подвергались центральные области образовавшейся планеты, то там стремительнее росла и температура.

И вот на какой-то стадии разогрева, когда температура в ядре Земли достигла определенного критического значения (переход количественного роста в новое качественное состояние!), начался обратный процесс - выделение водорода из металлов.

Таким образом, дегазация водорода сопровождалась расширением Земли. Между тем водород, пронизывая огромную толщу планеты, захватывал по пути атомы кислорода, и на поверхность ее вырывались уже пары воды. Конденсируясь, вода заполняла разломы в коре. Постепенно образовались океаны.

2.5 Круговороты веществ

Вода и ее круговорот. Воды земного шара находятся в постоянном взаимодействии и в процессе круговорота связаны воедино. Под влиянием солнечной радиации с поверхности океанов, морей, рек, озер, ледников, снежного покрова и льда, почвы и растительности происходит испарение воды. Испарение с поверхности океанов и морей - основной источник поступления влаги в атмосферу. Большая часть этой влаги выпадает в виде атмосферных осадков непосредственно на поверхность океанов и морей, совершая так называемый малый круговорот. Меньшая ее доля участвует в большом круговороте, вступая в сложные взаимодействия с земной поверхностью. Большой круговорот включает в себя ряд местных влагооборотов и представляет собой многообразный процесс перемещения, расходования и возобновления влаги на земной поверхности, в недрах земли и в атмосфере. Атмосферные осадки, орошая поверхность материков, частично просачиваются в почву, частично стекают по склонам и образуют ручьи, реки, озера, болота. Поглощенная почвой вода частью испаряется непосредственно или транспирируется растениями, частью просачивается вглубь и формирует подземные воды. Последние участвуют в питании рек, озер или достигают моря подземными путями.

Влага, поступившая в атмосферу в результате испарения с поверхности суши и ее водоемов, дополняет то количество ее, которое поступает с океана. Воздушными течениями она переносится вглубь материка и, выпадая в виде дождя и снега, орошает территории, более или менее удаленные от океана. Выпавшие осадки вновь испаряются, просачиваются, стекают по земной поверхности. Сток воды рек, впадающих в океан, завершает большой круговорот воды на земном шаре. Упрощенная схема представлена на рис. 2.3. В действительности явление круговорота значительно сложнее.

Круговорот воды состоит из нескольких звеньев, главные из которых атмосферное, океаническое, материковое. В атмосферном звене происходит перенос влаги в процессе атмосферной циркуляции и образование атмосферных осадков. Единовременный запас влаги в атмосфере невелик, всего 14 тыс. км³,. но при постоянном возобновлении этой влаги в процессе испарения с поверхности Земли объем осадков, выпадающих на эту поверхность, равен 525 тыс. км³. Таким образом, в среднем каждые 10 суток влага атмосферы возобновляется.

Для океанического звена круговорота характерно непрерывное восстановление запасов влаги в атмосфере путем испарения. С поверхности океанов в атмосферу поступает 86,0 % общего количества испарившейся влаги на земном шаре.

Рис. 2.3. Схема круговорота воды (по М.И. Львовичу) . 1 - осадки, 2 - водопроницаемые породы, 3 - слабопроницаемые породы, 4 - непроницаемые породы, 5- источник, 6 - направление движения воды и водяных паров

Материковое звено по активности участия его вод в круговороте отличается большим разнообразием. В этом звене М. И. Львович в свою очередь выделяет почвенное, литогенное, речное, озерное, ледниковое и биологическое звенья.

Почва осуществляет обмен влагой как с атмосферой, реками и озерами, так и с недрами земли - литогенным звеном. Обмен этот происходит путем просачивания, стекания по поверхности, испарения и транспирации сравнительно быстро, в пределах одного года.

Степень подвижности воды в литогенном звене неодинакова. Наиболее активно участвуют в общем круговороте воды подземные воды, залегающие вблизи земной поверхности до уровня дренирования их речной сетью и питающие реки. Продолжительность их обмена - от месяца до нескольких лет. С удалением от земной поверхности, на больших глубинах, подземные воды становятся менее подвижны.

Реки возвращают в океан воды, которые поступили в процессе круговорота на сушу. Обмен воды, содержащейся в руслах рек, происходит весьма быстро: в среднем, по данным разных авторов, за 12-25 суток. Но если к объему русловых вод прибавить объем проточных озер, то активность водообмена значительно уменьшится и его продолжительность возрастет до трех лет.

В ледниках как бы законсервированы большие массы воды в виде льда. Движение льда медленное, поэтому продолжительность обмена воды (льда) в ледниках колеблется, по разным данным, от 8300 до 15 000 лет.

Анализ активности водообмена раскрывает весьма интересную и важную черту ресурсов пресных вод - их относительно быстрое возобновление.

