Лекційне заняття № 8 Водне середовище міста: формування якості, методи захисту та прогнозування стану поверхневих вод

1. Склад поверхневого стоку з міської та промислової територій.

2. Гідравлічні процеси формування якості поверхневих вод.

3. Самоочищення водних об'єктів.

4. Методи захисту та відновлення поверхневих водних об'єктів.

5. Прогнозування стану поверхневих вод.

Поверхневий стік з територій міст і промислових площадок є істотним джерелом забруднення і засмічення водних об'єктів. Встановлено, що в урбанізованих зонах з розвиненим агропромисловим сектором з поверхневим стоком у водні об'єкти надходить більш 80% забруднюючих речовин. Контроль за відведенням забрудненого поверхневого стоку регламентується Державним стандартом України ДСТУ 3013-95 "Правила контролю за відведенням дощових і снігових стічних вод з територій міст і промислових підприємств".

Поверхневий стік містить у собі дощові, снігові, поливні і миєчні стічні води. Він буває організованим і неорганізованим. Організований поверхневий стік збирається з водозбірної території за допомогою спеціальних лотків і каналів і надходить у мережі каналізації або прямо у водний об'єкт через випуски зливових вод. Неорганізований поверхневий стік стікає у водний об'єкт по рельєфу місцевості.

Основними джерелами забруднення поверхневого стоку на міських територіях є:

• сміття з поверхні покрить;

• продукти руйнування дорожніх покрить;

• продукти ерозії ґрунтових поверхонь;

• викиди речовин в атмосферу промисловими підприємствами, автотранспортом, опалювальними системами;

• протоки нафтопродуктів на поверхні покрить;

• утрати сипучих і рідких продуктів, сировини, напівфабрикатів;

• площадки для збору побутового сміття.

Найбільш високий рівень забруднення поверхневого стоку спостерігається на територіях великих торгових центрів, автомагістралях з інтенсивним рухом транспорту, територіях промислових і автотранспортних підприємств, неупорядкованих будівельних майданчиках.

Формування поверхневого стоку відбувається під впливом комплексу природних (атмосферні опади, випаровування, фільтрація, затримування вологи рослинами) і антропогенних (використання водозбірної території, застосування штучних покрить, технологія мийки штучних покрить) факторів. Специфічні особливості поверхневого стоку, пов'язані з епізодичністю його надходження, різкими змінами витрати і рівня забруднення, мінливістю складу забруднюючих речовин, значно утрудняють контроль і регламентацію надходження їх в міські системи водовідведення або у водні об'єкти.

Контроль складу поверхневого стоку здійснюють шляхом аналізу проб, що відбирають з дощової або промислово-дощової мережі. Добір проб роблять порціонно. Для одержання детальної інформації про склад поверхневого стоку проводиться аналіз кожної відібраної проби. Для дощових вод інтервал між добором проб на початку дощу дорівнює 5-10 хв., а в наступний період 20-30 хв. Орієнтовані дані про склад дощових вод одержують шляхом аналізу усередненої за період дощу проби. При цьому проби відбирають через рівні проміжки часу, а об'єми проб, що послідовно відбираються, повинні бути пропорційні витраті дощових вод. Для снігових вод проби відбирають у дні сніготанення між 12 і 14 годинами з інтервалом у 30 хв. Результати контролю використовують для оцінки виносу забруднюючих речовин з поверхневим стоком.

Оцінку виносу речовин з поверхневим стоком роблять на основі орієнтованих даних про склад і кількість поверхневого стоку. Для організованого поверхневого стоку використовують дані вимірів витрати стічних вод і результати аналізу проб. Для неорганізованого поверхневого стоку, а також при неможливості організувати необхідні виміри витрати поверхневого стоку визначають розрахунковим шляхом, а концентрації речовин у поверхневому стоці приймають на підставі узагальненої кількісної характеристики кожної складового поверхневого стоку.

Склад поверхневого стоку з території промислових підприємств визначається характером основних технологічних процесів, ефективністю роботи систем газоуловлення, організацією складування і транспортування сировини і відходів виробництва, санітарним станом території. Для забезпечення нормального виробничого процесу на території промислових підприємств повинно організовуватися своєчасне збирання і вивіз снігу. Основним видом поверхневого стоку в цьому випадку є дощові стічні води. У залежності від складу речовин, які накопичуються на території промплощадок і змиваються поверхневим стоком, промислові підприємства поділяють на дві групи. До першої групи відносять підприємства, поверхневий стік з території яких не містить специфічних речовин з токсичними властивостями і близький за своїм складом до дощового стоку з районів житлової забудови. До цієї групи відносять підприємства енергетичної галузі, чорної металургії (крім коксохімічних виробництв), машинобудування, металообробні і нафтопереробні заводи, приладобудівні заводи, підприємства легкої, харчової, електротехнічної галузей промисловості. Інші підприємства відносяться до другої групи і характеризуються наявністю в поверхневому стоці зі своєї території великої кількості органічних домішок і специфічних речовин.

У поверхневому стоці з території підприємств другої групи містяться також специфічні токсичні речовини, такі як важкі метали, феноли, фтор, миш'як, роданідиы, аміак і інші. Наявність специфічних речовин визначається технологією виробництва.

