Экология водных ресурсов

Природная вода представляет собой естественную среду обитания различных организмов растительного и животного происхождения - гидробионтов.

Поверхностные воды подразделяются на текущие (реки) и стоячие (озера, водохранилища). Перемещение и перемешивание стоячих вод происходит главным образом под действием ветра.

В сложных биологических сообществах, формирующихся в водоеме, различают два основных биоценоза: планктон и бентос.

Планктон - совокупность организмов, населяющих толщу природной воды. Он представлен растительными (фитопланктон) и животными (зоопланктон) формами. Фитопланктон представлен в основном водорослями. Зоопланктон представлен инфузориями, коловратками и низшими ракообразными.

Бентос - совокупность организмов, обитающих на дне водоемов и в донных отложениях (бактерии, черви, моллюски, простейшие личинки). Различают макробентос - организмы размером более 1 мм и микробентос -организмы размером менее 1 мм.

Бактериобентос – совокупность организмов, представленных аэробными и анаэробными сапрофитами. Сапрофиты – это организмы, использующие для питания органические вещества мертвых останков.

Фитобентос обитает только в водоемах с прозрачной водой.

Макрофиты - высшие водные растения, являются составной частью экологической системы водоема. К ним относятся: из растений с плавающими листьями - лилия, горец земноводный, ряска; из надводных – тростник, камыш. В зарослях высших водных растений обитает разнообразная фауна.

Важным экологическим показателем водоемов является биомасса -

количество живого вещества каких-либо организмов, выраженное в единице массы на единицу объема воды.

Гидробионты активно участвуют в процессе самоочищения водоемов, в связи с этим не происходит резкого загрязнения водных ресурсов.

Фотосинтез фитопланктона обеспечивает водоем растворенным кислородом. Макрофиты усиливают процессы минерализации органических загрязнений за счет аэробного биохимического окисления, выделяя при этом в воду значительное количество кислорода. Бентос, обитающий в донных отложениях, также активно участвует в процессе минерализации органических загрязнений.

Самоочищение природных вод - способность водоемов восстанавливать свои природные свойства. Процесс самоочищения природных вод происходит за счет:

разбавления сточных вод водой водоема, при этом определяется коэффициент разбавления по формуле:

, (2)

где n – коэффициент разбавления сточных вод водой водоема; а – коэффициент смешения сточных вод с водой водоема; Q_вод – расход воды в водотоке 95% обеспеченности, м³/с; q_ст - расход сточных вод, поступающих в водоем, м³/с;

окисления органических загрязнений, находящихся в сточных водах, растворенным в воде водоема кислородом и при участии гидробионтов;

поглощения загрязнений в стоках водными организмами и растениями.

Коэффициент смешения сточных вод с водой водоема определяется по формуле:

, (3)

где Q_см - расход воды в водотоке, смешивающийся со сточными водами; Q_вод - расход воды в водотоке 95%-ной обеспеченности.

Процесс самоочищения природных вод играет важную роль в сохранении и восстановлении чистоты водоемов.

1.3. Оценка качества природных вод

Под качеством природной воды понимают совокупность ее свойств, обусловленных характером содержащихся в ней примесей. Примеси природных вод делятся на органические и неорганические. Качество природной воды оценивают физическими, химическими и бактериологическими показателями.

К физическим показателям относят температуру, прозрачность (или мутность), цветность, запах, привкус.

Температура воды подземных источников характеризуется постоянством и находится в пределах 8…12 ^оС. Температура воды поверхностных источников меняется по сезонам года и зависит от поступления в них подземных или сточных вод, колеблется в пределах 0,1…30 ^оС.

Прозрачность (или мутность) характеризуются наличием в воде взвешенных веществ (частиц песка, глины и других элементов). Определяется химическим методом общего сухого прокаленного остатка (мл/л, мг-экв/л).

Цветность воды обусловлена присутствием в воде гумусовых веществ, а также других органических соединений, входящих в состав животных и растительных организмов, населяющих воду и являющихся продуктами их жизнедеятельности или распада.

Окраска воды вызывается также присутствием водорослей, так называемое «цветение водоема». При массовом развитии водорослей природная вода приобретает светло-зеленую или буровато-зеленую окраску. Цветность воды измеряется в градусах платиново-кобальтовой шкалы.

Привкусы и запахи природных вод могут быть естественного (присутствие железа) и искусственного (сброс промышленных стоков) происхождения.

Различают три основных вкуса природной воды: соленый, горький, кислый. Оттенки вкусовых ощущений, складываемых из основных, называют привкусами.