Таким образом, круговорот воды в природе, совершающийся под влиянием солнечного тепла и силы тяжести, объединяет несколько геофизических процессов, происходящих в его звеньях,- это испарение, перенос влаги в атмосфере, ее конденсация и выпадение осадков, просачивание их в почву и горные породы, сток поверхностных и подземных вод.

Особую роль в круговороте воды занимают биологические процессы - транспирация и фотосинтез. В среднем расход воды на транспирацию приблизительно равен 30 000 км³ в год (по Львовичу). Эта величина превышает 40 % суммарного испарения со всей суши и составляет 7 % испарения с поверхности земного шара, включая океан.

Воды, стекающие по земной поверхности, не все попадают в океаны и моря. Ниспадающие к океанам покатости, сток с которых направлен в океан, называются сточными или периферийными областями стока. Замкнутые пространства, не имеющие связи с океанами, сток с которых не достигает океана, называются областями внутреннего стока или бессточными (по отношению к океану). Воды этих областей расходуются на испарение либо по пути стока, либо с поверхности конечных замкнутых водоемов, куда они стекают. Области внутреннего стока обмениваются влагой с периферийными областями только путем переноса ее воздушными течениями в атмосфере или в незначительной мере подземными путями.

Общая площадь периферийных областей земного шара составляет 117 млн. км² и почти в 4 раза превосходит площадь областей внутреннего стока, равную 32 млн. км². Большая периферийная область в нашей стране - ниспадающая к Арктическим морям, с которой собирают свои воды реки Сибири: Обь, Енисей, Лена, Яна, Индигирка, Колыма и др. Огромные периферийные области направлены к Атлантическому океану, с них стекают большие реки мира: Амазонка, Миссисипи, Нигер, Конго, и многие реки Европы: Нева, Западная Двина, Висла, Одра, Эльба, Рейн, Луара и др.

Большая область внутреннего стока - Арало-Каспийская, к ней принадлежат бассейны рек Волги, Урала, Куры, Сырдарьи, Амударьи и др. К бессточным же областям относятся пустыни Сахара, Аравийская и Центрально-Австралийская.

Естественные циклы основных биогенных веществ. Для обеспечения жизнедеятельности растений и животных требуются различные химические элементы, но только некоторые из них имеют преобладающее значение. Основа жизни - белки, углеводы и жиры складываются из шести основных элементов: водорода, углерода, азота, кислорода, фосфора и серы. Кроме фосфора они все образуют растворимые и летучие соединения и таким образом участвуют в повторном цикле воды.

В процессе фотосинтеза зеленые растения и водоросли на свету выделяют кислород, причем не из углекислого газа, как это считалось раньше, а из воды.

В первичной атмосфере Земли было мало или совсем не было кислорода, поэтому первые организмы были анаэробными. Накопление кислорода началось в докембрии. Сейчас запасы свободного кислорода оцениваются приблизительно в 1,6*10¹⁵ т.

Кислород является самым распространенным элементом на Земле. В гидросфере его содержится 85,82 % по массе, в литосфере 47 %, в атмосфере 23,15 %. Кислород стоит на первом месте по числу образуемых им минералов (1364). Среди них преобладают силикаты, кварц, окислы железа, карбонаты и сульфаты. В живых организмах содержится в среднем около 70 % кислорода. Он входит в состав большинства органических соединений (белков, жиров, углеводов и т.д.) и в состав органических соединений скелета.

Свободный кислород играет большую роль в биохимических и физиологических процессах, особенно в аэробном дыхании.

В области свободного кислорода формируются резко окислительные условия, в отличие от сред, в которых кислород отсутствует (в магме, глубоких горизонтах подземных вод, илах морей и озер, в болотах), где образуется восстановительная обстановка.

Огромное значение для атмосферы имеет также двуокись углерода. Его содержание в атмосфере до промышленной революции, в 1800 г составляло 0,029 %, а в настоящее время ее содержание превысило 0,033 %. В океане этого газа растворено в 50 раз больше.

Углерод в больших количествах содержится в земной коре, прежде всего в карбонатных породах - 9,6*10¹⁵ т и горючих ископаемых (угли, нефть, сланцы, битумы, газы, торф). Разведанные запасы горючих ископаемых по углероду оцениваются в 10¹³ т.

Синтезированные растениями углеводы (глюкоза, сахароза, крахмал и другие) являются главным источником энергии для большинства гетеротрофных организмов.

Воздух по объему почти на 80 % состоит из молекулярного азота N₂ и представляет собой крупнейший резервуар этого элемента. Естественный цикл азота является более сложным, чем углерода. Большинство биологических форм не могут усваивать газообразный азот. Поэтому сначала происходит фиксация азота - превращение N₂ в неорганические и органические соединения, которые происходят как физико-химическим, так и биологическим путем. Основными фиксаторами азота являются бактерии, грибки и водоросли (прежде всего синезеленые).

