Міністерство освіти і науки України

Приазовський державний технічний університет

Кухар В.В.,

Данилова Т.Г.

Тема 7: «Захист гідросфери»

Маріуполь, 2007

Тема 7. Захист гідросфери

7.1. Характеристика гідросфери. Вода - одне із самих дивних речовин на нашій планеті. Ми можемо бачити її у твердому (сніг, лід), рідкому (ріки, моря) і газоподібному (пари води в атмосфері) станах. Вся живаючи природа не може обійтися без води, що є присутнім у всіх процесах обміну речовин. Всі речовини, що поглинають рослинами із ґрунту, надходять у них тільки в розчиненому стані.

Взагалі вода - інертний універсальний розчинник, тобто розчинник, що не змінюється під впливом речовин, які розчиняє. Саме у воді колись зародилося життя на нашій планеті. Завдяки світовому океану відбувається терморегуляція на нашій планеті. Без води не може жити людина. Нарешті, у сучасному світі вода - один з найважливіших факторів, що визначають розміщення виробничих сил, а дуже часто й засіб виробництва.

Отже, важливість води й гідросфери - водної оболонки Землі, неможливо переоцінити. Саме зараз, коли темпи росту водоспоживання величезні, коли деякі країни вже відчувають гострий дефіцит прісної води, особливо гостро стає питання зниження забруднення прісної води.

Гідросфера — водна оболонка Землі, сукупність океанів, морів, озер, рік крижаних утворень, підземних і атмосферних вод. Загальна площа океанів і морів в 2,5 рази перевищує територію суши.

Гідросфера поєднує всі вільні води, які можуть пересуватися під впливом сонячної енергії й сил гравітації, переходити з одного стану в інше. Води землі перебувають у безперервному русі.

Загальні запаси води на Землі становлять близько 1386 млн. км³. Більша частина (близько 97,5%) - це океанічна вода (солона або значною мірою збогачена мінералами), вона займає понад 70 % всієї земної поверхні.

На Світовий океан доводиться 96,5 % обсягу водної маси.

Обсяг прісних вод становить близько 35 млн. км³, або 2,5 % загальних запасів води на Землі. Більша частина прісних вод (68,7 %) зусередженна в льодовиках і сніжному покриві (основні запаси перебувають в Антарктиді). Приплив материкових вод у Світовий океан (щорічно поновлювані водні ресурси) становить 45 тис. км³.

Розподіл водних ресурсів на суші досить нерівномірне.

Наприклад, у Росії азіатська частина забезпечена водними ресурсами набагато краще, ніж європейська. На душу населення в доводиться 16,6 тис. м³ рік всіх річкових вод і 3,9 тис. м³ рік підземного стоку. Більша частина України так само добре забезпечена водними ресурсами.

Складності з водопостачанням відчуваються в республіках Середньої Азії. Дефіцит прісної води очікується в перспективі в південній половині європейської частини континенту у зв'язку з інтенсивним розвитком у цьому районі зрошуваного землеробства й інших водоємних галузей народного господарства. Саме тому в цьому регіоні створюється велика кількість водоймищ, що дозволяють збільшувати річковий стік у маловодні періоди, коли недолік води проявляється особливо гостро.

У Середній Азії, де в останні десятиліття швидко розвивалося зрошуване землеробство, для заповнення недоліку у воді й множення водних ресурсів у вегетаційний період необхідне створення в горах системи.

Виділяють наступні характеристики, важливі для опису води як, що лімітує фактора, в екосистемі: солоність, реакція середовища (кислотність), газовий склад, твердість, доступна площа водного запасу й ін.

Солоність: Водний обмін найтіснішим образом пов'язаний із сольовим. Він здобуває особливе значення для водних організмів (гідро біонтів). Для всіх водних організмів характерна наявність проникних для води покривів тіла, тому розходження в концентрації розчинених у воді солей і солей, що визначають осмотичний тиск у клітках організму, створює осмотичний струм. Він спрямований убік більшого тиску.