Для того щоб визначити кількість речовин, що надходять у водний об'єкт поверхневим стоком, необхідно знати його склад і витрати. Кількість дощових і снігових вод залежить від кількості атмосферних опадів, що випали, і характеристик водозбірної території. Об'єм поливномиєчних вод визначається прийнятою технологією мийки і площею оброблюваних покрить. Не всі атмосферні опади, що випали, і води, що утворяться після мийки площ, вулиць і автодоріг, попадають у водний об'єкт. Частина атмосферних опадів перехоплюється верхніми ярусами рослинного покриву і не досягає поверхні землі. Опади, що потрапили на водозбірну площу, і поливномиєчні води стікають по схилам місцевості у водний об'єкт, по шляху, затримуючися в нерівностях рельєфу, випаровуються, просочуються в ґрунт і ґрунтові води.

Якість води є наслідком двох основних процесів — надходження речовин із зовнішніх стосовно даного водного об'єкта джерел і внутріводоймових змін, що відбуваються з речовинами унаслідок функціонування водних екосистем. Оскільки екосистема — це єдиний природний комплекс, утворений живими організмами і середовищем їх існування, його компоненти зв'язані обміном речовини й енергії. Таким чином, у водної екосистемі одночасно функціонують біотичне співтовариство і нежива природа, причому нежива природа є джерелом речовин і енергії, необхідних для існування біоти. Потрапляючи у водний об'єкт, речовини стають елементами водних екосистем і включаються в основні процеси, що відбуваються в них. Насамперед, це процеси трансформації речовини. Трансформація речовини може здійснюватися фізичним, хімічним і біологічним шляхом. Речовини що надходять у водні об'єкти, вносять зміни, у їхній газовий і сольовий режими, що може привести до порушення рівноваги екосистем. У результаті процесів трансформації речовин, що надійшли, у водному об'єкті може відбуватися відновлення його первісного стану або здійснюватися перехід в інший стійкий стан. Процеси, у результаті яких відновлюється фоновий стан водного об'єкта, називаються процесами самоочищення. Самоочищення — це перший із процесів, що формують якість води у водному об'єкті. Основним постачальником речовини й енергії є водна маса. Другим процесом, що впливає на формування якості води, є перенос речовини й енергії водним потоком. У силу притаманних водному потокові фізичних особливостей у ньому відбувається безперервний перерозподіл речовини й енергії, обумовлений процесами перемішування. Процес формування якості води у водному об'єкті можна представити в такий спосіб:

1. розчинені і зважені речовини надходять у водний об'єкт із зосереджених або дифузійних джерел;

2. під впливом гідравлічних факторів (перенос і перемішування) відбувається кількісний перерозподіл речовин у водному потоці;

3. під впливом фізичних, хімічних і біологічних факторів відбувається якісна трансформація речовин.

Зазначимо, що здатність піддаватися якісній зміні властива не всім речовинам. Речовини, що не піддаються процесам хіміко-біологічної трансформації, одержали найменування консервативних, а протилежні їм за властивостями речовини називають неконсервативними. Кількісною характеристикою здатності речовин піддаватися хіміко-біологічної трансформації є коефіцієнт неконсервативності (к), що, за визначенням, є величиною, пропорційної швидкості зміни концентрації речовини. У залежності від його величини всі неконсервативні речовини поділяються на речовини, що окиснюються легко біологічно м'які, (k >0,13 1/доба), речовини, що окиснюються важко біологічно тверді, (k < 0,025 1/доба) і проміжні речовини (0,025 < k < 0,13 1/доба). Величина коефіцієнта неконсервативності залежить від властивостей речовини, гідродинамічних характеристик потоку й умов зовнішнього середовища.

Вода є тим фізичним середовищем, у якій водна екосистема здійснює круговорот речовини й енергії. Крім того, для консервативних речовин гідравлічні процеси є єдиними з внутрішньо водоймними і впливають на їхню концентрацію.

При розрахунку переносу речовин і тепла потоками природних вод звичайно виходять із уявлення про пасивність домішок, тобто припускають, що наявність домішки не впливає на рух води й інтенсивність перемішування. Характер переносу речовини потоком залежить від виду руху рідини, що у свою чергу визначається типом водного об'єкта і його гідравлічних характеристик. У водотоках істотну роль у формуванні якості води грає конвективний перенос. Для водойм цей процес характерний тільки при наявності яскраво виражених стокових потоків (водоймища, проточні озера). У цьому випадку хід внутріводоймових процесів багато в чому визначається ступенем проточності водойми. Кількісною характеристикою ступеня проточності є час водообміну, тобто період, за який відбувається повна заміна води водойми водами припливів. Найчастіше в інженерній практиці використовується поняття умовного часу водообміну, який визначає період водообміну при відсутності змішання вод припливів з водою водойми. У реальних умовах у проточних водоймах відбувається не тільки витіснення води, але і часткове (або повне) перемішування вод припливів з водою водойм, тому реальний час водообміну більший, ніж умовний.

