--PAGE_BREAK--2.2 Поверхностные воды
Качество поверхностных вод зависит от сочетания климатических и геологических факторов. Основным климатическим фактором является количество и частота осадков, а также экологическая ситуация в регионе. Выпадающие осадки несут с собой определенное количество нерастворенных частиц, таких как пыль, вулканический пепел, пыльца растений, бактерии, грибковые споры, а иногда и более крупные микроорганизмы. Океан является источником разных солей, растворенных в дождевой воде. В ней можно обнаружить ионы хлорида, сульфата, натрия, магния, кальция и калия. Промышленные выбросы в атмосферу также «обогащают» химическую палитру, в основном за счет органических растворителей и оксидов азота и серы, являющихся причиной выпадения «кислотных дождей». Вносят свою лепту и химикаты, применяемые в сельском хозяйстве. К числу геологических факторов относится структура русла рек. Если русло образовано известняковыми породами, то вода в реке, как правило, прозрачная и жесткая. Если же русло из непроницаемых пород, например гранита, то вода будет мягкой, но мутной за счет большого количества взвешенных частиц органического и неорганического происхождения. В целом поверхностные воды характеризуются относительной мягкостью, высоким содержанием органики и наличием микроорганизмов.
2.3 Грунтовые воды
Значительная часть выпадающей дождевой воды, а также талая вода, просачивается в почву. Там она растворяет содержащиеся в почвенном слое органические вещества и насыщается кислородом. Глубже находятся песчаные, глинистые, известняковые слои. В них органические вещества по большей части отфильтровываются, но вода начинает насыщаться солями и микроэлементами. В общем случае, на качество грунтовых вод влияют несколько факторов.
1) Качество дождевой воды (кислотность, насыщенность солями и т.д.).
2) Качество воды в подводном резервуаре. Возраст такой воды может достигать десятков тысяч лет.
3) Характер слоев, через которые проходит вода.
4) Геологическая природа водоносного слоя.
В наиболее значительных количествах в грунтовых водах содержаться, как правило, кальций, магний, натрий, калий, железо и в меньшей степени марганец (катионы). Вместе с распространенными в воде анионами – карбонатами, гидрокарбонатами, сульфатами и хлоридами – они образуют соли. Концентрация солей зависит от глубины. В наиболее «старых» глубоких водах концентрации солей настолько велика, что они обладают явственно солоноватым вкусом. К этому типу относятся большинство известных минеральных вод. Наиболее качественную воду получают из известняковых слоев, но глубина их залегания может быть достаточно большой и добуриться до них – удовольствие не из дешевых. Грунтовые воды характеризуются достаточно высокой минерализацией, жесткостью, низким содержанием органики и практически полным отсутствием микроорганизмов.
2.4 Проблемы водоснабжения
Запасы пресной воды представляют собой единый ресурс. Рассчитанное на длительную перспективу освоение мировых ресурсов пресной воды требует целостного подхода к использованию этих ресурсов и признания взаимозависимости между элементами, составляющими запасы пресной воды и определяющими ее качество. В мире существует мало регионов, не затронутых проблемами потери потенциальных источников снабжения пресной водой, ухудшения качества воды и загрязнения поверхностных и подземных источников. Основные проблемы, отрицательно влияющие на качество воды рек и озер, возникают, в зависимости от обстоятельств, с разной степенью остроты в результате несоответствующей очистки бытовых сточных вод, слабого контроля за сбросом промышленных сточных вод, утраты и разрушения водосборных площадей, нерационального размещения промышленных предприятий, обезлесения, бесконтрольной залежной системы земледелия и нерациональных методов ведения сельского хозяйства. Это приводит к вымыванию питательных веществ и пестицидов. Нарушается естественный баланс водных экосистем, и возникает угроза для живых пресноводных ресурсов. В различных обстоятельствах на водные экосистемы влияют также проекты освоения водных ресурсов в целях развития сельского хозяйства, такие, как плотины, схемы переброски речных стоков, водохозяйственные сооружения и ирригационные проекты. Эрозия, заиление, обезлесение и опустынивание приводят к возрастанию деградации земель, а создание водохранилищ в некоторых случаях отрицательно сказывается на экосистемах. Многие из этих проблем возникают вследствие экологически разрушительных моделей развития и отсутствия понимания проблем общественностью и соответствующих знаний об охране ресурсов поверхностных и подземных вод.
Степень воздействия на окружающую среду и здоровье человека поддается измерению, хотя во многих странах методы осуществления такого контроля являются весьма неадекватными или вообще не разработаны. Широко распространено недопонимание взаимосвязей между освоением, управлением, рациональным использованием и очисткой водных ресурсов и водными экосистемами. Там, где это возможно, исключительно важно осуществлять профилактические меры, с тем чтобы избежать впоследствии дорогостоящих мероприятий по восстановлению, очистке и освоению новых водных ресурсов. В большинстве случаев вода, поступающая из скважины, а зачастую и из муниципальной водопроводной системы, нуждается в предварительной обработке, целью которой является доведение качества воды до действующих нормативов. Судить о качестве воды и ее соответствии или несоответствии установленным нормам можно только на основании максимально полного химического и бактериологического анализа. Только на основе анализа можно делать окончательный вывод о той проблеме или комплексе проблем, с которыми придется иметь дело.