Реакція середовища (рН): Поширення й чисельність популяцій істотно залежить від реакції ґрунту або водного середовища. Випадання "кислих дощів" викликає окислення різних об'єктів навколишнього середовища. Зараз проблема "кислих дощів" стала здобувати глобальний характер. Вплив окислення зводиться до наступного. Зниження рН нижче 3, також як підвищення вище 9, приводить до ушкодження протоплазми коріння більшості судинних рослин. Зміна рН у ґрунті викликає погіршення умов харчування: знижується доступність біогенних елементів для рослин. Зниження рН до 4,0 - 4,5 у ґрунті або донних опадах у водних екосистемах викликає розкладання глинистих порід (алюмосилікатів), внаслідок чого середовище стає токсичної через надходження у воду іонів алюмінію (Al). Навіть залізо й марганець, необхідні для нормального росту й розвитку рослин, при низьких рН стають токсичними внаслідок переходу в іонну форму. Межі стійкості до окислення ґрунту в різних рослин різні, але тільки деякі рослини можуть рости й розмножуватися при рН нижче 4,5. При високих значеннях рН, тобто при підлужуванні, також створюються несприятливі умови для життєдіяльності рослин. У лужних ґрунтах залізо, марганець, фосфати присутні у вигляді малорозчинних з'єднань і погано доступні для рослин.

Різко негативний вплив робить на біоту окислення водних екосистем. Підвищена кислотність діє негативно в трьох напрямках:

• порушення осморегуляції, активності ферментів (вони мають оптимуми рН), газообміну;

• токсичного впливу іонів металів;

• порушень у харчових ланцюгах, зміни харчового раціону й доступності їжі.

Газовий склад середовища перебування: Для багатьох видів організмів, як бактерій, так і вищих тварин і рослин, концентрація кисню й двоокису вуглецю, які становлять в атмосферному повітрі 21 % і 0,03 % по обсязі відповідно, є факторами, що лімітують. У водних екосистемах кількість і склад газів, розчинених у воді, сильно варіює. У водних об'єктах - озерах і водоймищах, багатих органічною речовиною - кисень стає фактором, що лімітує процеси окислювання, і тим самим здобуває першорядну важливість.

У воді втримується значно менше кисню, чим в атмосферному повітрі. Розчинність кисню у воді підвищується зі зниженням температури й знижується з підвищенням солоності.

Загальна кількість кисню у воді забезпечується надходженням із двох джерел: з атмосферного повітря (шляхом дифузії) і з рослин (як продукт фотосинтезу). Фізичний процес дифузії з повітря протікає повільно й залежить від вітру й руху води, надходження кисню при фотосинтезі визначається інтенсивністю останнього й залежить насамперед від освітленості й температури води. Внаслідок цих причин кількість кисню, розчиненого у воді, сильно змінюється протягом доби, у різні сезони, а також відрізняється в різних фізико-географічних і кліматичних умовах.

Вода, що надходить із ґрунту в рослини, майже повністю випаровується через поверхню листів. Це явище називається транспірацією. Транспірація - унікальне явище в наземних екосистемах, що грає важливу роль в енергетику екосистем. Ріст рослин істотно залежить від транспірації.

Якщо вологість повітря занадто велика, як, наприклад, у тропічному лісі, де відносна вологість наближається до 100 %, то дерева відстають у рості. У цих лісах більша частина рослинності представлена епіфітами, вочевидь, через відсутність "транспіраційної тяги".

7.2. Значення гідросфери. Значення гідросфери в житті біосфери величезно: у ній протікає основна кількість хімічних реакцій, що обумовлюють виробництво біомаси й хімічне очищення біосфери. Вода входить до складу кліток і тканин будь-якої тварини й рослини. Найскладніші реакції у тваринних і рослинних організмах можуть протикати тільки при наявності води. Клімат на Землі багато в чому залежить від водних просторів і змісту водяної пари в атмосфері.