Реальні водотоки є безнапірними турбулентними потоками, рух води в які в сталих умовах має нерівномірний характер. Це пояснюється непризматичним характером русел реальних водотоків. Однак розрахункові залежності для нерівномірних потоків досить складні і незручні в практичному використанні. Тому в інженерно-екологічних розрахунках приймають, що на окремих ділянках водотоків рух води має рівномірний характер. При цьому ділянку природного неправильного русла заміняють яким-небудь призматичним, а ухил дна приймають рівним ухилові вільної поверхні або усередненому ухилові дна реального русла. У цьому випадку для переносу речовини потоком можуть бути використані досить прості методи на основі рівняння нерозривності і формули Шезі.

Більш складною задачею є облік ефекту турбулентності. Відмітною рисою турбулентного режиму потоків є пульсація швидкостей, тобто безперервна їхня зміна в кожній точці потоку за величиною і напрямком. Основними джерелами виникнення турбулентності є зони розриву швидкостей, тобто такі області, де спостерігається різкий стрибок швидкостей між прилягаючими шарами рідини. Пульсаційний рух обумовлює обмін між сусідніми шарами рідини. Цей процес одержав назву турбулентного перемішування. Турбулентне перемішування завжди спрямоване на вирівнювання концентрацій або температур. Оскільки цей процес за своїм результатом аналогічний процесові молекулярної дифузії, то турбулентне перемішування називають також турбулентною дифузією. Від молекулярної дифузії цей процес відрізняється природою (джерело молекулярної дифузії — тепловий рух молекул, а турбулентної — пульсації швидкостей) і масштабом (масштаб молекулярної дифузії порядку 10^-8 м, а турбулентної — порядку сантиметрів).

Турбулентна дифузія приводить до перемішування забруднених струменів рідини із суміжними, більш чистими. Результатом цього процесу є розведення стічних вод основним потоком. Розведення діє однаково як на консервативні, так і на неконсервативні речовини. Інтенсивність і характер перемішування стічних вод з водою водних об'єктів залежить від гідравлічних характеристик водного об'єкта, кількості і способу надходження стічних вод. Спосіб надходження стічних вод визначається типом випуску.

Найменш ефективними з погляду розведення є берегові випуски. Більш ефективні руслові випуски. Вони являють собою трубопроводи, виведені безпосередньо в русло в місцях найбільш інтенсивного потоку. Трубопровід закінчується одним або декількома оголовками. Найбільш ефективним типом руслового випуску є розсіюючий випуск. Він являє собою трубу-розподільник, що має кілька оголовків, розташованих уздовж труби.

Між компонентами водної екосистеми в процесі її функціонування безупинно відбувається обмін речовиною й енергією. Цей обмін носить циклічний характер різного ступеня замкнутості, супроводжуючи трансформацією речовини під впливом фізичних, хімічних і біологічних факторів. У ході трансформації може відбуватися поступове розкладання складних речовин до простих, а прості речовини можуть синтезуватися в складні. У залежності від інтенсивності зовнішнього впливу на водну екосистему і характеру протікання процесів відбувається або відновлення водної екосистеми до фонових станів (самоочищення), або водна екосистема переходить до іншого стійкому стану, що буде характеризуватися вже іншими кількісними і якісними показниками біотичних і абіотичних компонент. У випадку, якщо зовнішній вплив перевищить саморегулюючі можливості водної екосистеми, може відбутися її руйнування. Самоочищення водних екосистем є наслідком здатності до саморегулювання. Надходження речовин із зовнішніх джерел є вплив, якому водна екосистема здатна протистояти у визначених межах за допомогою внутрісистемних механізмів. В екологічному змісті самоочищення є наслідком процесів включення речовин, що надійшли у водний об'єкт, у біохімічні круговороти за участю біоти і факторів неживої природи. Круговорот будь-якого елемента складається з двох основних фондів — резервною, утвореною великою масою повільно змінюються компонентів, і обмінного (циркуляційного), що характеризується швидким обміном між організмами і середовищем їх існування. Усі біохімічні круговороти можна розділити на два основних типи — з резервним фондом в атмосфері (наприклад, азот) і з резервним фондом у земній корі (наприклад, фосфор).

Самоочищення природних вод здійснюється завдяки залученню речовин, що надходять із зовнішніх джерел, у безупинно відбуваються процеси трансформації, у результаті яких речовини, що надійшли, повертаються у свій резервний фонд.

Трансформація речовин є результат різних одночасно діючих процесів, серед яких можна виділити фізичні, хімічні і біологічні механізми. Величина внеску кожного з механізмів залежить від властивостей домішки й особливостей конкретної екосистеми.

Фізичні механізми самоочищення. Газообмін на границі розділу "атмосфера-вода". Завдяки цьому процесові здійснюється надходження у водний об'єкт речовин, що мають резервний фонд в атмосфері, і повернення цих речовин з водного об'єкта в резервний фонд. Одним з важливих окремих випадків газообміну є процес атмосферної реаерації, завдяки якому відбувається надходження у водний об'єкт значної частини кисню. Інтенсивність і напрямок газообміну визначаються відхиленням концентрації газу у воді від концентрації насичення C_s. Величина концентрації насичення залежить від природи речовини і фізичних умов у водному об'єкті — температури і тиску. При концентраціях, більших C_s., газ повертається в атмосферу, а при концентраціях, менших C_s., газ поглинається водною масою.