Основные неприятности c водой, с которыми приходится сталкиваться пользователям следующие:
Наличие в воде нерастворенных механических частиц, песка, взвесей, ржавчины, а также коллоидных веществ. Их присутствие в воде приводит к ускоренному абразивному износу сантехники и труб, а также к их засорению. Присутствие в воде растворенного железа и марганца. Такая вода первоначально прозрачна, но при отстаивании или нагреве приобретает желтовато-бурую окраску, что является причиной ржавых подтеков на сантехнике. При повышенном содержании железа вода также приобретает характерный «железистый» привкус. Жесткость, которая определяется количеством растворенных в воде солей кальция и магния. При их высоком содержании возможны выпадение осадка и появление белесых разводов на поверхности ванны, мойки и т.д. Соли кальция и магния, называемые также солями жесткости, являются причиной возникновения всем хорошо известной накипи. Сравнительно безобидная в чайнике, накипь, откладываясь на стенках водонагревательных устройств (бойлеров, колонок и т.п.), а также на стенках труб в линии горячей воды, нарушает процесс теплообмена. Это приводит к перегреву нагревательных элементов, перерасходу электроэнергии и газа. Отложение накипи является причиной до 90% аварий водонагревателей. Наличие в воде неприятного привкуса, запаха и цветности. На эти три параметра, которые принято называть органолептическими показателями, могут оказывать влияние находящиеся в воде органические вещества, остаточный хлор, сероводород. Бактериологическая загрязненность. Вызвана наличием в воде различных микробов или бактерий. Некоторые из них могут представлять непосредственную угрозу здоровью и жизни человека, но даже сравнительно безопасные бактерии в процессе своей жизнедеятельности выделяют органические вещества, которые не только влияют на органолептические показатели воды, но и, вступая в химические реакции (например с хлором), способны создавать ядовитые и канцерогенные соединения. Естественно, что приведенный выше список не исчерпывает всего многообразия проблем, возникающих с водой, однако знакомит нас с основными из них.
2.5 Загрязнение водных ресурсов
Под загрязнением водоемов понимается снижение их биосферных функций и экономического значения в результате поступления в них вредных веществ. Одним из видов загрязнения водоемов является тепловое загрязнение. Электростанции, промышленные предприятия часто сбрасывают подогретую воду в водоем. Это приводит к повышению в нем температуры воды. С повышением температуры в водоеме уменьшается количество кислорода, увеличивается токсичность загрязняющих воду примесей, нарушается биологическое равновесие. В загрязненной воде с повышением температуры начинают бурно размножаться болезнетворные микроорганизмы и вирусы. Попав в питьевую воду, они могут вызвать вспышки различных заболеваний. В ряде регионов важным источником пресной воды являлись подземные воды. Раньше они считались наиболее чистыми. Но в настоящее время в результате хозяйственной деятельности человека многие источники подземной воды также подвергаются загрязнению. Нередко это загрязнение настолько велико, что вода из них стала непригодной для питья. Человечество потребляет на свои нужды огромное количество пресной воды. Основными ее потребителями являются промышленность и сельское хозяйство. Наиболее водоемкие отрасли промышленности – горнодобывающая, сталелитейная, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная и пищевая. На них уходит до 70% всей воды, затрачиваемой в промышленности. Главный же потребитель пресной воды – сельское хозяйство: на его нужды уходит 60–80% всей пресной воды.
В современных условиях сильно увеличиваются потребности человека в воде на коммунально-бытовые нужды. Объем потребляемой воды для этих целей зависит от региона и уровня жизни, составлял от 3 до 700 л на одного человека. Из анализа водопользования за 5–6 прошедших десятилетий вытекает, что ежегодный прирост безвозвратного водопотребления, при котором использованная вода безвозвратно теряется для природы, составляет 4–5%. Перспективные расчеты показывают, что при сохранении таких темпов потребления и с учетом прироста населения и объемов производства к 2100 г. человечество может исчерпать все запасы пресной воды. Уже в настоящее время недостаток пресной воды испытывают не только территории, которые природа обделила водными ресурсами, но и многие регионы, еще недавно считавшиеся благополучными в этом отношении. В настоящее время потребность в пресной воде не удовлетворяется у 20% городского и 75% сельского населения планеты. Вмешательство человека в природные процессы затронуло даже крупные реки (такие, как Волга, Дон, Днепр), изменив в сторону уменьшения объемы переносимых водных масс (сток рек). Используемая в сельском хозяйстве вода по большей части расходуется на испарение и образование растительной биомассы и, следовательно, не возвращается в реки. Уже сейчас в наиболее обжитых районах страны сток рек сократился на 8%, а у таких рек, как Дон, Терек, Урал – на 11–20%. Весьма драматична судьба Аральского моря, по сути, прекратившего существование из-за чрезмерного забора вод рек Сырдарьи и Амударьи на орошение. Ограниченные запасы пресной воды еще больше сокращаются из-за их загрязнения. Главную опасность представляют сточные воды (промышленные, сельскохозяйственные и бытовые), поскольку значительная часть использованной воды возвращается в водные бассейны в виде сточных вод.
2.5.1 Загрязнение поверхностных вод
Качество воды большинства водных объектов не отвечает нормативным требованиям. Многолетние наблюдения за динамикой качества поверхностных вод обнаруживают тенденцию увеличения числа створов с высоким уровнем загрязненности (более 10 ПДК) и числа случаев экстремально высокого содержания (Свыше 100 ПДК) загрязняющих веществ в водных объектах. Состояние водных источников и систем централизованного водоснабжения не может гарантировать требуемого качества питьевой воды, а в ряде регионов (Южный Урал, Кузбасс, некоторые территории Севера) это состояние достигло опасного уровня для здоровья человека. Службы санитарно-эпидемиологического надзора постоянно отмечают высокое загрязнение поверхностных вод. Около 1/3 всей массы загрязняющих веществ вносится в водоисточники с поверхностным и ливневым стоком с территорий санитарно неблагоустроенных мест, сельскохозяйственных объектов и угодий, что влияет на сезонное, в период весеннего паводка, ухудшение качества питьевой воды, ежегодно отмечаемое в крупных городах, в том числе и в Новосибирске. В связи с этим проводится гиперхлорирование воды, что, однако небезопасно для здоровья населения в связи с образованием хлорорганических соединений. Одним из основных загрязнителей поверхностных вод является нефть и нефтепродукты. Нефть может попадать в воду в результате естественных ее выходов в районах залегания. Но основные источники загрязнения связаны с человеческой деятельностью: нефтедобычей, транспортировкой, переработкой и использованием нефти в качестве топлива и промышленного сырья. Среди продуктов промышленного производства особое место по своему отрицательному воздействию на водную среду и живые организмы занимают токсичные синтетические вещества. Они находят все более широкое применение в промышленности, на транспорте, в коммунально-бытовом хозяйстве. Концентрация этих соединений в сточных водах, как правило, составляет 5–15 мг/л при ПДК – 0,1 мг/л. Эти вещества могут образовывать в водоёмах слой пены, особенно хорошо заметный на порогах, перекатах, шлюзах. Способность к пенообразованию у этих веществ появляется уже при концентрации 1–2 мг/л.