В процессе цикла продуцент - консумент - редуцент нитраты становятся составной частью белков, нуклеиновых кислот и других компонентов. Погибшие организмы являются объектом деятельности редуцентов - бактерий и грибов, при этом они азот превращают в аммиак. И далее в нитрит и обратно газообразный азот (рис 2.4).

Рис. 2.4. Круговорот азота

Фосфор, необходимый животным и растениям для построения белков протоплазмы, поступает в круговорот за счет эрозии фосфатных пород и гуано, минерализации продуктов жизнедеятельности и органических остатков. Фосфаты потребляются растениями. Не образующий летучих соединений фосфор имеет тенденцию накапливаться в море. Вынос фосфора из моря на сушу осуществляется в основном с рыбой и с пометом морских птиц (рис 2.5).

Рис. 2.5. Круговорот фосфора (по П. Дювиньо и М. Тангу)

Сера относится к весьма распространенным химическим элементам, которые встречаются в свободном состоянии - самородная сера и в виде соединений - сульфидов, полисульфидов и сульфатов. Известно более 150 минералов серы, среди которых доминируют сульфаты. В природе широко распространены процессы окисления сульфидов до сульфатов, которые обратно восстанавливаются до H₂S и сульфидов. Эти реакции происходят при активном участии микроорганизмов, прежде всего десульфирующих бактерий и серобактерий.

В виде органических и неорганических соединений сера постоянно присутствует во всех живых организмах и является важным биогенным элементом, она входит в состав широко распространенных соединений: аминокислот, коферментов, витаминов.

Организмы в основном состоят из вышеперечисленных элементов, однако они не смогут жить, если не будут содержать в достаточных количествах некоторые катионы: калий, кальций, магний и натрий, которые относятся к группе макроэлементов, потому что их содержание выражается в сотых долях сухого вещества. Некоторые вещества нужны организмам в очень маленьких количествах, к ним, например, относятся железо, бор, цинк, медь, марганец, молибден и анион хлора. Микроэлементы выражаются в миллионных долях сухого вещества. В пищевую цепь они поступают в основном через круговорот воды. Они обладают высокой биологической активностью и участвуют во всех процессах жизнедеятельности: белковом, жировом, углеводном, витаминном, минеральном обмене, газо- и теплообмене, тканевой проницаемости, клеточном делении, образовании костного скелета, кроветворении, росте, размножении, иммунобиологических реакциях.

Циклы некоторых токсичных элементов. Второстепенные для живых организмов химические элементы, также как и жизненно важные, мигрируют между организмами и средой. В естественных экологических системах они содержатся в таких концентрациях и формах, что не оказывают отрицательного влияния на организмы. В настоящее время стала весьма острой проблема токсичных веществ.

Ртуть, также как и другие тяжелые металлы, почти не влиял на организмы до наступления индустриальной эры, потому что ее концентрации в природе были невелики, а она сама химически малоподвижна. Разработка месторождений и промышленное использование ртути (в электротехническом оборудовании, термометрах, красках и фунгицидах) увеличили ее поток в экосистемы. Чистый элемент не токсичен. Превращение в токсичные органические соединения ртути, такие как метилртуть и этилртуть, происходит благодаря бактериям, присутствующим в детритах и осадках. Эти соединения легко растворимы, подвижны и очень ядовиты. Химической основой агрессивного действия ртути является ее сродство с серой, в частности с сероводородной группой в белках. Эти молекулы связываются с хромосомами и клетками головного мозга. Рыбы и моллюски могут накапливать их до концентраций опасных для человека, употребляющего их в пищу, вызывая болезнь Минамата.

Кадмий представляет собой один из самых опасных токсикантов среды, он значительнее токсичнее свинца. В последние 30-40 лет он находит все большее техническое применение. Его попадание в пищевые цепи связано с его промышленными выбросами в воздух и воду. Кадмий имеет свойство накапливаться в организмах животных и растений. Отравление кадмием получило название кадмиоз или Болезнь Итай-итай (в переводе с японского «больно»).

Стронций-90 и цезий-137 - продукты деления атома, имеющие большой период полураспада. Эти ранее малоизученные элементы теперь являются объектами пристального внимания в связи с их большой опасностью для человека и животных. Они попадают в окружающую среду при производстве и использовании различных источников ядерной энергии. Эти вещества активно циркулируют по пищевым цепям и накапливаются в тканях животных и растений. Это связано с тем, что стронций по свойствам похож на кальций, а цезий - на калий. Стронций может оказывать также канцерогенное действие.

Дихлордифенилтрихлорэтан или просто ДДТ- пестицид (пестис - зараза, циде - убиваю, лат.), использовавшийся, а местами используемый до сих пор в сельском хозяйстве для борьбы с насекомыми. В свое время его открытие было отмечено Нобелевской премией. Он малорастворим и никогда не поступает в верхние слои атмосферы и при этом встречается повсюду. Его обнаруживают в тканях пингвинов Антарктиды. Он в основном мигрирует по пищевым цепям, при этом в конце пищевого цикла его концентрация может увеличиться в 1000 раз. Сейчас его использование запрещено.