Сорбція — поглинання домішок зваженими речовинами, донними відкладеннями і поверхнями тіл гідробіонтів. Найбільше енергійно сорбуються колоїдні частки й органічні речовини, що знаходяться в недисоційованому молекулярному стані. В основі процесу лежить явище адсорбції. Швидкість нагромадження речовини в одиниці маси сорбенту пропорційна його ненасиченості по даній речовині і концентрації речовини у воді і назад пропорційна змістові речовини в сорбенті. Прикладами нормованих речовин, підданих сорбції, є важкі метали і СПАР.

Осадження і взмулювання. Водні об'єкти завжди містять деяку кількість зважених речовин неорганічного й органічного походження. Осадження характеризується здатністю зважених часток випадати на дно під дією сили ваги. Процес переходу часток з донних відкладень у зважений стан називається взмулюванням. Він відбувається під дією вертикальної складової швидкості турбулентного потоку.

Хімічні механізми самоочищення. Фотоліз — перетворення молекул речовини під дією світла, що поглинається ними. Окремими випадками фотолізу є фотохімічна дисоціація — розпад часток на більш прості і фотоіонізація — перетворення молекул в іони. З загальної кількості сонячної радіації порядку 1% використовується у фотосинтезі, від 5% до 30% відбивається водною поверхнею. Основна ж частина сонячної енергії перетворюється в тепло і бере участь у фотохімічних реакціях. Найбільш діюєвою частиною сонячного світла є ультрафіолетове випромінювання. Ультрафіолетове випромінювання поглинається в шарі воді товщиною порядку 10 см, однак завдяки турбулентному перемішуванню може проникати й у більш глибокі шари водних об'єктів. Кількість речовини, що піддалася дії фотолізу, залежить від виду речовини і його концентрації у воді. З речовин, що надходять у водні об'єкти, відносно швидкому фотохімічному розкладанню піддаються гумусні речовини.

Гідроліз — реакція іонного обміну між різними речовинами і водою. Гідроліз є одним з ведучих факторів хімічного перетворення речовин у водних об'єктах. Кількісною характеристикою цього процесу є ступінь гідролізу, під яким розуміють відношення гідролізованої частини молекул до загальної концентрації солі. Для більшості солей вона складає кілька відсотків і підвищується зі збільшенням розведення і температури води. Гідролізові піддаються й органічні речовини. При цьому гідролітичне розщеплення найчастіше відбувається по зв'язку атома вуглецю з іншими атомами.

Біохімічне самоочищення є наслідком трансформації речовин, яку здійснюють гідробіонти. Як правило, біохімічні механізми вносять основний вклад у процес самоочищення і тільки при пригнобленні водних організмів (наприклад, під дією токсикантів) більш істотну роль починають грати фізико-хімічні процеси. Біохімічна трансформація речовин відбувається в результаті їхнього включення в трофічні ланцюги і здійснюється в ході процесів продукції і деструкції.

Особливо важливу роль грає первинна продукція, тому що вона визначає більшість внутріводоймових процесів. Основним механізмом новотвору органічної речовини є фотосинтез. У більшості водних екосистем ключовим первинним продуцентом є фітопланктон. У процесі фотосинтезу енергія Сонця безпосередньо трансформується в біомасу. Побічним продуктом цієї реакції є вільний кисень, утворений за рахунок фотолізу води. Поряд з фотосинтезом у рослинах йдуть процеси дихання з витратою кисню.

Автотрофна продукція і гетеротрофна деструкція — дві найважливіші сторони перетворення речовини й енергії у водних екосистемах. Характер і інтенсивність продукційно-деструкційних процесів і, отже, механізм біохімічного самоочищення визначаються структурою конкретної екосистеми. Тому вони можуть істотно розрізнятися в різних водних об'єктах. Більш того, у межах одного водного об'єкта існують різні зони життя (екологічні зони), що відрізняються співтовариствами організмів, що їх населяють. Ці відмінності обумовлені зміною умов існування при переході від поверхні до глибини і від прибережних зон до відкритих частин.

У водотоках у силу інтенсивного перемішування і невеликих глибин вертикальна зональність не виражена. По живому перетині потоку розрізняють рипаль — прибережну зону і медиаль — відкриту зону, що відповідає стрижневі ріки. Для рипалі характерні невисокі швидкості потоку, зарослі макрофітів, високі значення кількісного розвитку гідробіонтів. У медиалі швидкості руху води вище, кількісний розвиток гідробіонтів нижче. По подовжньому профілю розрізняють зони плесів і зони перекатів. У зоні плесів, що характеризуються уповільненим потоком, населення кількісно багатче, але якісно бідніше. Для перекатів характерна зворотна картина.

Комплекс екологічних умов позначається на процесах самоочищення у водотоках. Для уповільнених потоків характерні сприятливі умови для фотосинтезу, інтенсивні процеси трансформації речовин, процеси осадження. Для зон з підвищеними швидкостями характерні інтенсивні процеси перемішування, газообміну і деструкції речовин.