Наиболее распространенными загрязняющими веществами в поверхностных водах являются фенолы, легко окисляемые органические вещества, соединения меди, цинка, а в отдельных регионах страны – аммонийный и нитритный азот, лигнин, ксантогенаты, анилин, метил меркаптан, формальдегид и др. Огромное количество загрязняющих веществ вносится в поверхностные воды со сточными водами предприятий черной и цветной металлургии, химической, нефтехимической, нефтяной, газовой, угольной, лесной, целлюлозно-бумажной промышленности, предприятий сельского и коммунального хозяйства, поверхностным стоком с прилегающих территорий.
Небольшую опасность для водной среды из металлов представляют ртуть, свинец и их соединения. Расширенное производство (без очистных сооружений) и применение ядохимикатов на полях приводят к сильному загрязнению водоемов вредными соединениями. Загрязнение водной среды происходит в результате прямого внесения ядохимикатов при обработке водоемов для борьбы с вредителями, поступления в водоемы воды, стекающей с поверхности обработанных сельскохозяйственных угодий, при сбросе в водоемы отходов предприятий-производителей, а также в результате потерь при транспортировке, хранении и частично с атмосферными осадками. Наряду с ядохимикатами сельскохозяйственные стоки содержат значительное количество остатков удобрений (азота, фосфора, калия), вносимых на поля. Кроме того, большие количества органических соединений азота и фосфора попадают со стоками от животноводческих ферм, а также с канализационными стоками. Повышение концентрации питательных веществ в почве приводит к нарушению биологического равновесия в водоеме. Вначале в таком водоеме резко увеличивается количество микроскопических водорослей. С увеличением кормовой базы возрастает количество ракообразных, рыб и других водных организмов. Затем происходит отмирание огромного количества организмов. Оно приводит к расходованию всех запасов кислорода, содержащегося в воде, и накоплению сероводорода. Обстановка в водоеме меняется настолько, что он становится непригодным для существования любых форм организмов. Водоем постепенно «умирает».
Современный уровень очистки сточных вод таков, что даже в водах, прошедших биологическую очистку, содержание нитратов и фосфатов достаточно для интенсивного эвтрофирования водоемов. Эвтрофизация – обогащение водоема биогенами, стимулирующее рост фитопланктона. От этого вода мутнеет, гибнут бентосные растения, сокращается концентрация растворенного кислорода, задыхаются обитающие на глубине рыбы и моллюски.
Во многих водных объектах концентрации загрязняющих веществ превышают ПДК, установленные санитарными и рыбоохранными правилами.
2.5.2 Загрязнение подземных вод
Загрязнению подвергаются не только поверхностные, но и подземные воды. В целом состояние подземных вод оценивается как критическое и имеет опасную тенденцию дальнейшего ухудшения. Подземные воды (особенно верхних, неглубоко залегающих, водоносных горизонтов) вслед за другими элементами окружающей среды испытывают загрязняющее влияние хозяйственной деятельности человека. Подземные воды страдают от загрязнений нефтяных промыслов, предприятий горнодобывающей промышленности, полей фильтрации, шламонакопителей и отвалов металлургических заводов, хранилищ химических отходов и удобрений, свалок, животноводческих комплексов, не канализированных населенных пунктов. Происходит ухудшение качества воды в результате подтягивания некондиционных природных вод при нарушении режима эксплуатации водозаборов. Площади очагов загрязнения подземных вод достигают сотен квадратных километров. Из загрязняющих подземные воды веществ преобладают: нефтепродукты, фенолы, тяжелые металлы (медь, цинк, свинец, кадмий, никель, ртуть), сульфаты, хлориды, соединения азота. Перечень веществ контролируемых в подземных водах не регламентирован, поэтому нельзя составить точную картину о загрязнении подземных вод.
продолжение
--PAGE_BREAK--Комплексный и взаимосвязанный характер пресноводных систем требует целостного подхода к управлению ресурсами пресной воды (предполагающего хозяйственную деятельность в пределах водосборного бассейна) на основе сбалансированного учета потребностей населения и окружающей среды. Еще в принятом в Мар-дель-Плата Плане действий было указано на внутреннюю связь между водохозяйственными проектами и серьезными последствиями их осуществления, которые носят физический, химический, биологический и социально-экономический характер. В области оздоровления окружающей среды была поставлена следующая общая цель: «производить оценку последствий различных видов водопользования для окружающей среды, поддерживать меры, направленные на борьбу с передаваемыми посредством воды заболеваниями, а также охранять экосистемы». Масштабы и степень загрязнения зон аэрации и водоносных горизонтов всегда недооценивались в силу относительной недоступности водоносных горизонтов и отсутствия информации о водоносных системах. В этой связи охрана подземных вод является одним из важнейших элементов рационального использования водных ресурсов.
Для включения элементов регулирования качества водных ресурсов в водохозяйственную деятельность необходимо одновременно стремиться кдостижению следующих трех целей:
1. сохранение целостности экосистемы благодаря ведению хозяйственной деятельности на основе принципа, предусматривающего охрану водных экосистем, включая живые ресурсы, и их эффективную защиту от любых видов деградации в пределах водосборного бассейна;
2. охрана здоровья населения, что предусматривает не только снабжение питьевой водой, не содержащей патогенных микроорганизмов, но и борьбу с переносчиками инфекции в водной среде;
3. развитие людских ресурсов, являющееся залогом формирования потенциала и необходимым условием для налаживания деятельности по регулированию качества воды.
