Формирование качества поверхностных вод

Качество воды является следствием двух основных процессов — поступления веществ из внешних по отношению к данному водному объекту источников и впутриводоемпых изменений, происходящих с веществами вследствие функционирования водных экосистем. Поскольку экосистема — это единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, биотические и абиотические его компоненты связаны обменом вещества и энергии. Таким образом, в водной экосистеме совместно функционируют биотическое сообщество и неживая природа, причем последняя является источником веществ и энергии, необходимых для существования биоты.

Попадая в водный объект, вещества становятся элементами водных экосистем и включаются в основные процессы, происходящие в них. Прежде всего, это процессы трансформации вещества. Она может осуществляться физическим, химическим и биологическим путем. В результате трансформации поступивших веществ водный объект может восстапавивать свое первоначальное состояние или переходить в другое устойчивое состояние.

Процессы, в результате которых восстанавливается фоновое состояние водного объекта, называются процессами самоочищения. Самоочищение — это первый из процессов, формирующих качество воды в водном объекте. Вторым процессом, влияющим па формирование качества воды, является перенос вещества и энергии водным потоком. В силу присущих водному потоку физических особенностей в нем происходит непрерывное перераспределение вещества и энергии, обусловленное процессами перемешивания. Процесс формирования качества воды в водном объекте можно представить следующим образом:

  • ? растворенные и взвешенные вещества поступают в водный объект из сосредоточенных или диффузных источников;
  • ? под влиянием гидравлических факторов (перенос и перемешивание) происходит количественное перераспределение веществ в водном потоке;
  • ? под влиянием физических, химических и биологических факторов происходит качественная трансформация веществ.

Физические механизмы самоочищения. Основу физических механизмов самоочищения составляет газообмен на границе раздела атмосфера — вода. Благодаря этому процессу вещества, имеющие резервный фонд в атмосфере, поступают в водный объект и возвращаются из пего в резервный фонд. Одним из важных частных случаев газообмена является процесс атмосферной р е - аэрации, благодаря которому в водный объект поступает значительная часть кислорода.

Интенсивность и направление газообмена определяются отклонением концентрации газа в воде от концентрации насыщения (Cs). Величина концентрации насыщения зависит от природы вещества и физических условий в водном объекте — температуры и давления. При концентрациях, больших Cs, газ улетучивается в атмосферу, а при концентрациях, меньших Cs, — поглощается водной массой.

Сорбция — поглощение примесей взвешенными веществами, донными отложениями и поверхностями тел гидробиоптов. Наиболее энергично сорбируются коллоидные частицы и органические вещества, находящиеся в недиссоциироваппом молекулярном состоянии. В основе процесса лежит явление адсорбции. Скорость накопления вещества в единице массы сорбента пропорциональна его ненасыщенности по данному веществу и концентрации вещества в воде и обратно пропорциональна содержанию вещества в сорбенте. Примерами нормируемых веществ, подверженных сорбции, являются тяжелые металлы и СПАВ.

Водные объекты всегда содержат некоторое количество взвешенных веществ неорганического и органического происхождения. Осаждение характеризуется способностью взвешенных частиц выпадать па дно под действием силы тяжести. Процесс перехода частиц из донных отложений во взвешенное состояние называется взмучиванием.

Химические механизмы самоочищения. Фотолиз — превращение молекул вещества под действием поглощаемого ими света. Частными случаями фотолиза являются фотохимическая диссоциация — распад частиц на несколько более простых и фотоионизация — превращение молекул в ионы. Из общего количества солнечной радиации порядка 1 % используется в фотосинтезе, от 5 % до 30 % отражается водной поверхностью, основная же часть солнечной энергии преобразуется в тепло и участвует в фотохимических реакциях.

Наиболее действенной частью солнечного света является ультрафиолетовое излучение. Оно поглощается в слое воды толщиной порядка 10 см, однако благодаря турбулентному перемешиванию может проникать и в более глубокие слои водных объектов. Из веществ, поступающих в водные объекты, относительно быстрому фотохимическому разложению поддаются гумусные вещества.

Гидролиз — реакция ионного обмена между различными веществами и водой. Гидролиз является одним из ведущих факторов химического превращения веществ в водных объектах. Количественной характеристикой этого процесса является степень гидролиза, под которой понимают отношение гидролизированной части молекул к общей концентрации соли. Для большинства солей она составляет несколько процентов и повышается с увеличением разбавления и температуры воды. Гидролизу подвержены и органические вещества.