Диоксины - это группа веществ, в которую входят сотни видов хлор-, бром- и хлорброморганических циклических эфиров. Диоксины образуются во многих технологических процессах различных производств, включая сжигание отходов, биологическую очистку сточной воды и сгорание топлива в двигателях. Эти вещества превосходят по своей токсичности соединения тяжелых металлов.

Глава 3. Экосистемы. Основные экологические законы

3.1 Экосистемы

Под системой вообще понимается совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, то есть структурно-функциональное единство.

С одной стороны система в науке рассматривается как единое целое, с другой - как совокупность элементов. Причем целое имеет новые, особые свойства, которые отсутствуют у его составляющих элементов (например, молекула обладает иными свойствами, чем составляющие ее атомы). Это закон эмерджентности (неожиданное появление, англ.) известный с древности, как “целое больше суммы его частей”. Очевидно, что никакая система не может сформироваться из абсолютно идентичных элементов. Даже в кристаллической решетке алмаза положение атомов углерода делает их функционально различными. Это закон необходимого разнообразия. Нижний предел - не менее двух элементов, а верхний - бесконечность.

Все многообразие мира можно представить в виде четырех последовательно возникших иерархий: физико-химической, биологической, социальной и технической (рис. 3.1). При их взаимодействии или объединении появляются новые системы, являющиеся экономическими или экологическими. Системы, элементы которых взаимосвязаны переносами (потоками) вещества, энергии и информации называются динамическими.

Основными характеристиками любой системы будут: а) границы, б) свойства элементов и системы в целом, в) структура, г) характер связей и взаимодействия между элементами системы, а также между системой и ее внешней средой.

Экологическая система представляет собой любую совокупность живых оpганизмов и сpеды их обитания, взаимосвязанных обменом веществ, энеpгии, и инфоpмации, котоpую можно огpаничить в пpостpанстве и во вpемени по значимым для конкpетного исследования пpинципам.

Рис. 3.1. Уровни организации материального мира (по В.Ф. Попову):

Ф-Х - физико-химическая, Б - биологическая, С - социальная, Т - техническая

Изучение пpиpодных экосистем в общем случае производится в стpуктуpном и функциональном аспектах.

Информационная сеть экосистемы состоит из потоков сигналов физико-химической природы. Управление в экосистемах основывается на обратной связи, по которой часть сигналов с выхода системы поступает обратно на ее вход.

В экосистемах формируются сложнейшие цепи и сети причинно-следственных связей, основанные на механизме обратной связи, которые часто образуют замкнутые кольца, именуемые контуром обратной связи. Простейшим примером такого контура служит модель "хищник-жертва".

Любая экологическая система является системой открытой, поскольку она всегда взаимодействует с внешней средой: солнечной радиацией, влагообоpотом на поверхности и в грунтах, ветровым переносом и выносом материала. Следовательно, любые пространственные ограничения экосистемы всегда условны.

Понятие экологической системы иерархично. Это означает, что всякая экологическая система определенного уровня включает в себя ряд экосистем предыдущего уровня, меньших по площади и сама она, в свою очередь, является составной частью более крупной экосистемы. Например, правомерно рассматривать в качестве экосистемы озерную впадину, ограниченную склонами котловины. Продолжая этот ряд вверх, можно подойти к экологической системе Земли - биосфере, а двигаясь вниз - к биогеоценозу, как элементарной биохорологической (хора - пространство, гр.) единице биосферы. Учитывая решающее значение на развитие живого вещества Земли зональных факторов, правомерно представить себе такой территориальный ряд соподчиненных экосистем: элементарные - локальные - зональные -?глобальные.

Надежная система может быть сложена из ненадежных элементов или подсистем, не способных к самостоятельному существованию. По отношению к экосистемам это правило может быть уточнено следующим образом: устойчивая экологическая система может состоять из менее устойчивых компонентов или подсистем; или - устойчивость экологической системы, как единого целого всегда выше устойчивости каждого отдельного ее компонента или подсистемы.

Классическим примером тому могут служить лишайники, коралловые рифы, сообщества “социально организованных” насекомых.

В открытых системах, к которым относятся и экологические, могут идти процессы как с возрастанием, так и уменьшением энтропии. При этом в экосистеме вещество распределяется таким образом, что в одних местах энтропия возрастает, а в других резко снижается. В целом же, система не теряет своей организованности или высокой упорядоченности.

Любая экосистема состоит из биотических (живые организмы) и абиотических (косная или неживая природа) компонентов.

