Тема 5 Среда поверхностных вод.

Исследование этого компонента в районе предполагаемого воздействия производится в следующей последовательности:

1. выяснение характера и интенсивности воздействия предполага^­_­­емой хозяйственной деятельности на поверхностные воды;

2. выявление их современного состояния (гидрология, гидробиология, существующий уровень загрязнения и т.д.);

3. сбор информации нормативно-юридического характера (законы, постановления, ПДК, ГОСТы, СНиП и т.д.);

4. прогноз изменения компонента в результате воздействия;

5. оценка значимости воздействий;

6. разработка мер по смягчению последствий.

Можно выделить следующие виды влияния человеческой деятельности на поверхностные воды:

• перераспределение стока (во времени и пространстве);

• изъятие стока;

• физическое нару­шение водоемов;

• внесение загрязняющих веществ;

• засорение вод.

Перераспределение стока во времени происходит, главным образом, при создании водохранилищ, которые затем используются для разных целей (водоснабжение, борьба с наводнениями, рек­реация, энергетика, рыбное хозяйство, водный транспорт и т.д.). Первое водохранилище было построено 5 тыс. лет назад в Египте. В настоящее время число водохранилищ, имеющих объем более 1 млн м³, составляет около 36–37 тыс. Их создание приводит к изменению не только естественного гидрологического режима реки, но и других связанных с ним природных процессов (гидрохимических, гидробиологических и т.д.). Эти изменения обусловлены, прежде всего, перераспределением речного стока в течение определенного периода, обычно года.

Водохранилища изменяют термический режим рек на нижележащих участках, так как осенью из них поступает более теплая, а весной более холодная вода, чем в реках, при этом различия составляют в среднем 2–4°С. Протяженность зоны влияния иногда достигает сотен километров. Неравномерность суточного и недельного режимов расхода воды приводит к резким изменениям ледового режима. В водохранилищах происходит резкое снижение водообмена по сравнению с реками. Например, в водохранилищах суточного регулирования он происходит 15–20 раз в год, сезонного – 1 раз в 1–4 года.

В зависимости от конкретных условий качество воды в водохранилищах может быть и выше, и ниже по сравнению с реками. Улучшению качества способствуют процессы самоочищения вследствие седиментации, отстоя, разбавления, разрушения органических веществ и т.д. Снижение качества обусловлено замедлением водообмена, развитием органической жизни и процессами кислородной и термической стратификации. Водохранилища более подвержены загрязнению по сравнению с реками.

Пространственное перераспределение стока также широко распространено. Одним из наиболее ранних опытов является канал между Тигром и Ефратом, прорытый около 2400 г. до н. э. Целью его создания было улучшение оросительной системы, так как сезонный подъем воды в Тигре происходил раньше, чем в Ефрате.

Наиболее крупномасштабные переброски стока характерны для Канады, США и Индии. При территориальном перераспределе­нии речного стока выявляются три зоны, различающиеся по своим последствиям: 1) изъятия воды, 2) транспорта воды; 3) использова­ния воды. Эти последствия следующие:

• в зоне изъятия – уменьшение стока, понижение уровня, ин­тенсификация русловых процессов, уменьшение заболоченности, увеличение дальности проникновения соленых морских вод и т.д.;

• в зоне транспорта воды – увеличение стока, повышение уровня, под­топление и заболачивание земель, интенсификация эрозии, усиле­ние испарения и т.д.;

• в зоне использования воды – увеличение ис­парения, ухудшение качества поверхностных вод, заболачивание земель, увеличение эрозии и т.д. Эти изменения иногда очень зна­чительны.

Безвозвратное водопотребление в настоящее время составляет около 150 км³/год, что соответствует 1% устойчивого стока пресных вод. По масштабам изъятия воды впереди сельское хозяйство – 70,1%, затем промышленность – 20% и жилая застройка – 9,9%. Для выращивания 1 т пшеницы требуется 1500 т воды, риса – 7000 т, хлопка – 10 000 т воды.