Биохимическое самоочищение. Биохимическое самоочищение является следствием трансформации веществ, осуществляемой гидробионтами. Как правило, биохимические механизмы вносят основной вклад в процесс самоочищения и только при угнетении водных организмов (например, под действием токсикантов) более существенную роль начинают играть физико-химические процессы. Биохимическая трансформация веществ происходит в результате их включения в трофические цепи и осуществляется в ходе процессов продукции и деструкции.

Особенно важную роль играет первичная продукция, так как она определяет большинство внутриводоемных процессов. В большинстве водных экосистем ключевым первичным продуцентом является фитопланктон. Основным механизмом новообразования органического вещества является фотосинтез. В процессе фотосинтеза энергия Солнца непосредственно трансформируется в биомассу. Побочным продуктом этой реакции является свободный кислород, образованный за счет фотолиза воды. Наряду с фотосинтезом в растениях идут процессы дыхания с затратой кислорода.

Эвтрофирование, под которым понимают гиперпродукцию органического вещества в водном объекте под действием внешних и внутриводоемных факторов, является одной из серьезных экологических проблем, с которой сталкиваются почти все развитые страны. Эвтрофированию подвержены практически любые водные объекты, однако наиболее ярко оно проявляется в водоемах. В результате антропогенного поступления биогенных веществ в водные объекты происходит резкое ускорение скорости эвтрофирования. Итогом является уменьшение временного масштаба эвтрофирования от тысяч лет до десятилетий. Особенно интенсивно процессы эвтрофирования протекают на урбанизированных территориях, что делает их одним из наиболее характерных признаков, присущих городским водным объектам.

Основным механизмом естественного процесса эвтрофирования является заиливание водоемов. Антропогенное эвтрофирование происходит вследствие поступления в воду избыточного количества биогенных элементов в результате хозяйственной деятельности. Высокое содержание биогенов стимулирует автотрофную гиперпродукцию органического вещества. Результатом этого процесса является цветение воды вследствие чрезмерного развития альгофлоры.

Среди поступающих в воду биогенных элементов наибольшее влияние па процессы эвтрофировапия оказывают азот и фосфор, поскольку их содержание и соотношение регулирует скорость первичного продуцирования. Остальные биогенные элементы, как правило, содержатся в воде в достаточных количествах и не оказывают влияния па процессы эвтрофировапия. Для озер лимитирующим элементом наиболее часто является фосфор, а для водотоков — азот.

Самоочищающая способность поверхностных водных объектов, подверженных антропогенной нагрузке, как правило, недостаточна для противостояния высокому уровню внешнего негативного воздействия. В результате водные экосистемы подвергаются перестройке, следствием которой является обеднение видового состава, снижение биологической ценности гидробионтов, ухудшение качественных характеристик воды. По этой причине в промышленно развитых странах с предельной остротой стоит проблема защиты водных объектов и восстановления деградировавших водных экосистем.

Внешнее воздействие па водные объекты проявляется в виде поступления в них посторонних примесей и тепла, что приводит к нарушению норм качества воды. С целью поддержания самоочи- щающей способности водных объектов и обеспечения различных видов водопользования объем внешних воздействий не должен превышать установленных нормативов ПДС. Реализация норм ПДС достигается за счет уменьшения количества возвратных вод или снижения концентрации веществ в них. Основными организационно-техническими мероприятиями, применяемыми в этих целях, являются:

  • ? изменение технологии производства;
  • ? устройство систем канализации и санитарная очистка городов;
  • ? повторное использование сточных вод;
  • ? очистка сточных вод.

В основе технологий для защиты и восстановления водотоков лежит целенаправленное изменение гидрологических условий или непосредственное воздействие па биотическую часть водной экосистемы. Основными техническими решениями являются изменение скорости течения, формы поперечного сечения русла, материала крепления береговых откосов и разработка специальных биоинженерпых сооружений.

Прогноз состояния поверхностных вод базируется па математическом моделировании процессов формирования качества воды с учетом существующих и планируемых внешних воздействий па водный объект. Модели качества воды могут быть разной сложности. Чем сложнее моделируемые процессы, тем большее количество параметров включают в модель.

Для оперативного прогноза обычно используют динамические модели, позволяющие учитывать изменчивость состояния водного объекта во времени. При среднесрочном и долгосрочном прогнозировании используются статистические и аналитические модели. Статистические модели основаны на анализе и статистической обработке экспериментальных данных, полученных непосредственно па изучаемом водном объекте. Аналитические модели позволяют выполнить прогноз качества воды, используя теоретические представления о природе и основных закономерностях моделируемых процессов. Этот класс моделей отличается большей, по сравнению со статистическими моделями, универсальностью и получил широкое распространение в прогнозных расчетах.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >