Міністерствоосвіти і науки України
Чернігівський державнийпедагогічний університет імені Т.Г. Шевченка
Кафедра екології татехногенної безпеки
КУРСОВА РОБОТА
Формування якості та захиступоверхневих вод
Виконала: студентка 45 групи
Картава М.В.
Науковий керівник: ас. кафедри екології та техногенноїбезпеки
Яковенко О.І.
Чернігів – 2007
ЗМІСТ
Вступ
РОЗДІЛ 1.Характеристика поверхневих вод, їх забруднення
1.1 Характеристика поверхневих вод
1.2 Овновні забруднювачі поверхневих вод
РОЗДІЛ 2.Процеси формування якості поверхневих вод
2.1 Гідравлічні процеси формування якості води
2.2 Самоочищення водних об'єктів
РОЗДІЛ 3.Методи захисту поверхневих вод
3.1 Зменшення зовнішнього впливуна поверхневі водні об'єкти
3.2 Інтенсифікація внутріводоймових процесів
ВИСНОВКИ
ЛІТЕРАТУРА
ДОДАТКИ
Вступ
Якість води єнаслідком двох основних процесів — надходження речовин із зовнішніх стосовно даноговодному об'єкт джерел і внутріводоймних змін, що відбуваються з речовинамунаслідок функціонування водних екосистем. Оскільки екосистема — це єдинийприродний комплекс, утворений живими організмами і середовищем їх існування,його компоненти зв'язані обміном речовини й енергії. Таким чином, у водній екосистеміодночасно функціонують біотичне співтовариство і нежива природа, причому неживаприрода є джерелом речовин і енергії, необхідних для існування біоти.Потрапляючи у водний об'єкт, речовини стають элементами водних екосистем і включаютьсяв основні процеси, які відбуваються в них.
Здатність поверхневих водних, щосамоочищення, об'єктів, підданих антропогенному навантаженню, як правило,недостатня для протистояння високому рівню зовнішнього негативного впливу. Урезультаті водні екосистеми піддаються перебудові, наслідком якої відбуваєтьсязбідніння видового складу, біологічної цінності гідробіонтів, погіршенняякісних характеристик води. З цієї причини для промислово розвинених країн ізграничною гостротою виникає проблема захисту водних об'єктів і відновленнядеградировавших водних экосистем. Вирішення цієї задачі можливо тільки шляхомспільного впливу на алохтонне надходження речовин у водні об'єкти івнутрішньо-водні процеси.
Предметдослідження – процеси, які протікають при формуванні якості води.
Об`єктдослідження – поверхневі води.
Мета роботи полягає в тому, щобпроаналізувати протікання процесів щодо формування якості поверхневих вод.
Задання роботи:
1) датихарактеристику поверхневих вод;
2) охарактеризуватиосновні процеси формування якості поверхневих вод;
3) розглянутиможливість використання різних методів захисту та відновлення поверхневих вод.
РОЗДІЛ1. Характеристика поверхневих вод, їх забруднення1.1 Характеристика поверхневих вод
Складовою частиною гідросфери є водисуходолу, які поділяються на поверхневі і підземні.
Поверхневі води — води суходолу, щопостійно або тимчасово знаходяться на земній поверхні в рідкому або твердомустані у формі водних об'єктів (водних потоків, водойм), а також скупчень льодуі снігу (льодовиків, снігового покриву).
Ріка — природний водний потік, що тече урозробленому ним заглибленні — річищі. Річище ріки, що постійно заповненеводою, е частиною річкової долини — заглиблення, яке потік води створювавтисячі, мільйони років, розмиваючи гірські породи. Головна ріка з усімапритоками утворює річкову системі/. Територія, з якої ріка та її притокизбирають воду, називається басейном ріки, межа між басейнами сусідніх рік —вододілом. Виділяють такі види живлення рік: дощове, снігове, підземне,льодовикове. Зміни рівня води в річці визначають її режим. Режим, рікинасамперед залежить від клімату [16].
Найдовша ріка в світі — Ніл (6671 км),найповноводніша — Амазонка (середня витрата води в гирлі становить 200 тис. м3/с).Головна ріка України — Дніпро — має довжину 2201 км і витрату води в гирліблизько 2 тис. м3/с.
Ріки є джерелом прісної води дляпромисловості, сільського господарства, водопостачання населених пунктів,використовуються також для одержання електроенергії (на них працюють тисячіГЕС), як транспортні шляхи, місця рибальства, відпочинку, туризму, спортивнихзмагань.
Озеро — водойма, що утворилася взамкненому природному заглибленні на поверхні суходолу. Озерні улоговини можутьмати різне походження. Виділяють тектонічні озера (Каспійське море, Байкал таін.), льодовикові (озера Фінляндії, Канади), загатні (Синевир у Карпатах),кратерні (Кроноцьке на Камчатці), карстові (Світязь), лиманні (Ялпуг) та ін.Озера поділяються за водним режимом на стічні — з прісною водою та безстічні —з солоною.