За 40 днів весь поверхневий пьятисотметровий шар води в океані проходить через фільтраційний апарат планктонів, а протягом року вся вода в океані очищається планктонами. Концентрація розчинених у морській воді солей становить близько 3,5 %, причому по хімічному складу на 99,9 % це десять іонів: натрій, калій, хлор, бром, фтор, магній, кобальт і ін. Співвідношення головних іонів протягом мільйонів років залишається постійним, незважаючи на безперервний обмін речовин між океаном і сушею.

Джерелами централізованого водопостачання є поверхневі води, частка яких у загальному обсязі водозабору становить 68 %, і підземні води - 32 %.

З погляду екології вода, тобто її кількість і якість у навколишнім середовищі, є фізичним фактором, що лімітує, як у наземних, так і у водних екосистемах. Вода являє собою ресурс, що відноситься до всієї екосистеми. Вона становить основну масу організмів тварин і рослин. Тканини більшості живих організмів на 50 - 80 % складаються з води. У ряду організмів зміст води ще вище: у тілі медузи, наприклад, утримується близько 95 % води, у тканинах молюсків - 92 %. Внутрішнє середовище практично всіх відомих організмів є водної, і всі обмінні процеси протікають саме тут.

Водний обмін протікає у двох напрямках: надходження води в організм і виділення води з організму.

У вищих рослин він являє собою всмоктування води із ґрунту кореневою системою, проведення її разом з розчиненими речовинами до окремих органів і кліток і виведення шляхом транспірації. У водному обміні у вищих рослин близько 5 % води використається в ході фотосинтезу, інша частина йде на компенсацію випару й підтримка осмотичного тиску.

Тварини одержують воду у вигляді питва й з їжею. Виводиться вода із сечею й екскрементами, а також шляхом випару. Багато організмів здатні одержувати й віддавати воду через шкірні покриви або спеціалізовані ділянки шкіри. У наземних екосистемах це багато рослин, безхребетні тварини, амфібії, що одержують вологу з роси, тумана, дощу. У водних екосистемах цією здатністю володіють практично всі організми.

7.3. Джерела й види забруднень водних ресурсів. Промислові забруднення. Основна причина забруднення водних басейнів - скидання у водойми неочищених або недостатньо очищених стічних вод промисловими підприємствами, комунальним і сільським господарством.

Якщо місто, наприклад, споживає в день 600 тис. м³ води, то він дає близько 500 тис. м³ стічних вод. Нераціональне ведення сільського господарства також сприяє забрудненню водних джерел. Залишки добрив і ядохімікатів, що вимивають із ґрунту, попадають у водойми й забруднюють їх.

Забруднення, що надходять у стічні води, условно можна розділити на кілька груп:

По фізичному стану виділяють нерозчинні, колоїдні й розчинені домішки. По своїй природі забруднення діляться на мінеральні, органічні, бактеріальні й біологічні.

Мінеральні забруднення звичайно представлені піском, глинистими частками, частками руди, шлаків, мінеральних солей, розчинами кислот, лугів і іншими речовинами.

Органічні забруднення, у свою чергу, підрозділяються по походженню на рослинні й тварини. Рослинні органічні забруднення являють собою залишки рослин, папери, рослинне масло й ін. Забруднення тваринного походження - це фізіологічні виділення людей і тварин, залишки тканин тварин, клейові речовини й ін.

До бактеріальних і біологічних забруднень ставляться різні мікроорганізми, зокрема дріжджові й цвілеві грибки, дрібні водорості й бактерії (як сапрофіти, так і патогенні форми). Бактеріальне й біологічне забруднення властиво головним чином побутовим стічним водам і стокам деяких промислових підприємств. Серед останніх необхідно вказати на бойні, шкіряні заводи, фабрики первинної обробки вовни, хутряні виробництва, біофабрики, підприємства мікробіологічної промисловості й ін.