Сильнейшее воздействие на объем речного стока оказывает оросительная мелиорация. Классическими примерами являются р. Колорадо, которая перестала впадать в Калифор­нийский залив из-за расхода на орошение полей США и Мексики, а также Сырдарья и Амударья, в маловодные годы не достигающие Аральского моря. Довольно часто изъятая вода расходуется нерационально, при этом основные потери обусловлены ее утечкой в грунт. Так, в первые годы создания Каракумского канала таким путем терялось 3 км­­­­­³/год (из 10 км³), в настоящее время в результате заиления утечки сократились до 1 км³/год.

В промышленности наиболее водоемкими отраслями являются теплоэнергетика, нефтехимия и целлюлозно-бумажная промышленность, на нужды которых расходуется 80–90% всех промышленных водозаборов, но здесь речь идет не о безвозвратном изъятии, а об использовании воды. К числу самых водозатратных производств относятся изготовление синтетического каучука (2000–000 т) и конденсаторной бумаги – 6000 т на 1 т продукции.

Что касается физического нарушения водоемов, то сюда от­носятся любые искусственные изменения плановых или высотных отметок (спрямление русла, изменение глубины путем выемки или засыпки грунта и т д.). Такие воздействия достаточно масштабны в некоторых районах но в целом их значимость невелика.

Внесение загрязняющих веществ это огромная и всевозрастающая проблема По своему происхождению можно выделить три группы загрязнителей воды:

• город­ские отходы (состоят главным образом из человеческих экскрементов, содержат относительно мало химических загрязняющих веществ, но отличаются высокой концентрацией патогенных организмов);

• промышленные отходы (их состав очень разнообразен, они могут содержать как органические, так и неорганические загрязнители);

• хозяйственные отходы (характеризуются избыточным содержанием фосфора и азота, присутствующих в удобрениях и отходах животноводства, а также высокой концентрацией пестицидов и гербицидов).

Основными видами сточных вод являются:

• реакционные воды, загрязненные как исходными веществами, так и продуктами реакции;

• воды, содержащиеся в сырье и исходных продуктах;

• промывные воды – после промывки сырья, тары, оборудования и т.д.;

• водные экстрагенты и абсорбенты;

• охлаждающие воды, использующиеся в системах оборотного водоснабжения;

• бытовые воды – мытье помещений, прачечные, душевые, туалеты и т.д.;

• атмосферные осадки, стекающие с территории промышленных предприятий.

Под засорением понимается накопление в водных объектах посторонних, обычно нерастворимых предметов (твердые промышленные и бытовые отходы, строительный мусор и т.д.). Значимость этого процесса в воздействии на поверхностные воды в целом несущественна.

Многие виды деятельности оказывают косвенное влияние на поверхностные воды. К ним относятся:

• вырубка лесов;

• лесоразведение;

• распашка земель;

• мероприятия, способствующие активизации почвенной эрозии;

• снегозадержание;

• снегоуборка;

• изменение рельефа;

• искусственное понижение уровня подземных вод;

• применение удобрений и ядохимикатов;

• загрязнение земной поверхности;

• молевой лесосплав;

• антропогенная эвтрофикация и т. д.

Информация по характеру воздействия во многом может быть получена из проектной документации.

Поверхностные воды выполняют следующие функции:

1) экологическую (обеспечение естественных условий жизни на Земле);

2) экономическую (неотъемлемая часть сельскохозяйственного и промышленного производства, важнейший энергетический и транспортный ресурс);

3) культурно-оздорови­тельную (использование для отдыха, туризма, водных видов спорта, любительского рыболовства, санитарно-курортного лечения и т.д.).

Выявление исходного состояния поверхностных вод необхо­димо не только для прогнозирования изменений качества. Известно, что в зависимости от характера технологических процессов и типа предприятия требуется вода разного качества. Техническая вода может быть производственной (становясь составной частью продукта производства), использоваться для охлаждения, бетонных работ, орошения и т.д. Самая чистая вода необходима в пищевой, текстильной, бумажной промышленности, а также для производства синтетических волокон и пластмасс.