Озера використовуються як шляхисполучення, джерела водопостачання, місця відпочинку та рибальства. З солонихозер добувають сіль (кухонну, глауберову), магній та іншу мінеральну сировину.Видобувають також лікувальну грязь [6].
Болота — надмірно зволожені ділянкисуходолу Із шаром торфу не менше 0,3 м. Низинні болота виникають у місцяхблизького залягання або виходу на поверхню підземних вод. Таких боліт багато вПоліссі, на заплавах рік, по берегах озер. Верхові болота характерні для тайги,тундри,— вони лежать на вододілах, не пов'язані з підземними водами і живлятьсятільки атмосферними опадами.
Болота регулюють стік рік, зволожуютьатмосферне повітря, є місцями мешкання багатьох видів тварин і рослин. Наболотах розробляють торф, що використовується як добриво, паливо і хімічнасировина.
Льодовики — природні скупчення льоду наземній поверхні. Займають площу 16,2 млн. км2 — територіюАнтарктиди, Гренландії, багатьох арктичних островів, а також високогірнихрайонів, що лежать вище снігової лінії. Гірським льодовикам належить важливароль у живленні рік посушливих районів світу. Льодовики — один із головнихресурсів прісної води.
Поверхневі водичинним законодавством поділені на 5 категорій водокористування, починаючи відводи, придатної для рибогосподарських та господарсько-побутовик потреб, і доводи, яка може використовуватись для технічних потреб. ГОСТ на питну воду,прийнятий у Радянському Союзі, визначав її органоліптичні, мікробіологічні таінші показники. На той час це був грунтовний, єдиний нормативно-розпорядчийдокумент. Йшов час, поверхневі води забруднювались новими й старими хімічнимиелементами та сполуками, потужності з підготовки води зношувались морально йфізично, стали відомі негативні наслідки хлорування води, а між річковимибасейнами колись єдиної держави постали кордони./>1.2Овновні забруднювачі поверхневих вод
Господарсько-побутові, промислові сільськогосподарські скиди зумовлюютьхімічне, фізичне, біологічне і теплове забруднення гідросфери.
Хімічне забруднення води відбувається внаслідок надходження уводойми зі стічними водами шкідливих домішок неорганічного та органічногопоходження: сполук миш'яку, свинцю, ртуті, міді, кадмію, хрому, фтору тощо.Вони поглинаються фітопланктоном і передаються далі харчовим ланцюжком більшвисокоорга-нізованим організмам, що супроводжується кумулятивним (лат. cumulo —нагромаджую) ефектом, який полягає в прогресуючому збільшенні вмісту шкідливихсполук у кожній наступній ланці харчового ланцюжка. Більшість цих домішок єтоксичними для мешканців водойм [16].
Згубно впливають на стан водойм стічні води, що містятьрозчинені органічні речовини або суспензії органічного походження, оскільки сприяютьзниженню вмісту кисню у воді.
Вода стічна — вода, що утворюється у процесігосподарсько-побутової і виробничої діяльності (крім дренажної і скидної вод),а також при відведенні із забудованої території стоку атмосферних опадів.
Особливої шкоди завдають нафта та нафтопродукти, якіутворюють на поверхні води плівку, що перешкоджає газообміну між водою іатмосферою та зменшує вміст кисню у воді. Осідаючи на дно водойм, органічнісуспензії замулюють його і затримують або повністю припиняють життєдіяльністьдонних мікроорганізмів, які беруть участь у самоочищенні води. Основнимипостачальниками органічних речовин у стічні води є підприємствацелюлозно-паперової промисловості, нафтопереробні заводи, великі тваринницькікомплекси тощо [6].
Велику кількість органічних сполук, яких раніше не було вприроді, містять стоки хімічних підприємств. Більшість з цих речовин біологічноактивні, дуже стійкі до біодеградації й важко видаляються зі стоків. Останнімчасом особливо згубно діють синтетичні миючі засоби — детергенти у які частомістять фосфор. Зростання кількості фосфатів у річках, озерах і морях спричинюєінтенсивний розвиток синьо-зелених водоростей, «цвітіння» водойм, щосупроводжується різким зниженням вмісту у воді кисню, загибеллю риб та іншихводних тварин. Детергенти ускладнюють роботу каналізаційних споруд,уповільнюють процеси коагуляції під час очищення стічних вод.
Кількість хімічних забруднювачів постійно зростає. Прошкідливу дію деяких з них ще мало відомо, оскільки вони мають пролонгованийвплив, тобто шкідливі мутації, генетичні розлади тощо, виявляються в наступнихпоколіннях живих істот.