Основними джерелами забруднення водоймищ служать підприємства чорної й кольорової металургії, хімічної й нафтохімічної, целюлозно-паперової, легкої промисловості.

Збільшення витрат води промисловістю зв'язано не тільки з швидким ростом останньої, але й з ростом споживання води виробництвом, тобто збільшенням витрат води на одиницю продукції.

Так на виробництво 1 тонни бавовняної тканини фабрики витрачають близько 250 м³ води, а на виробництво 1 тонни синтетичного волокна – 2590 – 5000 м³. Багато води потрібно хімічній промисловості й кольоровій металургії: на виробництво 1 т аміаку затрачається 1000 м³ води, синтетичного каучуку – 2000 м³, нікелю – 4000 м³, міді – 500 м³, пластмаси – 500-1000 м³. Для порівняння: на виплавку 1 т чавуну витрачається 180 – 200 м³ води. На виплавку 1 т стали – 150 м³ води, на виробництво 1 т прокату – 10-15 м³ води, нафти – 20 м³.

Чорна металургія. Обсяг стічних вод, що скидають, становить близько 12 млрд. м³, скидання забруднених стічних вод досяг 850 млн. м³. Так у Росії підприємства Магнітогорська, Ліпецька, Єкатеринбурга, Челябінська, Череповця, Новокузнецька не забезпечують нормативне очищення стічних вод.

Цвітна металургія. Обсяг скидання забруднених стічних вод перевищив 537,6 млн. м³. Стічні води забруднені мінеральними речовинами, флетореагентами (цианізи, ксантогенати), солями важких металів (мідь, свинець, цинк, нікель, ртуть і інші), миш'яком, хлоридами й іншими речовинами.

Деревообробна й целюлозно-паперова промисловість. Головне джерело утворення стічних вод у галузі - виробництво целюлози, що базується на сульфатному й сульфітному способах варіння деревини й відбілювання.

Нафтопереробна промисловість. У поверхневі водойми підприємствами галузі було скинуто 543,9 млн. м³ стічних вод. У результаті у водойми потрапили в значній кількості нафтопродукти, сульфати, хлориди, з'єднання азоту, феноли, солі важких металів і ін.

Хімічна й нафтохімічна промисловість. У природні водні об'єкти скинуто за рік 2467,9 млн. м³ стічних вод, разом з якими у водойму потрапили нафтопродукти, зважені речовини, азот загальний, азот амонійний, нітрати, хлориди, сульфати, фосфор загальний, ціаніди, роданіди, кадмій, кобальт, марганець, мідь, нікель, ртуть, свинець, хром, цинк, сірководень, сірковуглець, спирти, бензол, формальдегід, фурфурол, феноли, поверхнево-активні речовини, карбаміди, пестициди, напівфабрикати.

Машинобудування. Скидання стічних вод травильних і гальванічних цехів підприємств цієї галузі, наприклад, в 1993 році склав 2,03 млрд. м³, у тому числі забруднених – 0,95 млрд. м³, у першу чергу нафтопродуктами, сульфатами, хлоридами, зваженими речовинами, ціанідами, з'єднаннями азоту, солями заліза, міді, цинку, нікелю, хрому, молібдену, фосфору, кадмію.

Легка промисловість. Основне забруднення водойм походить від текстильного виробництва й процесу дублення шкір. У стічних водах текстильної промисловості є в наявності зважені речовини, сульфати, хлориди, з'єднання фосфору й азоту, нітрати, синтетичні поверхнево-активні речовини, залізо, мідь, цинк, нікель, хром, свинець, фтор і інших. Шкіряне виробництво скидає у водойми воду з високим змістом з'єднань азоту, фенолів, синтетичних поверхнево-активних речовин, жирів і масел, хрому, алюмінію, сірководню, метанолу й фенальдегіда.

Побутові стічні води – це вода з кухонь, туалетних кімнат, душових, лазень, пралень, їдалень, лікарень, побутових приміщень промислових підприємств і ін. У побутових стічних водах органічна речовина становить 58 %, мінеральні речовини – 42 %.