Поверхностная вода образуется из атмосферной или подземной воды, поэтому ее свойства во многом определяются соотношениями между указанными источниками. Атмосферная вода является самым чистым видом природной, однако, при прохождении через слои атмосферы в ней растворяются как входящие в состав воздуха (кислород, азот, углекислый газ, благородные газы), так и газы-загрязнители (окислы азота, двуокись и трехокись серы, аммиак и т.д.). Кроме этого атмосферная вода "обогащается" различными твердыми частицами (пыль, дым), микроорганизмами и т.д. Для подземной воды характерна прежде всего более высокая минерализация. Таким образом, поверхностные воды содержат почти все газы, имеющиеся в атмосфере, а также многие элементы, органические и неорганические соединения в суспензированном или растворенном состоянии. Поведение загрязняющих веществ в воде различно. Одни поллютанты растворяются или переносятся течением, другие адсорбируются на взвешенных частицах и оседают на дно, третьи вовлекаются в органические циклы и транспортируются организмами.

Критерии загрязнения зависят от характера использования воды (питьевое водоснабжение, рыбохозяйственное использование, ирригация и т.д.). Можно выделить пять классов параметров качества:

• биологические загрязнители;

• радиоактивные загрязнители,

• токсические соединения,

• химические соединения;

• допустимые пределы загрязнения питьевых вод.

К классу биологических загрязнителей относятся непатоген­ные микроорганизмы. Уровни радиоактивного загрязнения опреде­ляются альфа- и бета-радиоактивностью. Токсичные соединения лимитируются максимальной концентрацией наиболее опасных ком­понентов (мышьяк, кадмий, цианиды, ртуть, селен, свинец). Содер­жание опасных для здоровья химических веществ (фториды, нитра­ты, полициклические ароматические углеводороды и т.д.) также регламентируется определенными концентрациями. Допустимые пределы загрязнения определяются путем физико-химических ана­лизов воды и включают в себя цвет, запах, замутненность, pH, максимимальную концентрацию минеральных масел, фенолов, сульфатов, хлоридов, некоторых химических элементов.

Наиболее распространенные загрязнители поверхностных вод: удобрения, пестициды, тяжелые металлы и их соли, нефтепродукты, синтетические моющие средства и т. д. У каждого из них есть свои особенности. Например, для тяжелых металлов не существует механизма самоочищения, они лишь перемещаются из одного водоема в другой, постоянно взаимодействуя с различными организмами, приводя обычно к снижению разнообразия и плотности популяций. Пестициды и детергенты также не поддаются биологическому разложению и сохраняются много лет. Последствия такого загрязнения выражаются в снижении жизненности гидро­бионтов, нарушении кислородного баланса водоемов, ухудшении санитарного состояния воды и снижении способности водных экосистем к самоочищению. Загрязнение удобрениями приводит к эвтрофированию водоемов вследствие накопления соединений азота и фосфора. Вначале резко увеличиваются кормовые ресурсы (фитопланктон), потом повышается количество других организмов (ракообразные, рыбы и т.п.). Затем вследствие отмирания огромных объемов биомассы происходит расходование содержащегося в воде кислорода и накопление сероводорода, что приводит к постепенной "смерти" водоема. Загрязнение вод нефтепродуктами опасно тем, что образующаяся на поверхности пленка снижает самоочищающие способности водоемов. Скорость био­химического разложения нефтепродуктов зависит от ряда факторов (температура воды, наличие в ней кислорода и биогенных веществ, химический состав нефтепродуктов и т.д.).

Помимо различных аналитических методов для оценки со­временного состояния поверхностных вод возможно применение других способов (аэро- и космосъемка, биоиндикация и т.п.). Например, тепловая аэросъемка пригодна для обнаружения источника сброса сточных вод и изучения процессов их рассеяния. Очень перспективна биоиндикация. Животные и растения могут использоваться в качестве биоиндикаторов в двух случаях:

1) если они являются биокон­центраторами загрязнений;

2) если они отличаются от других орга­низмов очень высокой чувствительностью к воздействию опреде­ленных веществ.

Наиболее подходят для этих цепей бурые водоросли-макрофиты и моллюски. Для них характерна приемлемая степень интегрирования поллютантов (от двух недель до нескольких месяцев), они дают усредненную величину загрязнений в каждом из исследуемых районов.