Биоту (сообщество организмов), входящую в состав биогеоценоза или элементарной экосистемы, принято называть биоценозом (биос - жизнь, койнос - сообщество, гр.), а пространство им занятое - биотопом (топос - место, гр.). Совокупности пpиpодных фактоpов, в свою очередь, определяют и лимитируют развитие экосистем. Таким образом, абиотические компоненты в совокупности с биотическими и природными факторами, составляют экологические условия жизнеобитания.

Основой фоpмиpования и функциониpования биогеоценозов, а следовательно и экосистем, являются продуценты - растения и микроорганизмы, способные производить (пpодуциpовать) из неорганического вещества органическое, используя энергию света или химические реакции.

Они выделяют чистую первичную продукцию, обусловленную приростом биомассы, и валовую первичную продукцию, в которую входит общее количество продуцируемой в ходе фотосинтеза органики, включая энергию израсходованную на жизнедеятельность (например, на дыхание и выделение ароматических веществ). При этом первичной продуктивностью называют биомассу, а также энергию и летучие биогенные вещества, производимые продуцентами на единице площади за единицу времени.

Продуценты, использующие для пpодуциpования органического вещества солнечную энергию называются автотрофами (автос - сам, троф - питаться, гр.), а использующие химическую энергию - хемотpофами. К последним относятся оpганизмы, синтезирующие органическое вещество из неорганического за счет энергии окисления аммиака, сеpоводоpода, железа и других веществ, находящихся в почве или подстилающих горных породах. Сеpоводоpод, газы нефтяного ряда могут поступать из недр земли по тектоническим разломам, а близ поверхности Земли осваиваться хемотpофными бактериями.

Определяющим фактором видового состава экосистем являются фитоценозы - растительные сообщества, адекватные условиям их существования. Они характеризуются:

· максимальной эффективностью использования солнечной энергии для производства и накопления органического вещества;

· видовым разнообразием, обеспечивающим возможности адаптации к меняющимся условиям среды (например - тропические леса);

· высотной яpусностью, обеспечивающей возможность наиболее полного использования солнечного света (ярусы древесной, кустарниковой, кустарничковой, напочвенной растительности);

· широтной зональностью, высотной поясностью, различием на склонах различной экспозиции;

· оптимальным соотношением кон и корневой системы растений.

В отличие от продуцентов, образующих первичную продукцию экосистем, оpганизмы, использующие эту продукцию, получили название гетеpотpофы (гетерос - разный, гр.). Они используют для фоpмиpования своих оpганов готовое органическое вещество других организмов и продукты их жизнедеятельности.

Гетеротрофностью обладают консументы (консумо - потреблять, лат.) - потребители живого органического вещества, к которым относятся фитофаги и зоофаги. Консументы определяют вторичную продуктивность.

Фитофаги - травоядные (фитос - растение, фагос - пожиратель) или растительноядные. Фитофаги - вторичные аккумуляторы солнечной энергии, первоначально накопленной астениями. В животных тканях, особенно - жирах ее много больше, чем в растительных. Исключая семена злаков, бобовых и масличных культур.

Зоофаги - хищники, поедающие фитофагов и более мелких хищников. Хищники - важнейшие регулятоpы биологического равновесия: они не только регулируют количество животных-фитофагов, но выступают как санитары, поедая в первую очередь животных больных и ослабевших. Их полезность несомненна. Примеры: хищные птицы питающиеся мышами-полевками и другими полевыми грызунами и регулирующие их численность, дятлы, поедающие насекомых - фитофагов, стрижи и ласточки - кровососущих насекомых.

Крупные хищники малочисленны - надобно много свободной территории, где бы им не мешал человек. Их сохранение обеспечивается организацией особо охpаняемых территорий - заповедников, заказников, национальных и приpодных парков.

Симбиотpофы (симбиоз - сожительство, гр.) - микроорганизмы и грибы, живущие на корнях растений и вокруг них и получающие часть продуктов фотосинтеза в виде выделяемых корнями органических веществ. Они всасывают из почвы и передают растению воду и минеральные соли, переводят азот воздуха в формы, доступные для освоения растениями. Если взять все органическое вещество, которое продуцирует растение, 2/3 его сосредоточено в биомассе тканей самого растения, а 1/3 выделяется корнями в почву.

Симбиотpофы получают от корня растений органическое вещество, используя грибницу - гифы, тончайшие нити, опутывающие и внедряющиеся в корни растения и передают корням поглощенные из почвы воду и минеральные соединения. Бактерии минерализуют гумус, делают доступным органику почвы для растений, связывают недоступный растениям атмосферный азот в аммиак, который усваивается растениями. Азотфиксирующие бактерии развиваются вокруг корней бобовых.