Фізичне забруднення води зумовлює зміни фізичних властивостей— прозорості, вмісту суспензій та інших нерозчинних домішок, радіоактивності ітемператури тощо. Суспензії (пісок, намул, глинисті частки) потрапляють уводойми здебільшого внаслідок поверхневого змиву дощовими водами ізсільськогосподарських полів, особливо тоді, коли розорюються водозахисні смугивздовж річок і орні ділянки наближаються до самої межі води. Багато суспензій здіючих підприємств гірничодобувної промисловості заносять у водойми сильнівітри (пил).
Тверді частки знижують прозорість води, пригнічуючи процесифотосинтезу водяних рослин, забиваючи зябра риб, органи дихання водних тварин, погіршуютьсмакові якості води. Особливу небезпеку для всього живого становлятьрадіоактивні відходи, які потрапляють у водойми внаслідок викидів з АЕС, зчастками золи від працюючих ТЕС тощо. Саме вони найбільше загрожують природнимводам і живим організмам. Тому при оцінюваннівпливу господарської діяльності наводні ресурси необхідно враховувати не тільки їх кількісні, а й якісні зміни.
Теплове забруднення водойм є окремим видом забрудненнягідросфери, яке спричинене спусканням у водойми теплих вод з різнихенергетичних установок. Тепло, що надходить з такими водами в ріки й озера,істотно змінює їх термічний і біологічний режими. Основними тепловимизабруднювачами є АЕС. Як свідчать спостереження, у ріках, розташованих нижчедіючих ТЕС та АЕС, порушуються умови нересту риб, гине зоопланктон, рибиуражуються хворобами і паразитами [5].
Біологічне забруднення водного середовища полягає у надходженні зістічними водами до водойм різних видів мікроорганізмів, рослин і тварин(віруси, бактерії, грибки, черви), невластивих водній екосистемі, яказабруднюється. Більшість з них хвороботворні для людей, рослин і тварин.Найшкідливішими є комунально-побутові стоки, особливо коли вони надходять уводойми без очищення. Проте навіть за наявності очисних споруд певна кількістьбактерій, вірусів тощо не затримується фільтрами і потрапляє у водойми.Промисловими біологічними забруднювачами є підприємства шкірообробноїпромисловості, м'ясокомбінати, цукрові заводи.
В Україні з 1998 р. спостерігається тенденція до зниження об'ємівзабору та використання води, основна причина якої полягає у спаді виробничоїдіяльності. Вплинуло на їх зменшення також запровадження в країні плати заспеціальне використання прісних водних ресурсів. Найбільше води забирають збасейну Дніпра. Зменшуються об'єми використання води і в системах оборотного таповторно-послідовного водопостачання. Основними споживачами води залишаютьсяпромисловість, сільське та житлово-комунальне господарства. Починаючи з 1995p., щорічно зменшується скид забруднюючих речовин у поверхневі водні об'єктиУкраїни, що дещо поліпшило їх якість.
РОЗДІЛ 2. Процеси формування якості поверхневих вод2.1 Гідравлічні процеси формуванняякості води
Вода є тим фізичним середовищем, у якій водна екосистемаздійснює кругообіг речовин й енергії. Крім того, для консервативних речовингідравлічні процеси є єдиними з внутрішньо-водоймних, що впливають на їх концентрацію.
При розрахунку переносу речовин і тепла потоками природнихвод звичайно виходять із уявлення про пасивність домішки, тобто припускають, щонаявність домішки не створює впливу на рух води й інтенсивність перемішування.Характер переносу речовини потоком залежить від виду руху рідини, що у своючергу визначається типом водного об'єкта і його гідравлічних характеристик. Уводотоках істотну роль у формуванні якості води відіграє конвективний перенос.Для водойм цей процес характерний тільки при наявності яскраво вираженихстокових плинів (водоймища, проточні озера). У цьому випадку хід внутрішньо-водоймнихпроцесів багато в чому визначається ступенем проточності водойми. Кількісноюхарактеристикою ступеня проточності є час водообміну, тобто період, за якийвідбувається повна заміна води водойми водами припливів. Часто в інженернійпрактиці використовується поняття умовного часу водообміну.
Умовний час водообміну визначає період водообміну привідсутності змішання вод припливів з водою водойми. У реальних умовах упроточних водоймах відбувається не тільки витиснення води, але і часткове (абоповне) перемішування вод припливів з водою водойм, тому реальний час водообмінубільше, ніж умовний [18].
Реальні водотоки є безнапірними турбулентними потоками, рухводи в яких в сталих умовах має нерівномірний характер. Це пояснюється непризматичнимхарактером русел реальних водотоків. Однак розрахункові залежності длянерівномірних потоків досить складні і незручні в практичному використанні.Тому в інженерно-екологічних розрахунках приймають, що на окремих ділянкахводотоків рух води має рівномірний характер. При цьому ділянка природногонеправильного русла заміняють яким-небудь призматичним, а ухил дна приймаютьрівним нахилу вільної поверхні або середньому нахилу дна реального русла. Уцьому випадку для переносу речовини потоком можуть бути використані доситьпрості методи на основі рівняння нерозривності і формули Шези.