Суду. Стічні води із судів підрозділяються на три групи: фанові, або фекальні; господарсько-побутові, що включають стоки з камбузів, душів, пралень; подсланові, або нафто зберігаючи. Для фанових стічних вод характерно високе бактеріальне, а також органічне забруднення (хімічне споживання кисню досягає 1,5-2 г/л). Обсяг цих вод порівняно невеликий - добовий стік їх, наприклад, на всіх судах басейну Волги не перевищує 5-6 тис. м3. Подсланові води утворяться в машинних відділеннях і відрізняються високим змістом нафтопродуктів. В останні роки водойми прийняли багато хто й багато тисяч одиниць маломірного флоту (катера, човни з підвісними моторами). Маломірний флот став серйозним забруднювачем водойм.

Нафта й нафтопродукти. До числа найбільш шкідливих хімічних забруднень ставляться нафта й нафтопродукти. Щорічно в океан попадає більше 10 млн. т нафти. Забруднюють поверхня танкери, сприяє забрудненню й витік нафти при підводному буравленні. У період між 1973-1984 роками в США Інститутом охорони навколишнього середовища й енергетики відзначений до 12000 випадків забруднення вод нафтою. У період між 1970-1982 роками у світі зареєстровано 169 великих аварій танкерів і 17000 другорядних випадків розлиття нафти.

Побутові відходи. У моря й океани через ріки, безпосередньо із суши, а також із судів і барж попадають рідкі й тверді побутові відходи. Частина цих забруднень осідає в прибережній зоні, а частина під впливом морських течій і вітру розсіюється в різних напрямках. Побутові відходи небезпечні не тільки тим, що вони є переносниками хвороб людини (головним чином кишкової групи - черевний тиф, дизентерія, холера), але й тим, що містять значну кількість кисневикористовуючих речовин. Кисень підтримує життя в море, він - необхідний елемент процесу розкладання органічних речовин, що надходять у водне середовище. Комунальні ж покидьки, що надходять у воду в дуже більших кількостях, можуть значно знизити зміст розчиненого кисню.

Забруднення вод суши. Забруднюючі речовини умовно можна розділити на кілька груп. По фізичному стані виділяють нерозчинні, колоїдні й розчинені домішки. Крім того, забруднення діляться на мінеральні, органічні, бактеріальні й біологічні.

Виробництво й широке застосування синтетичних поверхнево-активних речовин (УПАВШИ), особливо в складі мийних засобів, обумовило надходження їх зі стічними водами в багато водойм, у тому числі джерела господарсько-питного водопостачання. Поряд з ПАВ широко розповсюдженими хімічними забрудненнями водойм є пестициди, які надходять у водойми з дощовими й поталими водами, що змивають їх з рослин і ґрунту, при авіа- і наземній обробці сільськогосподарських угідь і лісів і зі стоками підприємств виробляючих їх.

7.4. Наслідку забруднення гідросфери. Реальну небезпеку екологічній рівновазі в океані представляють наступні форми антропогенного впливу: забруднення акваторій; порушення механізму відтворення морських організмів; відторгнення берегового й акваторіального простору для господарських цілей.

Ріки виносять в океан промислові відходи, стічні води, сільськогосподарські добрива. Водні простори морів і океанів - кінцеві вмістища переважної більшості відходів. Морські води забруднюються в результаті поховання різних відходів, видалення нечистот і сміття з кораблів, при дослідженні дна морів і океанів і, особливо в результаті різних аварій. У Тихий океан, наприклад, скидається щорічно близько 9 млн. т відходів, а у води Атлантики - понад 30 млн. т.