Все государства, в зависимости от своих возможностей и имеющихся ресурсов и через двустороннее или многостороннее сотрудничество, в том числе с Организацией Объединенных Наций и, при необходимости, с другими соответствующими организациями, смогли бы установить следующие цели:
1. определить те ресурсы поверхностных и подземных вод, которые можно было бы освоить для использования на устойчивой основе, и другие основные зависящие от воды ресурсы, которые могут быть освоены, и одновременно начать осуществление программ по охране, сохранению и рациональному использованию этих ресурсов на устойчивой основе;
2. определить все потенциальные источники водоснабжения и подготовить проекты их защиты, сохранения и рационального использования;
3. приступить к осуществлению эффективных и соизмеримых с уровнем их социально-экономического развития программ по борьбе с загрязнением вод, соответствующим образом сочетая реализацию стратегий сокращения загрязнения у источника с проведением экологических экспертиз и применением практически осуществимых норм для выбросов из крупных точечных источников и неточечных источников с высокой степенью риска;
4. принимать, насколько это возможно, участие в осуществлении международных программ мониторинга и регулирования качества воды, например, таких, как Глобальная программа мониторинга качества воды (ГСМОС-ВОДА), Программа ЮНЕП по экологически обоснованному использованию внутренних водных ресурсов (ЭМИНВА), Программа ФАО по региональным внутренним водоемам, используемым для рыбного промысла, и Конвенция о водно-болотных угодьях, имеющих международное значение главным образом в качестве местообитаний водоплавающих птиц (Конвенция РАМСАР);
5. уменьшить распространенность передаваемых через воду заболеваний, начиная с ликвидации дракункул за (ришта) и онхоцеркоза (речная слепота) к 2000 году;
6. установить, согласно своим возможностям и потребностям, биологические, санитарно-гигиенические, физические и химические критерии качества воды в отношении всех видов водоемов (поверхностные и подземные воды) с целью постоянного улучшения качества воды;
7. осуществлять комплексный подход к экологически безопасному управлению водными ресурсами, включая защиту водных экосистем и живых пресноводных ресурсов;
8. разработать стратегии по экологически безопасному управлению запасами пресной воды и соответствующими прибрежными экосистемами, включая рассмотрение проблем, связанных с рыболовством, аквакультурой, пастбищным хозяйством, сельскохозяйственной деятельностью и биологическим разнообразием [24, 25].
3. Методические разработки
К сожалению, провести весь курс занятий, логически связанных между собой, оказалось невозможным, и были апробированы только некоторые формы организации элективных курсов по изучению темы «Экологический мониторинг водных объектов».
Занятие №1. Водные ресурсы планеты
В ходе эволюции вода создала окружающую нас природу, живой мир, да и самого человека: именно водная среда (мировой океан) могла обеспечить все требования к возникновению и развитию жизни. Она стала тем «питательным бульоном», в котором 3,5 млрд лет назад при специфических внешних условиях зародилась жизнь на Земле.
Есть ли вода в нашем организме и много ли ее? Как вы полагаете, отчего это?
Вода обеспечивает существование жизни на нашей планете: сложнейшие биохимические реакции в клетках животных и растительных организмов могут протекать только при наличии воды. Все живые существа на Земле содержат воду в большем или меньшем количестве, в среднем около 70–80%, т.е. на 3/4 состоят из воды. С химической точки зрения живое вещество – это водный раствор, и почти все процессы, обеспечивающие его жизнедеятельность, сводятся к химическим реакциям в водном растворе.
На что похожа кровь? Такая соленая? О чем это может свидетельствовать?
По солевому составу кровь человека и морская вода очень близки. Кровь человека составляет десятую часть от всей жидкости в его теле (в среднем 5 л крови, из них 3,5 л – жидкая составляющая – плазма) и обеспечивает возможность обмена веществ в организме. Одна из ее главных функций, подобно воде в природе, – транспортная (перенос кислорода, питательных веществ, шлаков). Для поддержания жизни человек должен получать около 2,5 л воды в сутки (непосредственно и с пищей).
Попробуйте догадаться, сколько всего человек за жизнь потребляет и выделяет воды?
В среднем за всю жизнь человек потребляет и выделяет около 75 т воды, а все человечество – почти четвертую часть годового стока всех рек мира.
А сколько человек может прожить без воды? Не высохнет ли он как трава без дождя?
Без воды человек не проживет и недели, погибнет от жажды. Обезвоживание организма приводит к серьезным нарушениям функционирования различных органов. Человек тяжело переносит потерю 5% воды, а обезвоживание на 15–20% приводит к необратимым изменениям в организме и к смерти.
Как известно, кислород атмосферы, играющий исключительно важную роль в функционировании всех аэробных живых организмов, в том числе и человека, – биогенного происхождения.
А наши организмы выделяют кислород? Что это за процесс?
Более 150 млрд. тонн кислорода поставляют ежегодно в атмосферу фитопланктон и наземные растения за счет фотосинтеза – важнейшего биохимического процесса на нашей планете. С помощью масс-спектрометрии и использованием изотопной разновидности воды H2 18O было доказано, что источником кислорода при фотосинтезе служит вода. Попытайтесь написать эту реакцию сами, а потом запишем ее вместе.
nCO2 +n H2 18O [CH2O] + n18O2
(формула [CH2O]n отражает не реальное вещество, а состав углевода).
Было также установлено, что более точное итоговое уравнение фотосинтеза имеет вид:
nCO2 + 2 n H2 18O [CH2O]n + n H2 18O + n18O2,
откуда следует, что в процессе фотосинтеза вода не только используется, но и образуется.
Когда кислорода стало очень много он стал превращаться в озон. Что случилось потом?
В свою очередь, кислород, образующийся как побочный продукт фотосинтеза, под действием мощного солнечного ультрафиолетового излучения образовал в стратосфере озоновый слой, защищающий белковые соединения от жесткой радиации, что позволило живым организмам выйти из Мирового океана на сушу.
Теперь, когда все приблизилось почти к современным условиям, установились круговорот веществ и энергии.
Опишите круговорот воды в городе?