Більш складною задачею є облік ефекту турбулентності.Відмітною рисою турбулентного режиму плинів є пульсація швидкостей, тобтобезперервна їх зміна в кожній точці потоку по величині і напрямку. Основнимиджерелами виникнення турбулентності є зони розриву швидкостей, тобто такіобласті, де спостерігається різкий стрибок швидкостей між прилягаючими шарамирідини. Пульсаційний рух обумовлює обмін між сусідніми шарами рідини. Цейпроцес одержав назву турбулентного перемішування. Турбулентне перемішуваннязавжди спрямоване на вирівнювання концентрацій або температур. Оскільки цейпроцес по своєму результату аналогічний процесу молекулярної дифузії, тотурбулентне перемішування називають також турбулентною дифузією. Відмолекулярної дифузії цей процес відрізняється природою (джерело молекулярноїдифузії — тепловий рух молекул, а турбулентної — пульсації швидкостей) імасштабом (масштаб молекулярної дифузії порядку 10-8м, а турбулентної- порядку сантиметрів) [18].
Турбулентна дифузія приводить до перемішування забруднених струменіврідини із суміжними, більш чистими. Результатом цього процесу є розведеннястічних вод основним потоком. Розведення діє однаково як на консервативні, такі на неконсервативні речовини. Інтенсивність і характер перемішування стічнихвод з водою водних об'єктів залежить від гідравлічних характеристик водногооб'єкта, кількості і способу надходження стічних вод. Спосіб надходженнястічних вод визначається типом випуску.
Найменш ефективними з погляду розведення є берегові випуски. Більшефективні руслові випуски. Вони являють собою трубопроводи, виведенібезпосередньо в русло в місцях найбільш інтенсивного плину. Трубопровідзакінчується одним або декількома оголовками. Найбільш ефективним типомруслового випуску є розсіюючий випуск. Він являє собою трубу-розподільник, щомає кілька оголовків, розташованих уздовж труби.
Для кількісної оцінки процесу розведення використовують різні методи. Дочисла найбільш уживаних відносяться метод Фролова-Родзиллера — для водотоків,метод Руффеля — для водойм і метод Караушева, що має універсальний характер[18].
Метод Фролова-Родзиллера дає можливість визначити концентрацію речовини вмаксимально забрудненому струмені на заданій відстані від випуску стічних водпо формулі:
/>
де Сmах — концентрація речовини в максимально забрудненомуструмені, г/м3; Сф — концентрація речовини у воді вище випускустічних вод (фонова концентрація), г/м3; Сст- концентрація речовинив стічній воді, г/м3; n — кратність розведення стічних вод назаданій відстані від випуску.
Кратність основного розведення визначається по методуФролова, кратність початкового розведення — по методу Лапшова. Метод Руффелявикористовується для оцінки розведення стічних вод, що скидаються череззаглиблені зосереджені випуски у водойми з переважним вітровим плином. МетодКараушева базується на рівнянні турбулентної дифузії. Він дозволяє одержатипросторову картину розподілу концентрації для будь-яких типів водних об'єктів.
2.2 Самоочищення водних об'єктів
Між компонентами водної екосистеми в процесі їїфункціонування безупинно відбувається обмін речовиною й енергією. Цей обмін носитьциклічний характер різного ступеня замкнутості, супроводжуючись трансформацієюречовини під впливом фізичних, хімічних і біологічних факторів. У ходітрансформації може відбуватися поступове розкладання складних речовин допростих, а прості речовини можуть синтезуватися в складні. У залежності відінтенсивності зовнішнього впливу на водну экосистему і характеру протіканняпроцесів відбувається або відновлення водної екосистеми до фонових станів(самоочищення), або водна екосистема переходить до іншого стійкого стану, щобуде характеризуватися вже іншими кількісними і якісними показниками біотичнихі абіотичних компонентів. У випадку, якщо зовнішній вплив перевищитьсаморегулюючі можливості водної екосистеми, може відбутися її руйнування.Самоочищення водних екосистем є наслідком здатності до саморегулювання.Надходження речовин із зовнішніх джерел є вплив, якому водна екосистема здатнапротистояти у визначених межах за допомогою внутрісистемних механізмів. Векологічному змісті самоочищення є наслідком процесів включення речовин, щонадійшли у водний об'єкт, у біохімічні кругообіги за участю біоти і факторівнеживої природи. Кругообіг будь-якого елемента складається з двох основнихфондів — резервного, утвореного великою масою повільно змінюваних компонентів,і обмінного (циркуляційного), що характеризується швидким обміном міжорганізмами і середовищем їх існування. Усі біохімічні кругообіги можнарозділити на два основних типи — з резервним фондом в атмосфері (наприклад,азот) і з резервним фондом у земній корі (наприклад, фосфор) [18].