Примерный уровень загрязнения может быть определен про­сто по наличию тех или иных биоиндикаторов. Многие виды животных и растений обитают только в воде определенного качества. Например, личинкам ручейников, поденок, веснянок, двустворчатого моллюска-перловицы, форели, окуню, лососю, миноге необходимы чистая вода и чистое дно. К водным организмам, толерантным к промежуточным уровням загрязнения, относятся мокрицы, бокоплавы, пиявки, личинки мошки, моллюски шаровка и прудовик, нимфы стрекоз. Видами, способными существовать в сильно загрязненной воде при крайне низкой концентрации кислорода, являются личинки комара-дергуна (мотыля), крыски (журчалки-пчеловидки), москиты, трубочники.

Средствами определения гидрологических характера являются приборы для измерения уровня воды (водомерные рейки и самописцы), скорости и направления течения, расхода воды (поверхностные и глубинные поплавки, гидрометрические вертушки), температуры воды (родниковый и опрокидывающийся термометры), толщины шуги и ледяного покрова (шугомерные рейки, ледовые буры), приборы для измерения глубин и различные устройства для отбора проб воды (батометры).

Что касается нормативно-юридической информации, то она, как правило, весьма обширна. Правовые нормы охраны и рационального использования поверхностных вод содержатся как в комплексных законах об охране природы, так и в специальных законах и подзаконных нормативных актах. Применительно к нашей стране перечень нормативно-юридических актов включает в себя водное законодательство, водный кодекс, положения, постановления, ПДК, ГОСТы, СНиПы и т.д. Источником информации могут быть различные справочники, местные органы власти и т.д.

В зависимости от назначения водного объекта нормативы для загрязняющих веществ различаются. Например, в водоемах, используемых для питьевого водоснабжения, ПДК для аммиака составляет 2 мг/л, а для рыбохозяйственных водоемов она в 40 раз ниже, что объясняется разной степенью токсичности аммиака для человека и рыб. В то же время ПДК содержания нефтепродуктов составляют 0,3 и 0,05 мг/л, что определяется не токсичностью, а органолептическими показателями, так как ткани рыб, обитающих в загрязненных нефтепродуктами водоемах, приобретают резкий запах.

В настоящее время разработано огромное количество лимитирующих показателей содержания различных веществ в воде. Например, ПДК для водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового использования установлены для 1366 веществ. Кроме этого разработаны ориентировочно-допустимые уровни (ОДУ) еще для 305 веществ. Для водных объектов рыбохозяйственного назначения существуют ПДК для 1086 веществ и для 156 пестицидов, а также ориентировочно-безопасные уровни воздействия (ОБУВ) для 178 ядохимикатов. Также разработано огромное количество стандартов и методик измерения. Например, Международной организацией стандартизации подготовлено 136 стандартов, имеющих отношение к контролю качества воды: отбор и хранение проб, определение содержания разных веществ различными методами, словарь и т.д.

Прогноз изменения качества поверхностных вод можно подразделить на следующие стадии:

• прогноз гидрологического режима, в т.ч. с учетом возможного изъятия части стока;

• прогноз поступления загрязнителей в водную систему;

• прогноз концентрации веществ в водотоках и водоемах.

Для гидрологических прогнозов используются водно-балансовый метод, базирующийся на исследовании закономерностей процессов формирования стока в речном бассейне; гидродинамический метод, основанный на расчетах перемещения и трансформации водного потока по отдельным участкам реки; метод корреляционных связей, заданных гидрологических параметров с причинными факторами и т.д. Прогноз поступления загрязняющих веществ производится с учетом характера технологических процессов предприятия, основой для него служит проектная документация. Непосредственно для прогнозирования изменения состояния поверхностных вод чаще используются методы простран­ственных аналогий, экспертных оценок, статистические и аналитиче­ские (математическое моделирование) методы. Математические модели особенно пригодны для описания процессов переноса, разбавления и самоочищения вредных веществ в водных средах.