Одновременно с образованием первичных гидросферы и атмосферы на земле зародился геологический круговорот воды. Этот планетарный круговорот воды продолжается до сих пор, в нем участвует и живая природа, теперь он имеет геобиохимический характер. «Любое проявление природной воды – глетчерный лед, безмерный океан, почвенный раствор, гейзер, минеральный источник – составляет единое целое, прямо или косвенно, но глубоко связанное между собой», – считал В.И. Вернадский.
Попытайтесь дать определение круговороту. Это очень важное понятие – необходимо осознать что в нашей крови есть вода, например, с древних ледников Антарктиды… Итак…
Круговорот воды в природе – это непрерывный процесс движения и обмена водой между различными составляющими гидросферы. Примерно за 3000 лет вся современная масса гидросферы испаряется, т.е. интенсивность возобновления воды достаточно велика. Обладая в миллион раз меньшей массой воды, чем масса гидросферы, живые организмы, главным образом растения, пропускают ее через себя (за время порядка 1 млн. лет). Таким образом, природная вода – это тоже продукт жизнедеятельности живых организмов. В круговороте воды на суше доминирующая роль принадлежит растениям, 2/3 осадков образуются за счет транспирации – испарения с поверхности листьев растений. «Вся масса воды, – писал В.И. Вернадский, – и в жидкой, и в газообразной, и в твердой форме находится в непрерывном движении, переполнена действенной энергией, сама вечно меняется и меняет все окружающее… Картина видимой природы определяется водой…».
Важна ли была вода для древних? Как они относились к ней?
Велика роль воды в истории человеческой цивилизации. Вся практическая (хозяйственная) деятельность человека с самой глубокой древности связана с использованием воды. Вода – ценнейший природный ресурс, и нет ни одной отрасли хозяйства, где она не использовалась бы.
Как можно получить энергию из воды? Нарисуйте схему извлечения энергии из воды в домашних условиях.
Вода – один из важнейших техногенных источников получения энергии, прежде всего электрической. В настоящее время пятая часть вырабатываемой в мире электроэнергии приходится на гидроэлектростанции, при этом следует заметить, что и на тепловых электростанциях (в том числе и на АЭС) именно вода, превращенная в пар, вращает турбины и связанные с ними электрогенераторы.
Объемы воды в составляющих гидросферы
Около 70% поверхности Земли (361,2 млн. км2) покрыто водой морей и океанов. Вся же гидросфера занимает заметно большую поверхность, если учитывать ледники (16,3 млн. км2, или 11% суши), озера и реки (2,3 млн. км2, или 1,6%), а также болота и сильно увлажненные земли (около 3 млн. км2, или 2%). Таким образом, гидросфера на нашей планете – это основная часть ее поверхности: более 380 млн. км2, или свыше 75% площади поверхности Земли.
Гидросфера Земли содержит около 1,4 млрд. км3 воды. Данные о содержании воды в отдельных составляющих гидросферы приведены в таблице.
Когда отмечают, что 3/4 планеты покрыты водой, то имеют в виду только нижний предел этого значения, так как на самом деле поверхность, занимаемая гидросферой, существенно меняется. Ежегодно снежный покров зимой в Северном и Южном полушариях закрывает огромные пространства суши. Особенно большую территорию – более 42 млн. км2 в среднем – снежный покров занимает на суше в зиму Северного полушария. Таким образом, в этот период площадь, занятая гидросферой, составляет более 83% поверхности Земли.
Общее количество воды в гидросфере постоянно, по крайней мере, в течение последнего геологического периода. Утечка воды в космос из-за фотодиссоциации молекул водяного пара в экзосфере компенсируется приходом воды на Землю за счет метеоритного вещества космического пространства (около 0,5 км3 в год) и первозданной (ювенильной) воды, извергаемой подводными вулканами и виде пара и горячих растворов (около 1 км3 в год). Учитывая вышесказанное и имея в виду планетарный круговорот воды, можно отнести воду к неисчерпаемым возобновляемым природным ресурсам.
Общие ресурсы пресной воды
Большое значение для жизни на Земле и хозяйственной деятельности человека имеет водный баланс пресной ветви планетарного круговорота воды. Пресной считается вода, в 1 л которой содержится не более 1 г. растворенных веществ (солей). Другими словами, пресная вода – это вода с соленостью не более 1% о (одной промилле). Для сравнения: средняя соленность морской воды составляет 35% о.
Как вы думаете связаны между собой соленая и пресная вода?
Отметим важнейший момент происхождения пресной воды – испарение и выпадение атмосферных осадков в системе «океан-атмосфера». Таким образом, соленая вода Мирового океана обеспечивает Землю пресной водой!
Где можно найти пресную воду? Многие города расположены по берегам рек, о чем это говорит?
Основные запасы пресной воды на земле сосредоточены в снежно-ледовых образованиях и в подземных водах – около 35 млн. км3, или 2,5% от всего объема воды в гидросфере. Хотя снежно-ледовые образования и подземные воды и играют существенную роль в водоснабжении некоторых районов, все же они труднодоступны, и в мировом масштабе их использование пока не имеет практического значения. Кроме того, пресные подземные воды располагаются лишь до глубины активного водообмена, формирующегося за счет атмосферных осадков, т.е. до глубины 200–1500 м.
Большая часть подземных вод, находящихся на нижних горизонтах, – соленые воды.
Непосредственно доступные пресные воды (пресные озера, содержащие 91 тыс. км3 воды, и реки) составляют лишь 0,007% от всей воды на земле, или 0,26% от общего запаса пресных вод на Земле. Самое большое в мире по запасам пресной воды оз. Байкал содержит 23 тыс. км3 воды, столько же – Великие американские озера. Таким образом, на эти озера приходится половина запасов воды пресных озер всего мира.
Структура водного фонда России такова:
Мировой океан – 93,6%;
подземные воды – 4%;
ледники, снежный покров – 2%;
реки, озера и другие источники пресной воды – 0,4%.