Самоочищення природних вод здійснюється завдяки залученнюречовин, що надходять із зовнішніх джерел, у безупинні процеси трансформації, урезультаті яких речовини, що надійшли, повертаються у свій резервний фонд.
Трансформація речовин є результат різних одночасно діючихпроцесів, серед яких можна виділити фізичні, хімічні і біологічні механізми.Величина внеску кожного з механізмів залежить від властивостей домішки йособливостей конкретної екосистеми.
Фізичні механізми самоочищення. Газообмін на межі розділу „атмосфера-вода”.Завдяки цьому процесу здійснюється надходження у водний об'єкт речовин, щомають резервний фонд в атмосфері, і повернення цих речовин з водного об'єкта врезервний фонд. Одним з важливих окремих випадків газообміну є процесатмосферної реаерації, завдяки якому відбувається надходження у водний об'єктзначної частини кисню. Інтенсивність і напрямок газообміну визначаютьсявідхиленням концентрації газу у воді від концентрації насичення. Величинаконцентрації насичення залежить від природи речовини і фізичних умов у водномуоб'єкті — температури і тиску. При високих концентраціях, газ піднімається ватмосферу, а при низьких концентраціях, газ поглинається водною масою.
Сорбція — поглинання домішок зваженими речовинами, доннимивідкладеннями і поверхнями тіл гідробіонтів. Найбільше енергійно сорбуютьсяколоїдні частки й органічні речовини, що знаходяться в недисоційованомумолекулярному стані. В основі процесу лежить явище адсорбції. Швидкістьнагромадження речовини в одиниці маси сорбенту пропорційна його ненасиченостіпо даній речовині і концентрації речовини у воді і обернено пропорційна вмістуречовини в сорбенті. Прикладами нормованих речовин, підданих сорбції, є важкіметали і СПАВ.
Осадження і збовтування. Водні об'єкти завжди містять деякакількість зважених речовин неорганічного й органічного походження. Осадженняхарактеризується здатністю зважених часток випадати на дно під дією силитяжіння. Процес переходу часток з донних відкладень у зважений стан називаєтьсязбовтуванням. Він відбувається під дією вертикальної складової швидкостітурбулентного потоку.
Хімічні механізми самоочищення. Фотоліз — перетвореннямолекул речовини під дією світла, яке поглинається ними. Окремими випадкамифотолізу є фотохімічна дисоціація — розпад часток на більш прості іфотоіонізація — перетворення молекул в іони. З загальної кількості сонячноїрадіації порядку 1 % використовується у фотосинтезі, від 5% до 30% відбиваєтьсяводною поверхнею. Основна ж частина сонячної енергії перетворюється в тепло ібере участь у фотохімічних реакціях. Найбільш діючою частиною сонячного світлає ультрафіолетове випромінювання. Ультрафіолетове випромінювання поглинається вшарі воді товщиною порядку 10 см, однак завдяки турбулентному перемішуваннюможе проникати й у більш глибокі шари водних об'єктів. Кількість речовини, якіпіддаються дії фотолізу, залежить від виду речовини і його концентрації у воді.З речовин, що надходять у водні об'єкти, відносно швидкому фотохімічномурозкладанню піддаються гумусні речовини [18].
Гідроліз — реакція іонного обміну між різними речовинами іводою. Гідроліз є одним з ведучих факторів хімічного перетворення речовин уводних об'єктах. Кількісною характеристикою цього процесу є ступінь гідролізу,під якою розуміють відношення гідролізованої частини молекул до загальноїконцентрації солі. Для більшості солей вона складає кілька відсотків іпідвищується зі збільшенням розведення і температури води. Гідролізу піддаютьсяй органічні речовини. При цьому гідролітичне розщеплення найчастішевідбувається по зв'язку атома вуглецю з іншими атомами.
Біохімічне самоочищення є наслідком трансформації речовин,здійснюваної гідробіонтами. Як правило, біохімічні механізми вносять основнийвклад у процес самоочищення і тільки при пригніченні водних організмів(наприклад, під дією токсикантів) більш істотну роль починають відіграватифізико-хімічні процеси. Біохімічна трансформація речовин відбувається врезультаті їх включення в трофічні мережі і здійснюється в ході процесів продукціїі деструкції.
Особливо важливу роль відіграє первинна продукція, тому щовона визначає більшість внутрішньо-водоймових процесів. Основним механізмомновотворення органічної речовини є фотосинтез. У більшості водних екосистемключових первинних продуцентів є фітопланктон. У процесі фотосинтезу енергіяСонця безпосередньо трансформується в біомасу. Побічним продуктом цієї реакціїє вільний кисень, утворений за рахунок фотолізу води. Поряд з фотосинтезом урослинах йдуть процеси дихання з витратою кисню.
Автотрофна продукція і гетеротрофна деструкція — двінайважливіші сторони перетворення речовини й енергії у водних екосистемах.Характер і інтенсивність продукційно-деструкційних процесів і, отже, механізмбіохімічного самоочищення визначаються структурою конкретної екосистеми. Томувони можуть істотно розрізнятися в різних водних об'єктах.