Паразиты - консументы, начиная от вирусов и бактерий (микpопаpазитов) и кончая крупными pастениями-паpазитами или насекомыми. Паразиты - оpганизмы, обитающие внутри или на повеpхности животных или растений, которые питаются за счет организма хозяина, но не съедают его до гибели, а пользуются длительное время. Паразит использует жизненные ресурсы хозяина и способен сократить его жизнь. К ним также относятся:

· микpопаpазиты - вирусы и бактерии, вызывающие эпизоотии, эпидемии, некоторые болезни растений;

· грибковые, поражающие растения, животных и человека (лишаи);

· насекомые, откладывающие свои яйца в ткани растения или животного, включая другого насекомого. Используются для биологических методов борьбы;

· кровососущие (идеи Томиpдиаpо о гибели мамонтов).

Сапрофаги - животные, поедающие трупы и экскременты (вороны, галки, гиены, оpлы-стеpвятники, жуки-навозники, мухи и т.п.). Погибшие оpганизмы образуют детрит: запас органического вещества, который как бы выключен на какое то время из кругооборота органики. Детрит перерабатывают сапрофаги и редуценты (редуцере - возвращать назад, лат.). Собственно редуценты - микроорганизмы, разлагающие органическое вещество - детрит и экскременты животных до минеральных солей, которые возвращаются через почвенные растворы обратно корням растений. Переработка детрита, например упавших древесных стволов, процесс достаточно длительный.

Множество организмов - детритофагов живет в почве, королем почвы может быть назван дождевой червь, поедающий отмершие ткани растений. Пропуская их через свой кишечник он превращает их в экскременты с высоким содержанием органических веществ. Это один из активных производителей почвенного гумуса. Масса дождевых червей в почвах высокопродуктивных экосистем может быть выше массы наземных животных.

Связи при которых одни оpганизмы поедают другие оpганизмы или их останки или выделения (экскременты) называются трофическими (трофе - питание, пища, гр.). При этом пищевые взаимоотношения между членами экосистемы выражаются через трофические (пищевые) цепи. Примером цепей может служить одна из трофических цепей водоемов:

· микроскопические водоросли (фитопланктон) - ?жучки и дафнии (зоопланктон) - плотва - ?щука - ?чайки.

3.2. Основные законы и принципы гидроэкологии

Используя современные научные достижения в экологии и друх смежных наухможно ометить несколько наиболее важных законов и ринципов, которые применимы к гидоэкосистемам.

Закон биогенной миграции атомов (или закон Вернадского): миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется под превосходящим влиянием живого вещества, организмов. Так происходило и в геологическом прошлом, миллионы лет назад, так происходит и в современных условиях. Живое вещество или принимает участие в биохимических процессах непосредственно, или создает соответствующую, обогащенную кислородом, углекислым газом, водородом, азотом, фосфором и другими веществами, среду. Этот закон имеет важное практическое и теоретическое значение. Понимание всех химических процессов, которые происходят в геосферах, невозможно без учета действия биогенных факторов, в частности - эволюционных. В наше время люди влияют на состояние биосферы, изменяя ее физический и химический состав, условия сбалансированной веками биогенной миграции атомов.

Закон внутреннего динамического равновесия: вещество, энергия, информация и динамические качества отдельных естественных систем и их иерархии, очень тесно связанные между собою, так что любое изменение одного из показателей неминуемое приводит к функционально-структурным изменениям других, но при этом сохраняются общие качества системы - энергетические, информационные и динамические. Следствия действия этого закона обнаруживаются в том, что после любых изменений элементов естественной среды (вещественного состава, энергии, информации, скорости естественных процессов и т.п.) обязательно развиваются цепные реакции, которые стараются нейтрализовать эти изменения.

Изменения в больших экосистемах могут иметь необратимый характер, а любые локальные преобразования природы вызовут в биосфере планеты (то есть в глобальном масштабе) и в ее наибольших подразделах реакции ответа, которые предопределяют относительную неизменность эколого-экономического потенциала. Искусственное возрастание эколого-экономического потенциала, ограниченное термодинамической стойкостью естественных систем.

Закон исторической необратимости: развитие биосферы и человечества как целого не может происходить от более поздний фаз к начальным, общий процесс развития однонаправленный. Повторяются лишь отдельные элементы социальных отношений (рабство) или типы хозяйничанья.

Закон константности (сформулированный В. Вернадским): количество живого вещества биосферы (за определенное геологическое время) есть величина постоянная. Этот закон тесно связан с законом внутреннего динамического равновесия. По закону константности любое изменение количества живого вещества в одном из регионов биосферы неминуемое приводит к такому же по объему изменения вещества в другом регионе, только с обратным знаком. Следствием этого закона является правило обязательного заполнения экологических ниш.

Закон генетического разнообразия: все живое генетическое разное и имеет тенденцию к увеличению биологической разнородности.

Закон имеет важное значение в природопользовании, особенно если не сразу можно предусмотреть результат нововведений во время выращивания новых микрокультур через возникающие мутации или распространение действия новых биопрепаратов не на те виды организмов, на которые они рассчитывались.