У водоймах екологічна зональність виявляється чіткіше, ніж у водотоках. У водоймах по горизонтальному профілю виділяють літораль — зону прибережних мілководь і пелагіиаль (лімнічна зона) — зону відкритої води. У глибоких водоймах у водній масі пелагіалі по вертикалі виділяють три зони — епілімніон, металімніон і гіполімніон. Металімніон, або термоклин, є зоною, що розділяє епілімніон і гіполімніон. Він характеризується різким зниженням температури води (1 градус на 1 м глибини). Вище металімніона розташований епілімніон. Для епілімніона характерна перевага продукційних процесів. Зі збільшенням глибини, у міру зниження фотосинтетично активної радіації (ФАР) відбувається зменшення інтенсивності фотосинтезу. Глибина, при якій продукція стає рівною деструкції, називається компенсаційним горизонтом. Вище нього розташовується трофогенна зона, де переважають продукційні процеси, а нижче — трофолітична, де переважають процеси дихання і розкладання. Трофогенна зона знаходиться в епілімніоні, а трофолітична, як правило, охоплює металімніон і гіполімніон.

У придонній зоні водойм, крім літоралі, виділяють профундаль — глибоководну частину, що приблизно збігається з частиною ложа водойми, заповненої водами гіполімніона.

Таким чином, у водоймах можна виділити зони з перевагою фотосинтетичної продукції і зони, де йдуть тільки процеси деструкції речовин. У гіполімніоні, особливо в зимовий і літній періоди, часто спостерігаються анаеробні умови, що знижує інтенсивність процесів самоочищення. Навпроти, у літоралі температурний і кисневий режими сприятливі для інтенсивного протікання процесів самоочищення.

Евтрофікування, під яким розуміють гіперпродукцію органічної речовини у водному об'єкті під дією зовнішніх і внутріводоймних факторів, є однієї із серйозних екологічних проблем, з яким зіштовхуються майже всі розвинуті країни. Евтрофікуванню піддані практично будь-які водні об'єкти, однак найбільше яскраво воно виявляється у водоймах. Евтрофікація водойм є природним процесом, її розвиток оцінюється геологічним масштабом часу. У результаті антропогенного надходження біогенних речовин у водні об'єкти відбувається різке прискорення евтрофікації. Підсумком цього процесу - антропогенної евтрофікації - є зменшення тимчасового масштабу евтрофікації від тисяч років до десятиліть. Особливо інтенсивно процеси евтрофікації протікають на урбанізованих територіях, що зробило їх одним з найбільш характерних ознак, властивим міським водним об'єктам.

Трофність водного об'єкта відповідає рівневі надходження органічної речовини або рівневі його продукування в одиницю часу і, таким чином, є вираженням спільної дії органічної речовини, що утворилася при фотосинтезі і надійшла ззовні. За рівнем трофності виділяють два крайніх типи водних об'єктів — оліготрофні і евтрофні.

Основним механізмом природного процесу евтрофікації є замулювання водойм. Антропогенна евтрофікація відбувається внаслідок надходження у воду надлишкової кількості біогенних елементів, як результат господарської діяльності. Високий зміст біогенів стимулює автотрофну гіперпродукцію органічної речовини. Результатом цього процесу є цвітіння води внаслідок надмірного розвитку флори. Серед біогенних елементів, що надходять у воду, найбільший вплив на процеси евтрофікації мають азот і фосфор, оскільки їхній зміст і співвідношення регулює швидкість первинного продукування. Інші біогенні елементи, як правило, містяться у воді в достатніх кількостях і не впливають на процеси евтрофікації.

Віднесення водного об'єкта до певного рівня трофности здійснюється по надходженню органічної речовини. Оскільки зазначений параметр на практиці контролювати складно, як індикатори трофічного рівня використовують інші характеристики водної екосистеми, які тісно пов'язані з трофічним станом водойми. Ці характеристики називають індикаторними. Найбільше часто в сучасній практиці як індикатори використовують величини надходження біогенних речовин, концентрації біогенних речовин у водному об'єкті, швидкість розходування кисню в гіполімніоні, прозорість води, біомасу фітопланктону. Фітопланктон є основним первинним продуцентом у більшості водних екосистем. Тому екологічний стан більшості водойм визначається фітопланктоном і залежить від ряду фізичних, хімічних і біологічних факторів середовища існування.

Фізичні фактори евтрофікації. Освітленість. Проникнення світла в товщу води визначається рядом факторів. Падаюче світло поглинається самою водою і розчиненими в ній забарвленими речовинами, розсіюється зваженими речовинами, що знаходяться у воді. Глибина, на якій освітленість складає 5% від освітленості на поверхні, називається евфотним горизонтом. Вище евфотного горизонту розташовується евфотна зона. Зміна первинної продукції по глибині залежить від зміни освітленості. У літні місяці можливий зсув максимуму продуктивності в глибину. Це пояснюється надлишковою освітленістю на поверхні, що приводить до пригноблення фітопланктону, унаслідок чого найкращі умови для його існування створюються в більш глибоких шарах.

Температура впливає на фізичні і біологічні процеси евтрофікації. Вона визначає ступінь насичення води киснем, температурний профіль впливає на інтенсивність вертикальної турбулентності й у такий спосіб впливає на перенос біогенів із придонних областей у епілімніон. Температура також впливає на величину первинної продукції. Значення оптимальної температури міняється в залежності від виду організмів, але в більшості випадків лежить у діапазоні 20-25^о С.

Швидкість потоку. Величина швидкості впливає на життєдіяльність гідробіонтів. При значеннях швидкостей, рівних так званій лімітуючій швидкості, починається процес пригноблення гідробіонтів, а збільшення швидкості до значень більше критичних приводить до загибелі гідробіонтів.