У водотоках у силу інтенсивного перемішування і невеликихглибин вертикальна зональність не виражена. По живому перетині потокурозрізняють рипаль — прибережну зону і медіаль — відкриту зону, що відповідаєстержню річки. Для рипалі характерні невисокі швидкості течії, зарослі макрофітів,високі значення кількісного розвитку гідробіонтів. У медіалі швидкості рухуводи вищі, кількісний розвиток гідробіонтів нижчий. За подовжнім профемрозрізняють зони плесів і зони перекатів. У зоні плесів, що характеризуютьсяуповільненими течіями, кількісно багатше видове різноманіття, але якіснобідніше. Для перекатів характерна зворотна картина. Комплекси екологічних умовпозначаються на процесах самоочищення у водотоках. Для уповільнених течійхарактерні сприятливі умови для фотосинтезу, інтенсивні процеси трансформаціїречовин, процеси осадження. Для зон з підвищеними швидкостями характерніінтенсивні процеси перемішування, газообміну і деструкції речовин.
У водоймах екологічна зональність виявляється чіткіше, ніж уводотоках. У водоймах по горизонтальному профілю виділяють літораль — зонуприбережних мілководь і пелагіаль (лімнічна зона) — зону відкритої води. Углибоких водоймах у водній масі пелагіалі по вертикалі виділяють три зони — епілімніон,металімніон і гіполімніон. Металимніон, або термоклин, є зоною, що розділяє епілимніоні гіполимніон. Він характеризується різким зниженням температури води (1 градусна 1 м глибини). Вище металимніону розташований епілимніон. Для епілимніонухарактерна перевага продукційних процесів. Зі збільшенням глибини, у мірузниження фотосинтетично активної радіації (ФАР) відбувається зменшенняінтенсивності фотосинтезу. Глибина, при якій продукція стає рівна деструкції,називається компенсаційним обрієм. Вище його розташовується трофогенна зона, депереважають продукційні процеси, а нижче — трофолітична, де переважають процесидихання і розкладання. Трофогенна зона знаходиться в епілимніоні, а трофолітична,як правило, охоплює металімніон і гіполімніон [18].
У придонній зоні водойм, крім літоралі, виділяють профундаль- глибоководну частину, що приблизно збігається з частиною ложа водойми,заповненого водами гіполімніону.
Евтрофування, під яким розуміють гіперпродукцію органічноїречовини у водному об'єкті під дією зовнішніх (алохтонних) і внутрішньо-водоймних(автохтонних) факторів, є однієї із серйозних екологічних проблем, з якимзіштовхуються майже всі країни. Евтрофуванню піддані практично будь-які водніоб'єкти, однак найбільше яскраво воно виявляється у водоймах. Евтрофуванняводойм є природним процесом, його розвиток оцінюється геологічним масштабомчасу. У результаті антропогенного надходження біогенних речовин у водні об'єктивідбулося різке прискорення евтрофування. Підсумком цього процесу, названогоантропогенним евтрофуванням, є зменшення тимчасового масштабу евтрофування відтисяч років до десятиліть. Особливо інтенсивно процеси евтрофування протікаютьна урбанізованих територіях, властивим міським водним об'єктам.
Трофність водного об'єкта відповідає рівню надходженняорганічної речовини або рівнюі його продукування в одиницю часу і, таким чином,є вираженням спільної дії органічної речовини, яка утворилась при фотосинтезі інадійшла ззовні. За рівнем трофності виділяють два крайніх типи водних об'єктів- оліготрофні і евтрофні.
Основним механізмом природного процесу евтрофікації є замулюванняводойм. Антропогенна евтрофікація відбувається внаслідок надходження у водунадлишкової кількості біогенних елементів, як результат господарськоїдіяльності. Високий вміст біогенів стимулює автотрофну гіперпродукціюорганічної речовини. Результатом цього процесу є цвітіння води внаслідокнадмірного розвитку аль-гофлори. Серед біогенних елементів, що надходять уводу, найбільший вплив на процеси евтрофікація створюють азот і фосфор,оскільки їх вміст і співвідношення регулює швидкість первинного продукування.Інші біогенні елементи, як правило, утримуються у воді в достатніх кількостях іне створюють впливу на процеси евтрофікації. Для озер елементом, що лімітує,найбільше часто є фосфор, а для водотоків — азот.
Віднесення водного об'єкта до визначеного рівня трофностіздійснюється за надходженням органічної речовини. Найбільше часто в сучаснійпрактиці як індикатори використовують величини надходження біогенних речовин,концентрації біогенних речовин у водному об'єкті, швидкість виснаження кисню вгіполімніоні, прозорість води, біомасу фітопланктону. Фітопланктон є основнимпервинним продуцентом у більшості водних екосистем. Тому екологічний станбільшості водойм визначається фітопланктоном і залежить від ряду фізичних,хімічних і біологічних факторів середовища існування [18].