Что касается важности воздействий, то определение их приоритетности зависит от типа проекта и особенностей конкретного района. В самом общем случае любое предложение о строительстве должно быть рассмотрено относительно следующих воздействий:

• уничтожение или раздробление прибрежной среды;

• изменение активности приливов;

• изменение уровня мутности (и вследствие этого снижение поступления света);

• изменение скорости оседания;

• изменение температуры воды;

• увели­чение загрязнения воды и наносов;

• вероятность аварийных ситуаций.

Следует уделять особое внимание воздействиям, которые могут привести к частоте заболеваний, вызываемых нечистой водой. Такие болезни объединяются в 5 групп:

1, Заболевания, возникающие при использовании зараженной воды для мытья посуды, продуктов и для умывания. Сюда относятся тиф, холера, дизентерия, гастроэнтерит и инфекционный гепатит. Например, от такой болезни, как гастроэнтерит, в развивающихся странах ежегодно гибнет 24 млн чел., смерть наступает в результате обезвоживания организма.

2. Заболевания кожи и слизистых оболочек, возникающие преимущественно при умывании. В эту группу входят трахома, чесотка, коньюнктивит, сепсис наружных покровов, язвы.

3. Заболевания, вызываемые моллюсками, живущими в воде. Основные инфекции – шистоматоз и дранкулез. Шистоматоз вызывает лихорадку, боль в печени, сыпь на коже. Заболеть им можно при купании в зараженном водоеме, сейчас им страдают около 200 млн чел., преимущественно в развивающихся странах.

4. Заболевания, вызываемые живущими или размножающимися в воде насекомыми (малярия, желтая лихорадка, сонная болезнь, онхоцеркоз и др.). Онхоцеркоз ("речная слепота") вызывается укусом мелкой черной мошки, обитающей на быстрых реках. Личинки проникают в глаз человека и, повреждая ткани, вызывают слепоту. Этой болезнью в мире страдают 30 млн чел.

5. Заболевания, обусловленные несовершенством канали­зации. Наиболее распространенное из них – нематодоз, вызываемое паразитическими круглыми червями.

Методы смягчения последствий достаточно разнообразны. Например, существуют способы улучшения качества воды, которые не связаны с процессом ее очистки, а обращены к самим рекам. Первый способ – увеличение расхода воды с целью повышения ас­симилирующей способностью водотока. В этом случае из водохра­нилищ, расположенных выше места выпуска загрязненных вод, сбрасывают воду, чтобы уменьшить концентрацию загрязнения ниже по течению. Вследствие разбавления происходит увеличение запаса кислорода в реке, что приводит к смягчению эффекта повышенного его расходования. Второй метод – аэрация в водотоках путем подачи в воду сжатого воздуха. Оба этих способа не относятся к методам борьбы с загрязнением вод в привычном понимании. В воду поступает прежнее количество загрязняющих веществ, однако результат оказывается иным.

В том случае, если озера или пруды стали эвтрофными, то для улучшения качества воды одного прекращения поступления фосфатов может быть недостаточно. Дело в том, что фосфаты, содержащиеся в донных илах, часто снова растворяются в воде. Возможны различные пути решения этой проблемы. Иногда можно увеличить проток воды через озеро и смыть питательные вещества и водоросли. В некоторых случаях для осаждения фосфатов из озерных вод используют алюминий, железо или кальций. Дополнительное применение летучей золы тепловых электростанций способствует "склеиванию" донных отложений, исключая повторное растворение фосфатов в воде. Надо отметить, впрочем, что зола часто содержит тяжелые металлы, которые могут быть токсичны для озерной ихтиофауны. К числу основных мер, направленных на смягчение воздействий, следует отнести очистку сточных вод. Главные методы очистки подразделяются на:

1) механические;

2) химические;

3) биологические.

Механические основаны на удалении из сточных вод нерастворенных примесей, для чего используют специальные сооружения (ловушки, отстойники и т д.). Химическая очистка заключается в добавлении в сточные воды реагентов, которые, вступая в реакцию с загрязнителями, обусловливают их осаждение. Биологические методы основаны на способности ряда растений и микроорганизмов питаться органическими и неорганическими веществами, находящимися в сточных водах.

Вопросы для обсуждения.

1. Структурировать текст, выделить главные моменты. Какие дисциплины в пройденных курсах были связаны с выделенными главными моментами.

33