Закон корреляции (сформулированный Ж. Кювье): в организме как целостной системе все его части отвечают одна другой как за строением, так и за функциями. Изменение одной части неминуемо вызовет изменения в других.

Закон максимизации энергии (сформулированный Г. и Ю. Одумами и дополненный М. Рэймерсом): в конкуренции с другими системами сохраняется та из них, которая наибольшее оказывает содействие поступлению энергии и информации и использует максимальную их количество наиэффективнее. Для этого такая система, большей частью, образовывает накопители (хранилища) высококачественной энергии, часть которой тратит на обеспечение поступления новой энергии, обеспечивает нормальный кругооборот веществ и создает механизмы регулирования, поддержки, стойкости системы, ее способности приспосабливаться к изменениям, налаживает обмен с другими системами.

Закон максимума биогенной энергии (закон Вернадского-Бауэра): любая биологическая и «бионесовершенная» система с биотой, которая находится в состоянии «стойкого неравновесия» (динамично подвижного равновесия с окружающей средой), увеличивает, развиваясь, свое влияние на среду. В процессе эволюции видов выживают те, которые увеличивают биогенную геохимическую энергию. Вместе с другими фундаментальными положениями закон максимума биогенной энергии служит основой разработки стратегии природопользования.

Закон минимума (сформулированный Ю. Либихом): стойкость организма определяется самым слабым звеном в цепи ее экологических потребностей. Если количество и качество экологических факторов близкие к необходимому организму минимума, он выживает, если меньшие за этот минимум, организм гибнет, экосистема разрушается. Поэтому во время прогнозирования экологических условий или выполнение экспертиз очень важно определить слабое звено в жизни организмов.

Закон ограниченности естественных ресурсов: все естественные ресурсы в условиях Земли исчерпаемы. Планета есть естественно ограниченным телом, и на ней не могут существовать бесконечные составные части.

Закон однонаправленности потока энергии: энергия, которую получает экосистема и которая усваивается продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой необратимо передается консументам первого, второго, третьего и других порядков, а потом редуцентам, что сопровождается потерей определенного количества энергии на каждом трофическом уровне в результате процессов, которые сопровождают дыхание. Поскольку в обратный поток (от редуцентов к продуцентам) попадает очень мало начальной энергии (не большее 0,25 %), термин «кругооборот энергии» есть довольно условным

Закон оптимальности: никакая система не может суживаться или расширяться к бесконечности. Никакой целостный организм не может превысить определенные критические размеры, которые обеспечивают поддержку его энергетики. Эти размеры зависят от условий питания и факторов существования.

Закон пирамиды энергий (сформулированный Р. Линдеманом): с одного трофического уровня экологической пирамиды на другого переходит в среднем не более 10 % энергии.

Закон равнозначности условий жизни: все естественные условия среды, необходимые для жизни, играют равнозначные роли. Из него вытекает другой закон - совокупного действия экологических факторов. Этот закон часто игнорируется, хотя имеет большое значение.

Закон развития окружающей среды: любая естественная система развивается лишь за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды. Абсолютно изолированное саморазвитие невозможно - это вывод из законов термодинамики.

Очень важными являются следствия закона. 1. Абсолютно безотходное производство невозможное. 2. Любая более высокоорганизованная биотическая система в своем развитии есть потенциальной угрозой для менее организованных систем. Поэтому в биосфере Земли невозможно повторное зарождение жизни - оно будет уничтожено уже существующими организмами 3. Биосфера Земли, как система, развивается за счет внутренних и космических ресурсов.

Закон толерантности (закон Шелфорда): лимитирующим фактором процветания организма может быть как минимум, так и максимум экологического влияния, диапазон между которыми определяет степень выносливости (толерантности) организма к данному фактору. Соответственно закону любой излишек вещества или энергии в экосистеме становится его врагом, загрязнителем.

Закон физико-химического единства живого вещества (сформулированный В. Вернадским): все живое вещество Земли имеет единую физико-химическую природу. Из этого явствует, что вредное для одной части живого вещества вредит и другой его части, только, конечно, разной мерой. Разность состоит лишь в стойкости видов к действию того ли другого агента. Кроме того, через наличие в любой популяции более или менее стойких к физико-химическому влиянию видов скорость отбора за выносливостью популяций к вредному агенту прямо пропорциональная скорости размножения организмов и дежурство поколений. Через это продолжительное употребление пестицидов экологически недопустимое, так как вредители, которые размножаются более быстро, более быстро приспосабливаются и выживают, а объемы химических загрязнений приходится увеличивать.

Закон экологической корреляции: в экосистеме все виды живого вещества и абиотические экологические компоненты функционально отвечают один другому. Выпадание одной части системы (вида) неминуемо приводит к выключению связанных с ею других частей экосистемы и функциональных изменений.