Фізичні фактори евтрофікації. Освітленість. Проникнення світла втовщу води визначається рядом факторів (рис. 1). Падаюче світло поглинаєтьсясамою водою і розчиненими в ній забарвленими речовинами, розсіюється зваженимиречовинами, що є у воді. Глибина, на якій освітленість складає 5% відосвітленості на поверхні, називається евфотним горизонтом. Вище евфотного горизонтурозташовується евфотна зона. Зміна первинної продукції з глибиною залежить відзміни освітленості. У літні місяці можливий зсув максимуму продуктивності вглибину. Це пояснюється надлишковою освітленістю на поверхні, що приводить догноблення фітопланктону, унаслідок чого найкращі умови для його існуваннястворюються в більш глибоких шарах.
/>
Рис. 1. Залежність валової первинної продукції від освітлення
Температура впливає на фізичні і біологічні процеси евтрофікації.Вона визначає ступінь насичення води киснем, температурний профіль впливає наінтенсивність вертикальної турбулентності й у такий спосіб впливає на перенос біогенівіз придонних областей у епілімніон. Температура також впливає на величинупервинної продукції (рис. 2). Значення оптимальної температури змінюється взалежності від виду організмів, але в більшості випадків лежить у діапазоні20-25° С.
/>
Рис. 2. Залежність валової первинної продукції відтемператури
Швидкість потоку. Величина швидкості впливає нажиттєдіяльність гідробіонтів. При значеннях швидкостей, рівних так званій лімітуючійшвидкості, починається процес пригнічення гідробіонтів, а збільшення швидкостідо значень більше критичних приводить до загибелі гідробіонтів (Рис. 3.).
/>
Рис. 3. Залежність валової первинної продукції від швидкостіпотоку
Хімічні фактори евтрофікації. Розчинений кисень (РК). Низькаконцентрація РК у воді приводить до розвитку анаеробних процесів. У цьомувипадку основним джерелом продукування стають анаеробні процеси ферментації, щоприводять до виділення у воду метану і сірководню. Концентрація РК змінюєтьсяяк із глибиною, так і протягом добового циклу. У денний час у трофогенному шарівідбувається збільшення концентрації РК. Однак у темний час доби фотосинтетичнадіяльність відсутня і відбувається тільки споживання кисню. Амплітуда добовихколивань РК пропорційна біомасі первинних продуцентів. У евтрофованих водоймахце може привести до формування в темний час доби анаеробних умов [18].
Біогенні елементи. Гідробіонтам потрібно безліч біогенних речовин увизначеній пропорції. При недостачі кожного з них швидкість росту популяціїсповільнюється. У цілому, швидкість росту популяції залежить від наявності лімітуючогоелемента (рис. 4). Як правило, до числа лімітуючих елементів, у водних екосистемахвідносяться фосфор, азот і, значно рідше, вуглець. При підвищеному надходженнібіогенів швидкість первинного продукування може досягти максимальної величини,що приводить до евтрофікації.
/>
Рис. 4. Залежність швидкості росту популяції від вмістубіогену
Біологічні фактори евтрофування. Більшість організмів можутьіснувати у визначеному діапазоні фізичних і біохімічних впливів, що називаєтьсядіапазоном толерантності. У процесі адаптації біологічні види можутьрозширювати свій діапазон толерантності. Оскільки згодом умови середовища існуванняв екосистемі змінюються, перевагу одержують види, що володіють більшою здатністюпристосовуватися до нових умов. Результатом цього є сукцесія співтовариств.
З розвитком евтрофікації домінуючими стають екстремальніумови за концентрації РК, освітленості, приступності біогенних речовин. У цихумовах перевагу одержують синьо-зелені водорості (cіanobacterіa), що маютьнайбільшу здатність до адаптації завдяки:
— своїм відносно великим розмірам, через що вони не можутьспоживатися зоопланктоном;
— здатності фіксувати розчинений у воді азот, протидіючи,таким чином, умовам його лімітування;
— здатності обходитися меншим вмістом у воді двоокису вуглецюв порівнянні з іншими водоростями;
— інтенсивному розвитку при більш нижчому, ніж для іншихводоростей, співвідношенні азоту до фосфору;
— виділенню у воду продуктів, що припиняють ріст іншихводоростей;
— здатності регулювати свою плавучість, протидіючинесприятливому впливу фізичних факторів.
РОЗДІЛ 3. Методи захисту поверхневих вод3.1 Зменшення зовнішнього впливу наповерхневі водні об'єкти
Зовнішній вплив на водні об'єктивиявляється у вигляді надходження в них сторонніх домішок і тепла, що приводитьдо порушення норм якості води. З метою підтримки здатності водних об'єктів, щосамоочищення, і забезпечення різних видів водокористування обсяг зовнішніхвпливів не повинен перевищувати встановлених нормативів ПДС. Реалізація нормПДС досягається за рахунок зменшення кількості поворотних вод або зниженняконцентрації речовин у них. Основними організаційно-технічними заходами, застосовуванимиз даною метою, є:
— зміна технології виробництва;
— каналізоване і санітарне очищенняміст;
— повторне використання стічних вод;
— очищення стічних вод.