По данным Атласа мирового водного баланса, с поверхности суши ежегодно испаряется и вновь возвращается на сушу примерно 70 тыс. км3 воды; с поверхности Мирового океана ежегодно испаряется около 500 тыс. км3 воды, большая часть этой испарившейся воды возвращается обратно в океан в виде осадков, а примерно 1/10 часть выпадает над сушей, пополняя через поверхностный и подземный стоки водные запасы рек. Это разность между осадками и испарениями определяет значение речного стока. Кроме этого, речной сток в скрытом виде включает в себя часть ресурсов подземных вод, которые также относятся к источникам питания рек и поддерживают их водный режим.
К этому значению можно добавить ледяной сток Антарктиды – 2,5 тыс. км3/ год и Гренландии – 0,5 км3/год, исходя из этих цифр, можно оценивать экологическую ситуацию с ресурсами пресной воды на Земле.
Обеспеченность водными ресурсами регионов и стран
Для определения степени обеспеченности регионов водными ресурсами необходимо рассчитывать удельные характеристики – объем воды, приходящийся на единицу территории или на одного человека.
В среднем на одного жителя Земли приходится 8 тыс. м3 пресной воды в год, на одного жителя Европы – 4,6 тыс. м3/год, для Азиатского контингента эта величина равна 5,2 тыс. м3/год. За последние 20 лет произошло существенное уменьшение водообеспеченности Азии, Африки и Южной Америки в связи с демографическим взрывом в этих районах.
Если рассматривать отдельные страны, то более других обеспечена пресной водой Бразилия (свыше 140 тыс. м3/год), где располагается бассейн крупнейшей реки мира – Амазонки, на втором месте по суммарному стоку (около 30 тыс. м3/год) стоит Россия.
Представьте себе конфликт из-за уменьшения количества пресной воды.
Средние показатели по материкам и даже по странам не могут дать истинного представления об обеспечении водой. Это объясняется неравномерным распределением водных ресурсов по территории. Неравномерность распределения ресурсов поверхностных пресных вод характерна для всего мира, и она стала первопричиной напряженной ситуации в ряде регионов и стран. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), в настоящее время трудности, связанные с обеспечением питьевой водой, испытывают около 2 млрд. человек – треть населения земного шара.
продолжение
--PAGE_BREAK--Наглядный пример – ситуация с водными ресурсами, сложившаяся в России. В целом Россия богата водными ресурсами: среднемноголетний суммарный речной сток в Российской Федерации составляет 4270 км3/год. Распределение речного стока по территории России крайне неравномерно и не соответствует расселению жителей, а также размещению производительных сил.
Около 90% общего поверхностного годового стока приходится на восточные районы страны, где проживает только около 25% населения страны. На европейскую часть, где сосредоточен основной промышленный и сельскохозяйственный потенциал страны, находятся крупные города и живет большая часть населения, приходится лишь 10% от общего годового речного стока. Таким образом, хозяйственно освоенные регионы Российской Федерации испытывают недостаток пресных водных ресурсов уже в силу только географических причин.
Одна из главных причин загрязнения водной оболочки Земли, приводящая к дефициту чистой пресной воды, – сброс в поверхностные (а через почву и в подземные) водоемы неочищенной или недостаточно очищенной воды, содержащей загрязняющие вещества.
Загрязнение окружающей природной среды – это поступление в нее веществ (твердых, жидких, газообразных), биологических агентов, энергии в количествах или концентрациях, превышающих естественный для данной экосистемы уровень.
Как отмечается в Декларации ООН «Об окружающей среде», любое вещество считается загрязнителем, если оно встречается в ненадлежащем месте, в ненадлежащем количестве и в ненадлежащее время. И эти место, количество и время «назначает» уже не природа – распорядительница жизни на Земле, а индустрия, создающая свои незамкнутые техногенные круговороты веществ, что приводит к антропогенному загрязнению всех компонентов биосферы.
Сточными водами называют воды, использованные на бытовые и производственные нужды и загрязненные при этом дополнительными примесями, изменившими их первоначальный химический состав и физические свойства.
Водный бассейн загрязняется атмосферными осадками, вымывающими из воздуха вредные техногенные выбросы, а также ливневыми стоками с городской территории. Интенсивное загрязнение водных объектов – поверхностных и грунтовых вод – дает современное сельское хозяйство с его массовым содержанием скота, интенсивным внесением в почву удобрений и использованием химических средств защиты растений от вредителей.
Значительное количество загрязнений поступает в водоемы от промышленных предприятий, а также от предприятий коммунального городского хозяйства. Например, сброс промышленных сточных вод в поверхностные водоемы Московского бассейна составляет значительную часть водопользования на территории Москвы и существенно отражается на состоянии водных экосистем и ресурсов Московского бассейна. По данным Департамента природопользования и охраны окружающей среды Правительства Москвы, доля сточных вод составляет почти 90% от всего объема воды, поступающей в реки Московского бассейна. По этой причине очистка сточных вод промышленных предприятий, расположенных в городе, до установленных санитарных норм – приоритетное направление обеспечения нормальной экологической ситуации в этом мегаполисе.
Для обезвреживания загрязненных вод, главным образом их разбавления после очистки, ежегодно в мире затрачивается около 9000 км3 чистой воды, что составляет 20% устойчивого стока всех рек земного шара, принимаемого за запасы чистой пресной воды на Земле.
В России в настоящее время в поверхностные водоемы ежегодно сбрасывается более 70 км3 сточных вод, 30% из которых – неочищенные или недостаточно очищенные. При полной очистке современными методами сточные воды в лучшем случае бывают очищены лишь на 90%, и они вносят в водоемы не меньше загрязнений, чем все неочищенные сточные воды 50 лет назад.
Необходимость очистки сточных вод (стоков) возникла в связи с непрерывным увеличением водопотребления и, соответственно, с образованием значительного количества сточных вод. К сожалению, несмотря на высокую эффективность работы очистных сооружений, многие стоки «нормативно очищенных вод» несут большое количество остаточных загрязнений, превышающих природную самоочищаемость водоемов.