Хімічні фактори евтрофікації. Розчинений кисень (РК). Низька концентрація РК у воді приводить до розвитку анаеробних процесів. У цьому випадку основним джерелом продукування стають анаеробні процеси ферментації, що приводять до виділення у воду метану і сірководню. Концентрація РК змінюється як із глибиною, так і протягом добового циклу. У денний час у трофогенному шарі відбувається збільшення концентрації РК. Однак у темний час доби фотосинтетична діяльність відсутня і відбувається тільки споживання кисню. Амплітуда добових коливань РК пропорційна біомасі первинних продуцентів. У евтрофікованих водоймах це може привести до формування в темний час доби анаеробних умов.

Біогенні елементи. Гідробіонтам потрібно безліч біогенних речовин у визначеній пропорції. При недостачі кожного з них швидкість росту популяції сповільнюється. У цілому, швидкість росту популяції залежить від наявності елемента, що лімітує, і може бути описана кривою Міхаеліса-Ментен-Моно. Як правило, до числа елементів, що лімітують, у водних екосистемах відносяться фосфор, азот і, значно рідше, вуглець. При підвищеному надходженні біогенів, що лімітують, швидкість первинного продукування може досягти максимальної величини, що приводить до евтрофікації.

Біологічні фактори евтрофікації. Більшість організмів може існувати у визначеному діапазоні фізичних і біохімічних впливів, що називається діапазоном толерантності. У процесі адаптації біологічні види можуть розширювати свій діапазон толерантності. Оскільки згодом умови середовища існування в екосистеме міняються, перевагу одержують види, що володіють більшою здатністю пристосовуватися до нових умов. Результатом цього є сукцесія співтовариств.

З розвитком евтрофікації домінуючими стають екстремальні умови за концентрацією РК, освітленості, приступності біогенних речовин. У цих умовах перевагу одержують синьозелені водорості (cianobacteria), що мають найбільшу здатність до адаптації завдяки:

• своїм відносно великим розмірам, через що вони не можуть споживатися зоопланктоном;

• здатності фіксувати розчинений у воді азот, протидіючи, таким чином, умовам його лімітування;

• здатності обходитися меншим змістом у воді двоокису вуглецю в порівнянні з іншими водоростями;

• інтенсивному розвиткові при більш низькому, чим іншої водорості, співвідношенні азоту до фосфору;

• виділенню у воду продуктів, що припиняють ріст інших водоростей;

• здатності регулювати свою плавучість, протидіючи несприятливому впливові фізичних факторів.

Здатність поверхневих водних об'єктів підданих антропогенному навантаженню до самоочищення, як правило, недостатня для протистояння високому рівневі зовнішнього негативного впливу. У результаті водні екосистеми піддаються перебудові, наслідком якої є збідніння видового складу, біологічної цінності гідробіонтів, погіршення якісних характеристик води. З цієї причини для промислово розвинутих країн із граничною гостротою виникає проблема захисту водних об'єктів і відновлення деградованих водних екосистем. Рішення цієї задачі можливе тільки шляхом спільного впливу на аллохтонне надходження речовин у водні об'єкти і внутріводоймові процеси.

Зовнішній вплив на водні об'єкти виявляється у вигляді надходження в них сторонніх домішок і тепла, що приводить до порушення норм якості води. З метою підтримки здатності водних об'єктів, що самооищення, і забезпечення різних видів водокористування обсяг зовнішніх впливів не повинен перевищувати встановлених нормативів ГДС. Реалізація норм ГДС досягається за рахунок зменшення кількості зворотних вод або зниження концентрації речовин у них. Основними організаційно-технічними заходами, що застосовуються в цих цілях, є:

• зміна технології виробництва;

• каналізування і санітарне очищення міст;

• повторне використання стічних вод;

• очищення стічних вод.

Зміна технологічних процесів убік ресурсо зберігаючих, мало- і безвідходних технологій є одним з найбільш економічно й екологічно ефективних напрямків. Однак такий шлях, як правило, характеризується високою капіталоемністю і вимагає первісних інвестицій.

Каналізування населених пунктів дозволяє запобігти забрудненню водних об'єктів неорганізованим стоком. Організований стік з каналізаційних мереж, як правило, направляється на очисні споруди. При відсутності очисних споруд зниження негативного впливу на якість води водних об'єктів може бути досягнута за рахунок використання спеціальних конструкцій випусків стічних вод, що забезпечують більш ефективне розведення стічних вод.

Санітарне очищення території дозволяє знизити надходження речовин у дощові і снігові стічні води, знизити забруднення грунтових вод і тим самим зменшити надходження забруднюючих речовин у водні об'єкти. Цей метод є досить ефективним і відносно малозатратним.

Повторне використання стічних вод може здійснюватися шляхом оборотного водопостачання в межах одного підприємства або передачею стічних вод в інші сфери господарювання. Наприклад, використання очищених стічних вод для технічного водопостачання або зрошення.

Оборотне водопостачання може здійснюватися як єдина система для всього підприємства або у вигляді окремих циклів для цеху або групи цехів.

Запобігання скидання підігрітих вод зменшує імовірність розвитку процесів евтрофікації водних об'єктів.

Очищення стічних вод є найбільш традиційним способом зниження навантаження на водні об'єкти.

Керування якістю води водних об'єктів на основі цілеспрямованого втручання в хід внутріводоймових процесів досягається в основному впливом на абіотичні компоненти екосистеми.

Технології захисту і відновлення для водотоків. В основі цих технологій лежить цілеспрямована зміна гідрологічних умов або безпосередній вплив на біотичну частина водної екосистеми. Основними технічними рішеннями є зміна швидкості потоку, форми поперечного переріза русла, матеріалу кріплення берегових укосів і розробка спеціальних біоінженерних споруд.

Швидкість потоку є одним з головних екологічних факторів у водотоках. Вона впливає на всі біотичні компоненти водної екосистеми - планктон, бентос, перифітон, макрофіти. Цей вплив має прямий і непрямий характер. Прямий виявляється в безпосередньому механічному впливі потоку на гідробіонти. Непрямий вплив здійснюється через зміну фізичних і хімічних умов у водотоці, наприклад, швидкості процесу атмосферної реаерації, умов перемішування, мутності потоку. Швидкість потоку є комплексним керуючим фактором. Чим більше час перебування речовини у водотоці, тим сильніше виявляються процеси біохімічної трансформації речовин. Чим більше транспортуюча здатність потоку, тим менше його прозорість. У свою чергу прозорість води сильно впливає на продукційні процеси і тепловий режим водотоків. Швидкість потоку лімітує швидкість росту різних біотичних співтовариств. Для кожного виду водоростей існує так звана лімітуюча швидкість потоку при досягненні якої розвиток водоростей сповільнюється, і критична швидкість потоку, при якій водорості перестають розвиватися і можуть загинути.

Форма перетину русла має велике значення для трансформації органічних речовин. Змінюючи форму русла, можна змінювати швидкість потоку і співвідношення трофогенного і трофолітичного шарів, домагаючись у такий спосіб необхідного співвідношення продукції і деструкції.

При штучному облицюванні берегових укосів, характерному для водних об'єктів, що знаходяться в межах міста, велике значення має використовуваний лицювальний матеріал. Його вид багато в чому визначає інтенсивність процесів самоочищення. Наприклад, облицювання берегів щебенем або бетоном приводить до їхнього посиленого обростання і, як наслідок — до автохтонного вторинного забруднення водного об'єкта за рахунок збільшення продукції органічної речовини.

Перспективним напрямком розвитку технологій захисті водотоків є розробка біоінженерних споруд типу біоплато. Для захисту і відновлення водних об'єктів використовують природні або штучні біоплато різних типів. Руслові біоплато являють собою мілководні розширення русла з розвитий вищою водною рослинністю. Очищення води тут проводиться вищою водною рослинністю по всьому перетині потоку. Створення руслових біоплато можливе на ділянках водотоків глибиною не більш 1,5—2 м, зі швидкістю потоку до 0,2—0,3 м/с. Берегові біоплато являють собою зарослі вищої водної рослинності уздовж берегів водотоку. Очищення води в цьому випадку відбувається тільки частиною потоку. Гирлові біоплато розташовуються в місцях впадання у водотік малих приток. Наплавні біоплато призначені для очищення верхнього шару поверхневих вод. У цьому випадку вища водна рослинність розмішається в спеціальних плаваючих контейнерах, що розташовуються поперек потоку.

Біоінженерні споруди типу біоплато дозволяють істотно понизити вміст забруднюючих речовин у поверхневих водах. Очищення води здійснюють всі елементи співтовариства вищої водної рослинності. Зважені речовини затримуються й осаджуються в основному макрофітами. Головну роль у деструкції органічних речовин грає бактериоперифітон — бактеріальна плівка, що розвивається на підводній частині вищої водної рослинності. Біогенні елементи асимілюються вищою водною рослинністю, накопичуються в надводній її частині і кореневій системі, що дозволяє надовго виключити їх з водного середовища. Нафтопродукти окиснюються бактериоперифітоном і карбогенокиснюючими бактеріями, кількість яких у заростях вищої водної рослинності істотно зростає за рахунок виділення рослинами специфічних стимуляторів і споживання ними інгібіторів росту цих бактерій. Пестициди, важкі метали і радіонукліди вилучаються вищою водною рослинністю і накопичуються в її кореневій системі і зеленій масі. Феноли накопичуються і трансформуються вищою водною рослинністю, летучі феноли частково виділяються в атмосферу.

Технології для захисту і відновлення водойм. У водоймах характер внутріводоймових процесів багато в чому визначається ступенем і характером екологічної стратифікації. Найважливішою проблемою водойм є евтрофікація, тому більшість захисних технологій спрямовані на протидію цьому процесові. Такі технології називаються технологіями деевтрофікації. Метою деевтрофікації є зниження рівня трофності водних об'єктів.

Видалення донних відкладень. Вміст біогенних елементів у донних відкладеннях звичайно збільшується від нижніх шарів до верхнього. Тому видалення верхніх шарів цих відкладень приводить до оголення шарів, збіднених біогенними елементами і, отже, до зниження переносу їх у водну товщу.

Екранування донних відкладень, що створює фізичний бар'єр на границі розділу "вода - донні відкладення". Як екран можуть використовуватися пластикові плівки, пісок, глина.