Соленый вкус обусловлен присутствием в воде хлорида натрия (NaCl), горький вкус – сульфата магния (MgSO₄), кислый вкус объясняется избытком растворенной углекислоты (H₂CO₃).

К запахам естественного происхождения относят рыбный, гнилостный, болотный и другие. К запахам искусственного происхождения относят хлорный, фенольный, запах нефтепродуктов.

Интенсивность и характер запахов и привкусов природной воды определяют органолептически, с помощью органов чувств человека по пятибалльной шкале.

Химические показатели воды характеризуются: ионным составом, жесткостью, щелочностью, окисляемостью, активной концентрацией водородных ионов (рН), сухим остатком (общее солесодержание), а также содержанием в воде растворенного кислорода, наличием сульфатов и хлоридов, азотосодержащих соединений, фтора и железа.

Ионный состав, (мг-экв/л) – природные воды содержат различные растворенные соли, представленные катионами Ca⁺², Mg⁺², Na⁺, K⁺ и анионами HCO₃^-, SO₄ ^-2, Cl ^-. Анализ ионного состава позволяет выявить другие химические показатели.

Жесткость воды, (мг-экв/л) - обусловлена наличием в ней солей кальция СаСО₃ и магния МgCO₃. Различают карбонатную и некарбонатную жесткость, их сумма определяет общую жесткость воды, Ж_о = Ж_к + Ж_нк . Карбонатная жесткость обусловлена содержанием в воде карбонатных и бикарбонатных солей кальция и магния. Некарбонатная жесткость обусловлена кальциевыми и магниевыми солями серной, соляной, кремниевой и азотной кислот.

Щелочность воды, (мг-экв/л) – обусловлена содержанием в природной воде гидроксильных анионов слабых кислот: НСО₃^-, СО₃^-2, ОН^-.

Активная концентрация водородных ионов воды является показателем, характеризующим степень ее кислотности или щелочности. Количественно она характеризуется концентрацией водородных ионов. На практике активную реакцию воды выражают водородным показателем рН, являющимся отрицательным десятичным логарифмом концентрации водородных ионов: рН = - lg [Н⁺]. Показатель величины рН воды составляет 1…14. Природные воды по величине рН классифицируются: на кислые 1…3; слабокислые 4…6; нейтральные 7; слабощелочные 8…10; щелочные 11…14.

Солесодержание воды оценивается по сухому остатку (мг/л): пресные 100…1000; слабосоленые 1000…3000; соленые 3000…10000; сильносоленые 10000…50000; рассолы 50000…300000.

Растворенный кислород – попадает в воду при ее контакте с воздухом. Содержание кислорода в природной воде зависит от температуры и давления. В артезианских водах растворенного кислорода не встречается, а в поверхностных водах его концентрация значительна. В поверхностных водах содержание растворенного кислорода уменьшается при наличии в воде процессов брожения или гниения органических остатков. Резкое снижение содержания растворенного кислорода в воде указывает на наличие в ней органических загрязнений.

Сульфаты и хлориды - благодаря своей высокой растворимости содержатся во всех природных водах обычно в виде натриевых, кальциевых и магниевых солей: CaSO₄ , MgSO₄ , CaCI₂ , MgCl₂, NaCl. Азотосодержащие соединения – присутствуют в воде источника в виде ионов аммония NH₄⁺, нитритов NO₂^- и нитратов NO₃^-, поступающих с бытовыми сточными водами и стоками от химических заводов.

Фтор - подавляющее большинство поверхностных источников характеризуется малым содержанием в воде фтор-иона до 0,5 мг/л.

Железо – встречается чаще всего в подземных водах в растворенном состоянии в виде бикарбоната двухвалентного железа Fe(HCO₃)₂. В поверхностных водах железо встречается реже и обычно в форме сложных комплексных соединений. Присутствие железа в природной воде делает ее непригодной для использования в питьевых и производственных целях.

Бактериологическое загрязнение воды определяется общим числом содержащихся в воде бактерий. Бактерии и вирусы из числа патогенных (болезнетворных), живущих на живом субстрате и развивающихся в воде, могут вызывать заболевания брюшным тифом, сибирской язвой, холерой.

Между микробами водоема существуют отношения симбиотического, нейтрального и антагонистического характера. Микробы симбиотического типа мирно уживаются друг с другом. Бактерии антагонистического типа выделяют антибиотики (пенициллин, стрептомицин), губительно действующие на микробы, что способствует бактериальному самоочищению водоема. Солнечный свет и ультрафиолетовые лучи также оказывают летальное воздействие на микробы.