Экологические исследования указали на тесную связь между выживаемостью отдельных представителей водной биоты – флоры и фауны – и степенью загрязнения воды. Изменение состава водной флоры отмечено даже при кратковременном увеличении загрязненности воды. К сожалению, такие тонкие биоиндикаторы не дают количественной оценки загрязненности воды, но могут служить сигналом о наличии неблагоприятных экологических условий. Количественная оценка загрязненности воды возможна лишь в том случае, если степень загрязнения достаточно велика и возможно нарушение нормального состояния водной экосистемы. Такой количественный анализ необходимо делать перед тем, как вода будет сброшена в почву и поверхностные водоемы.
Давайте теперь возьмем карту нашего города и найдем там нашу школу и близлежащие источники загрязнения воды.
Завод, находящийся к западу наверняка загрязняет воду, которую мы пьем.
Кажется, около него есть хвостохранилище. А почему бы нам не сделать в лаборатории анализ этой воды?
Занятие №2. Исследование качества воды
Органические показатели воды 1. Содержание взвешенных частиц
Этот показатель качества воды определяют фильтрованием определенного объема воды через бумажный фильтр и последующим высушиванием осадка на фильтре в сушильном шкафу до постоянной массы.
Для анализа берут 500–1000 мл. воды. Фильтр перед работой взвешивают. После фильтрования осадок с фильтром высушивают до постоянной массы при 1050С, охлаждают в эксикаторе и взвешивают. Весы должны обладать высокой чувствительностью, лучше использовать аналитические весы.
Содержание взвешенных веществ в мг/л в испытуемой воде определяют по формуле
(m1 – m2) × 1000/V,
где m1 — масса бумажного фильтра с осадком взвешенных частиц, г; m2 — масса бумажного фильтра до опыта, г; V – объем воды для анализа, л.
ПДК = 10 мг/л.
2. Цвет (окраска)
При загрязнении водоема стоками промышленных предприятий вода может иметь окраску, не свойственную цветности природных вод. Для источников хозяйственно-питьевого водоснабжения окраска не должна обнаруживаться в столбике высотой 20 см, для водоемов культурно-бытового назначения – 10 см.
Диагностика цвета – один из показателей состояния водоема. Для определения цветности воды нужны стеклянный сосуд и лист белой бумаги. В сосуд набирают воду и на белом фоне бумаги определяют цвет воды (голубой, зеленый, серый, желтый, коричневый) – показатель определенного вида загрязнения.
3. Прозрачность
Прозрачность воды зависит от нескольких факторов: количества взвешенных частиц ила, глины, песка, микроорганизмов, содержания химических соединений.
Для определения прозрачности воды используют прозрачный мерный цилиндр с плоским дном, в который наливают воду, подкладывают под цилиндр на расстоянии 4 см. от его дна шрифт, высота букв которого 2 мм, а толщина линий букв – 0,5 мм, и сливают воду до тех пор, пока сверху через слой воды не будет виден этот шрифт. Измеряют высоту столба оставшейся воды линейкой и выражают степень прозрачности в сантиметрах. При прозрачности воды менее 3 см. водопотребление ограничивается. Уменьшение прозрачности природных вод свидетельствует об их загрязнении.
4. Запах
Запах воды обусловлен наличием в ней пахнущих веществ, которые попадают в нее естественным путем и со сточными водами. Запах воды водоемов, обнаруживаемый непосредственно в воде или (водоемов хозяйственно-питьевого назначения) после ее хлорирования, не должен превышать 2 баллов. Определение основано на органолептическом исследовании характера и интенсивности запахов воды при 20 и 600С. Характер и интенсивность запаха определяют по предлагаемой методике (табл. 2,3).
Таблица 2. Характер и род запаха воды естественного происхождения
Характер запаха
Примерный род запаха
Ароматический
Огуречный, цветочный
Болотный
Илистый, тинистый
Гнилостный
Фекальный, сточной воды
Древесный
Мокрой щепы, древесной коры
Землистый
Прелый, свежевспаханной земли, глинистый
Плесневый
Затхлый, застойный
Рыбный
Рыбы, рыбьего жира
Сероводородный
Тухлых яиц
Травянистый
Скошенной травы, сена
Неопределенный
Не подходящий под предыдущие определения
Таблица 3. Интенсивность запаха воды
Балл
Интенсивность запаха
Качественная характеристика
0
—
Отсутствие ощутимого запаха
1
Очень слабая
Запах, не поддающийся обнаружению потребителем, но обнаруживаемый в лаборатории опытным исследователем
2
Слабая
Запах, не привлекающий внимания потребителя, но обнаруживаемый, если на него обратить внимание
3
Заметная
Запах, легко обнаруживаемый и дающий повод относиться к воде с неодобрением.
4
Отчетливая
Запах, обращающий на себя внимание и делающий воду непригодной для питья
5
Очень сильная
Запах настолько сильный, что вода становится непригодной для питья
Запахи искусственного происхождения (от промышленных выбросов, для питьевой воды – от обработки воды реагентами на водопроводных сооружениях и т.п.) называются по соответствующим веществам: хлорфенольный, камфорный, бензиновый, хлорный и т.п.
Интенсивность запаха также оценивается при 20 и 600С по 5-балльной системе согласно таблице.
Запах воды следует определять в помещении, в котором воздух не имеет постороннего запаха. Желательно, чтобы характер и интенсивность запаха отмечали несколько исследователей.
Занятие №3. Определение качества воды методами химического анализа
Водородный показатель (рН)
Питьевая вода должна иметь нейтральную реакцию (рН около 7). Значение рН воды водоемов хозяйственного, питьевого, культурно-бытового назначения регламентируется в пределах 6,5 – 8,5.
Оценивать значение рН можно разными способами.
1.Приближенное значение рН определяют следующим образом. В пробирку наливают 5 мл исследуемой воды, 0,1 мл универсального индикатора, перемешивают и по окраске раствора определяют рН:
· розово-оранжевая – рН около 5;
· светло-желтая – 6;
· зеленовато-голубая – 8;
2.Можно определить рН с помощью универсальной индикаторной бумаги, сравнивая ее окраску со шкалой.