Відвід води з гіполімніона, у результаті якого з водойми вилучаються багаті біогенами води. Ця технологія ефективна в глибоких водоймах з великим періодом водообміну.

Хімічна обробка, заснована на використанні речовин, що сприяють осадженню біогенних елементів або перетворенню їх у менш доступну для мікроорганізмів форму. Найбільш ефективним і екологічно безпечним є використання в цих цілях сульфату алюмінію.

Зміна умов середовища перебування. В основі цих технологій звичайно лежить затемнення, що приводить до зниження первинної продукції органічної речовини. Існують різні технології затемнення - використання спеціальних барвників, що вибірково пропускають сонячне світло, світлонепроникних плаваючих покриттів, посадка високих дерев по берегах.

Прогноз стану поверхневих вод базується на математичному моделюванні процесів формування якості води з урахуванням існуючих і планованих зовнішніх впливів на водний об'єкт. Моделі якості води можуть бути різної складності. Чим складніше процеси, що моделюються, тим більшу кількість параметрів включають у модель.

Для оперативного прогнозу звичайно використають динамічні моделі, що дозволяють ураховувати мінливість стану водного об'єкта в часі. При середньостроковому й довгостроковому прогнозуванні використовуються статистичні й аналітичні моделі. Статистичні моделі засновані на аналізі й статистичній обробці експериментальних даних, отриманих безпосередньо на досліджуваному водному об'єкті. Аналітичні моделі дозволяють виконати прогноз якості води, використовуючи теоретичні уявлення про природу й основні закономірності модельованих процесів. Цей клас моделей відрізняється більшою, у порівнянні зі статистичними моделями, універсальністю й одержав широке розповсюдження в прогнозних розрахунках.

За рівнем складності моделі якості води поділяють на 4 основні групи:

• балансові моделі, в основі яких лежить баланс між надходженням, об'ємом і зміною в результаті внутріводоймових процесів маси речовини у водному об'єкті;

• однокомпонентні моделі, що описують трансформацію окремих речовин у водному середовищі;

• двохкомпонентні моделі, що описують взаємозалежну трансформацію БСК і розчиненого кисню в природних поверхневих водах;

• багатокомпонентні моделі, що описують взаємозалежну трансформацію речовин у водній масі.

Балансові моделі використовують при прогнозуванні якості води у водоймах. В основі цього класу моделей лежить оцінка водного балансу й балансу речовин у водоймі. Прибуткова частина балансу визначається надходженням водних мас і речовин з водозбору, видаткова - стоками з водойми, випаруванням, обміном з донними відкладеннями. Внутріводоймові процеси описуються, як правило, у термінах "чорного ящика" (як різниця між прибутковою й видатковою частиною) або приблизно оцінюються на основі балансу мас. Балансові оцінки базуються на систематичних вимірах на водозбірній території й у самій водоймі.

При довгостроковому прогнозуванні якості води у водоймах використовують балансові моделі, що дозволяють розрахувати значення середніх концентрацій речовин залежно від величини антропогенного навантаження на водойму.

Двокомпонентні моделі якості води одержали широке розповсюдження при прогнозних розрахунках вмісту органічних речовин, що оцінюється величиною БСК, і розчиненого кисню у воді водойм і водотоків. Зміст кисню в поверхневих водах визначається співвідношенням його надходження, головним чином, у процесі атмосферної реаерації й споживанням його в основному на процеси біохімічного окиснення органічних речовин.

Атмосферна реаерація являє собою процес надходження кисню з атмосфери у воду через вільну поверхню потоку. Надходження кисню у водний об'єкт обмежується його розчинністю у воді. Кількісною характеристикою розчинності кисню є величина концентрації насичення, тобто концентрації розчиненого кисню у воді, при якій кисень перебуває в стані рівноваги.

Багатокомпонентні моделі якості води використають для прогнозу змісту у водоймах і водотоках речовин, зв'язаних між собою процесами взаємної трансформації. Особливо важливо враховувати взаємну трансформацію речовин у водному середовищі у випадках, коли в процесі трансформації у водному середовищі утворяться нові нормовані речовини, тобто відбувається вторинне забруднення водного об'єкта. Явище взаємної трансформації речовин досить характерно для процесів самоочищення водних об'єктів. Зокрема, в основі кругообігу азоту, фосфору, вуглецю лежать процеси взаємної трансформації речовин, і із цим явищем тісно зв'язаний процес евтрофікації водних об'єктів.

Як правило, водна екосистема містить у собі планктонну, бентосную підсистеми й підсистему вищої водної рослинності (ВВР). Кожна із зазначених підсистем у свою чергу містить у собі більше прості підсистеми нижнього рівня. До складу планктонної підсистеми входять фито-, зоо- і бактериопланктон. Бентосная підсистема представлена микрофито-, макрофито-, макрозоо- і бактериобентосом. Підсистема ВВР містить у собі властиво рослинну частину, а також планктони, бентос і перифитон на ВВР.

Прогноз стану евтрофікованих водних екосистем може здійснюватися на основі математичної моделі STOOKS, яка описує залежність показників якості води від біотичних і абіотичних компонент екосистеми з урахуванням специфіки процесів продукції й деструкції в кожній підсистемі.