Не меньш небезпечна ситуація спостерігається в Росії, наприклад, у Москві-ріці й Оці. В 100% виловлених риб виявлені серйозні генетичні аномалії. Найбільше мутантів попадається у водах у районі Серпухову й Воскресенська. Риби тут страждають не тільки цирозом печінки й ожирінням, але й хворобами око. За попередніми даними зміст токсинів в організмі аномальних плотви, лящів, і риб інших порід перевищує норму в десятки й сотні разів.

Безліч проблем нагромадилося в США й Канаді у зв'язку із забрудненням Великих озер. За висновком Національної дослідницької ради США й Королівського суспільства Канади, вони акумулюють у собі величезна кількість токсичних хімікатів. Учені затверджують, що потрібно 150 років пити озерну воду, щоб одержати ту дозу токсичних речовин, що одержують жителі прибережних районів, покуштувавши тільки раз озерної форелі. З десяти риб виловлених у штаті Мічиган і перевірених у лабораторії, дев'ять виявилися зараженими токсичними речовинами настільки, що не годилися в їжу. У птахів і 16 видів хижих тварин, що живуть у цьому регіоні, було виявлене порушення процесу відтворення, що привело до зменшення популяцій.

У березні 1995 року в Каліфорнійській затоці (США) були виявлені трупи 324 дельфінів і 8 китів. На думку фахівців, одна з головних причин трагедії - забруднення водного басейну відходами нафтохімії й інших токсичних речовин, що скидають промисловістю США й Мексики.

1 т нафти здатна покрити до 12 км² поверхні моря. А нафтова плівка порушує всі фізико-хімічні процеси: підвищується температура поверхневого шару води, погіршується газообмін, риба йде або гине, але й осіла на дно нафта довгий час шкодить всьому живому. Порушується обмін океану з атмосферою: енергією, газами, теплом і вологою, у результаті перестає розмножуватися планктони - основний продукт харчування морських мешканців.

Не менше ніж нафта небезпечна забруднення важкими металами. Французькі дослідники встановили, що дно Атлантичного океану забруднено попадає із суши свинцем на відстані 160 км від берега й на глибині до 1610 м. Більше висока концентрація свинцю у верхньому шарі донних відкладень, чим у більше глибоких шарах, свідчать про те, що цей наслідок людської діяльності, а не природних процесів.

Пестициди виявлені в різних районах Балтійських, Північних, Ірландського морів, у Біскайській затоці, у західного узбережжя Англії, Ісландії, Португалії, Іспанії. На підставі аналізу сніжного покриву Антарктиди було визначено, що на поверхні цього, досить вилученого материка осіло близько 2300 тонн пестицидів, хоча вони там ніколи не застосовувалися.

У моря й океани через ріки, безпосередньо із суши, а також із судів і барж попадають рідкі й тверді побутові відходи. Частина цих забруднень осідає в прибережній зоні, а частина під впливом морських течій і вітру розсіюється в різних напрямках.

Побутові покидьки дуже небезпечні, тому що є переносниками хвороб людини: черевного тифу, дизентерії, холери. Вони також містять значну кількість кисневикористовуючих речовин. Тверді побутові покидьки є причиною аварій у судноплавстві, обплутуючи гребні гвинти судів, засмічуючи трубопроводи систем охолодження двигунів. Відомі випадки загибелі великих морських ссавців через механічну закупорку легенів шматками синтетичного впакування. Підраховано, що в прибережній зоні Гавайських островів, досить відвідуваних туристами місць, плаває кілька мільйонів усякого роду пластмасових пакетів.

Поховання рідких і твердих радіоактивних відходів у море в 59-60-і роки здійснювали багато країн, що мають атомний флот. В 1950-1992 р. Радянським Союзом у водах Льодовитого океану затоплені ядерні відходи сумарною активністю 2,5 млн. кюрі - у тому числі 15 реакторів і екранна зборка атомного криголама «Ленін», 13 реакторів аварійних атомних підводних човнів (включаючи шість із не вивантаженим ядерним паливом). Великобританія затоплювала радіоактивні відходи в Ірландському морі, а Франція - у Північному.