Глава 4. АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ГИДРОСФЕРУ

В процессе использования и потребления воды, необходимой для удовлетворения физиологических, хозяйственных и производственных потребностей людей, можно выделить три последовательных этапа: 1 - забор воды из природных источников и доставка ее к месту использования; 2 - использование воды в различных хозяйственно-бытовых и производственных процессах; 3 - отведение и сброс в водоприемники использованной или сопутствующей процессу воды.

Снижение загрязнения водных объектов достигается в основном по следующим направлениям.

Первое - это изменение технологических процессов, их совершенствование с целью снижения количества и видового состава загрязняющих отходов. Внедрение малоотходных и безотходных производств.

Второе - переход на ресурсосберегающее водообеспечение с максимально возможным использованием последовательной и оборотной системы водоснабжения, локальной доочистки вод.

Третье - это совершенствование методов очистки использованных вод. Причем, в отношении методов активной очистки сточных вод с созданием специальных очистных сооружений и систем, следует отметить, что локальная очистка вод, однородных по характеру загрязнения, намного эффективнее, проще и дешевле, чем очистка смеси сточных вод на централизованных очистных сооружениях.

И, наконец, в случаях неполноты или невозможности очистки сточных вод объекты-водоприемники, их гидрологический режим и гидробиологические особенности, режим сброса или способ захоронения сточных вод должны быть выбраны так, чтобы обеспечить соблюдение водоохранных и экологических норм.

4.1 Водопотребители и водопользователи

Коммунально-бытовое хозяйство. Доля коммунально-бытового водоснабжения в общем водопотреблении невелика. Однако, водоснабжение населения - важнейшая задача любого города или села. Отсутствие чистой питьевой воды - одна из главных причин болезней. Поэтому 80-е годы XX века объявлены Международным десятилетием питьевого водоснабжения и санитарии. Принцип приоритета коммунально-бытового водоснабжения заключается в том, что в любых условиях население должно быть обеспечено водой в первую очередь.

Коммунально-бытовое водоснабжение связано с непосредственным потреблением воды населением, с использованием воды для хозяйственно-бытовых целей, для удовлетворения нужд коммунально-бытового хозяйства, городского транспорта, строительных организаций.

Коммунально-бытовое хозяйство как водопотребитель имеет ряд особенностей. Прежде всего предъявляются высокие требования к качеству воды как по физическим свойствам, так и по химическим показателям. Важнейшим требованием является отсутствие в воде патогенных микробов, по содержанию которых воду делят на несколько типов (безупречно здоровая, здоровая, подозрительная, сомнительная, нездоровая, совершенно непригодная).

Особенностями коммунально-бытового водоснабжения являются также равномерность потребления воды в течение года и неравномерность в течение суток. При повышении температуры воздуха потребление воды несколько возрастает, но сезонные колебания не превышают 15 - 20 %. В то же время суточные колебания значительны, так как более 70 % воды потребляется днем.

Нормы хозяйственно-питьевого водоснабжения зависят от благоустройства жилого фонда населенного пункта и климатических условий, а часто и исторических.

Гидроэнергетика. В современных условиях гидроэнергетика - один из важнейших компонентов водохозяйственных комплексов. Полезный объем водохранилищ действующих гидроэлектростанций составляет 95 % общего полезного объема всех водохранилищ.

Гидроэлектростанции обладают такими достоинствами, как неистощимость энергетических ресурсов, высокая степень их использования (до 90 %), низкие себестоимость вырабатываемой энергии и затраты труда на единицу мощности (в 10 раз меньше, чем на тепловых (ТЭЦ) и атомных (АЭС) электростанциях).

Требования гидроэнергетики к водным ресурсам сводятся к обеспечению стабильного в течение года расхода воды. Для эффективной работы гидротурбин напор при сработке комплексных водохранилищ не должен падать больше, чем на 30 - 40 %.

Различают общий энергетический потенциал речного стока по отношению к уровню морей, технический - возможное использование гидроэнергетического потенциала на современном уровне развития техники и экономический - экономически целесообразный для реализации на гидроэлектростанциях при существующих ценах на топливо.

Наибольшим экономическим потенциалом в СССР располагали РСФСР (852 млрд. кВт-ч), затем Таджикская ССР (85), Киргизская ССР (48), Грузинская ССР (32), Казахская ССР (27), наименьшим - Белорусская ССР (0,9), Молдавская ССР (0,7) и Эстонская ССР (0,05 млрд. кВт-ч).

Из зарубежных стран наибольшим экономическим потенциалом гидроэнергии располагают США (705 млрд. кВт-ч), Заир (660), Бразилия (657), Канада (535), Колумбия (300), Бирма (225), Индия (221), Аргентина (152), Индонезия (150), Чили (146), Япония (132), Эквадор (126 млрд. кВт-ч). Наиболее полно он использован во Франции, Швеции и Швейцарии (более 90 %), а также в Италии, Австрии, Испании и Норвегии (более 70 %).

...