3.Наиболее точно значение рН можно определить на рН-метре или по шкале набора Алямовского.
Жесткость воды
Различают общую, временную и постоянную жесткость воды, Общая жесткость обусловлена главным образом присутствием растворимых соединений кальция и магния в воде. Временнная жесткость иначе называется устранимой или карбонатной. Она обусловлена наличием гидрокарбонатов кальция и магния. Постоянная (некабонатная) жесткость вызвана присутствием других растворимых солей кальция и магния.
Общая жесткость варьируется в широких пределах в зависимости от типа пород и почв, слагающих бассейн водосбора, а также от сезона года. Значение общей жесткости в источниках централизованного водоснабжения допускается до 7 ммоль × экв./л, в отдельных случаях по согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы – до 10 ммоль × экв./л.
При жесткости до 4 ммоль × экв./л – средней жесткости, 8–12 ммоль × экв./л – жесткой, более 12 ммоль × экв./л. – очень жесткой.
Методами химического анализа обычно определяют жесткость общую (Ж0) и карбонатную (Жк), а некарбонатную (Жн) рассчитывают как разность Ж0 — Жк.
Определение карбонатной жесткости воды
Расчет концентраций карбонат- и гидрокарбонат-ионов
В склянку наливают 10 мл анализируемой воды, добавляют 5–6 капель фенолфталеина. Если при этом окраска не появляется, то считается, что карбонат-ионы в пробе отсутствуют. В случае возникновения розовой окраски пробу титруют 0,05 н. Раствором соляной кислоты до обесцвечивания. Концентрацию карбонат-ионов рассчитывают по формуле
C= V(HCl) ×0,05 ×60 ×1000= V (HCl) × 300
10
где ск – концентрация карбонат-иона, мг/л; V (HCl) – объем соляной кислоты, израсходованной на титрование, мл.
Затем в той же пробе определяют концентрацию гидрокарбонат-ионов. К пробе добавить 1–2 капли метилового оранжевого. При этом проба приобретает желтую окраску. Титруют пробу раствором 0,05 н. Соляной кислоты до перехода желтой окраски в розовую. Концентрацию гидрокарбонат-ионов рассчитывают по формуле:
Cгк = V(HCl) ×0,05 ×61 ×1000= V (HCl) × 305
где с гк – концентрация гидрокарбонат-иона, мг/л; V (HCl) – объем соляной кислоты, израсходованной на титрование, мл.
Карбонатную жесткость Жк рассчитывают, суммируя значения концентраций карбонат- и гидрокарбонат-ионов по формуле
Жк = Ск × 0,0333 + Сгк × 0,0164,
где 0,0333 и 0,0164 – коэффициенты, равные значениям, обратным эквивалентным массам этих анионов.
Определение нитратов и нитритов
Предельно допустимая концентрация (ПДК) нитритов в питьевой воде водоемов составляет 3,3 мг/л, нитратов – 45 мг/л.
На часовое или предметное стекло помещают три капли раствора дифениламина, приготовленного на концентрированной серной кислоте, и одну-две капли исследуемой воды. В присутствии нитрат- и нитрит- ионов появляется синее окрашивание, интенсивность которого зависит от их концентрации.
Таблица 4. Ориентировочное суммарное содержание аммиака и ионов аммиака в воде
Окрашивание при рассмотрении
Аммиак и ионы аммиака
сбоку
сверху
мг азота/л
мг ___/л
Нет
Нет
0,04
0,05
Нет
Чрезвычайно слабо-желтоватое
0,08
0,1
Чрезвычайно слабо-желтоватое
Слабо-желтоватое
0,2
0,3
Очень слабо-желтоватое
Желтоватое
0,4
0,5
Слабо-желтоватое
Светло-желтое
0,8
1,0
Желтое
Буровато-желтое
2,0
2,5
Мутноватое, резко-желтое
Бурое, раствор мутный
4,0
5,0
Интенсивно-бурое, раствор мутный
Бурое, раствор мутный
Более 10,0
Более 10,0
Определение хлоридов и сульфатов
Концентрация хлоридов в водоемах – источниках водоснабжения допускается до 350 мг/л.
В водах рек северной части России хлоридов содержится обычно немного, не более 10 мг/л, в южных районах – до десятков и сотен мг/л. Много хлоридов попадает в водоемы со сбросами хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод. Этот показатель весьма важен при оценке санитарного состояния водоема.
Качественное определение хлоридов с приближенной количественной оценкой проводят следующим образом. В пробирку отбирают 5 мл. исследуемой воды и добавляют 3 капли 10%-ного раствора нитрата серебра. Приблизительное содержание хлоридов определяют по осадку или помутнению (табл. 5).
Таблица 5. Определение содержания хлоридов
Осадок или помутнение
Концентрация хлоридов, мг/л
Опалесценция или слабая муть
1–10
Сильная муть
10–50
Образуются хлопья, но осаждаются не сразу
50–100
Белый объемистый осадок
Более 100
Качественное определение хлоридов проводят титрованием пробы анализируемой воды нитратом серебра в присутствии хромата калия как индикатора. Нитрат серебра дает с хлорид-ионами белый осадок, а с хроматом калия – кирпично-красный осадок хромата серебра. Из образовавшихся осадков меньшей растворимостью обладает хлорид серебра. Поэтому лишь после того, как хлорид-ионы будут связаны, начинается образование красного хромата серебра. Появление слабо-оранжевой окраски свидетельствует о конце реакции. Титрование можно проводить в нейтральной или слабощелочной среде. Кислую анализируемую воду нейтрализуют гидрокарбонатом натрия.
В коническую колбу помещают 100 мл воды, прибавляют 1 мл 5%-ного раствора хромата калия и титруют 0,05 н. Раствором нитрата серебра при постоянном взбалтывании до появления слабо-красного окрашивания.
продолжение
--PAGE_BREAK--