Зміна технологічних процесів убікресурсозберігаючих, маловідхідних і безвідхідних технологій є одним з найбільшеекономічно й екологічно ефективних напрямків. Однак такий шлях, як правило,характеризується високої капіталоємкістю і вимагає первісних інвестицій [18].
Каналізування населених пунктів дозволяєзапобігти забруднення водних об'єктів неорганізованим стоком. Організованийстік з каналізаційних мереж, як правило, направляється на очисні споруди. Привідсутності очисних споруд зниження негативного впливу на якість води воднихоб'єктів може бути досягнуте за рахунок використання спеціальних конструкційвипусків стічних вод, що забезпечують більш ефективне розведення стічних вод.
Санітарне очищення території дозволяєзнизити надходження речовин у дощові і снігові стічні води, знизити забрудненнягрунтових вод і тим самим зменшити надходження забруднюючих речовин у водніоб'єкти. Цей метод є досить ефективним і відносно малозатратним.
Повторне використання стічних вод можездійснюватися шляхом оборотного водопостачання в межах одного підприємства абопередачею стічних вод в інші сфери господарювання. Наприклад, використанняочищених стічних вод для технічного водопостачання або зрошення.
Оборотне водопостачання можездійснюватися як єдина система для всього підприємства або у вигляді окремихциклів для цеху або групи цехів.
Запобігання скидання підігрітих водзменшує імовірність розвитку процесів эвтрофирования водних об'єктів.
Очищення стічних вод є найбільштрадиційним способом зниження навантаження на водні об'єкти.3.2 Інтенсифікація внутріводоймовихпроцесів
Управління якістю води водних об'єктівна основі цілеспрямованого втручання в хід внутрішводоймних процесівдосягається в основному впливом на абіотичні компоненти екосистеми.
Технології захисту і відновлення дляводотоків. В основі цих технологій лежить цілеспрямованазміна гідрологічних умов або безпосередній вплив на біотичну частина водної екосистеми.Основними технічними рішеннями є зміна швидкості течії, форми поперечногопереріза русла, матеріалу кріплення берегових укосів і розробка спеціальних біоінженернихспоруд [18].
Швидкість течії є одним з головнихекологічних факторів у водотоках. Вона впливає на всі біотичні компонентиводної екосистеми — планктон, бентос, перифітон, макрофіти. Цей вплив маєпрямій і непрямий характер. Прямий виявляється в безпосередньому механічномувпливі течії на гідробіонтів. Непрямий вплив здійснюється через зміну фізичнихі хімічних умов у водотоці, наприклад, швидкості процесу атмосферної реаерації,умов перемішування, мутності потоку. Швидкість потоку є комплексним керуючимфактором. Чим більший час перебування речовини у водотоці, тим сильнішевиявляються процеси біохімічної трансформації речовин. Чим більше транспортуючаздатність потоку, тим менше його прозорість. У свою чергу прозорість водисильно впливає на продукційні процеси і тепловий режим водотоків. Швидкістьпотоку лімітує швидкість росту різних біотичних угруповань. Для кожного видуводоростей існує так звана лімітуюча швидкість течії, при досягненні якоїрозвиток водоростей сповільнюється, і критична швидкість течії, при якійводорості перестають розвиватися і можуть загинути.
Форма перетину русла має велике значеннядля трансформації органічних речовин. Змінюючи форму русла, можна змінюватишвидкість течії і співвідношення трофогенного і трофолітичного шарів, домагаючисьу такий спосіб необхідного співвідношення продукції і деструкції.
При штучному облицюванні береговихукосів, характерних для водних об'єктів, що знаходяться в межах міста, великезначення має використовуваний матеріал. Його вид багато в чому визначаєінтенсивність процесів самоочищення. Наприклад, облицювання берегів щебнем абобетоном приводить до їх посиленого обростання і, як наслідок — до автохтонноговторинного забруднення водного об'єкта за рахунок збільшення продукціїорганічної речовини.
Перспективним напрямком розвиткутехнологій захисту водотоків є розробка біоінженерних споруд типу біоплато. Длязахисту і відновлення водних об'єктів використовують природні або штучні біоплаторізних типів. Руслові біоплато являють собой мілководні розширення русла зрозвиненою вищою водною рослинністю. Очищення води тут здійснюється вищоюводною рослинністю по всьому перетину потоку. Створення руслових біоплатоможливо на ділянках водотоків глибиною не більш 1,5-2 м, зі швидкістю течії до0,2-0,3 м/с. Берегові біоплато являють собою зарості вищої водної рослинностіуздовж берегів водотоку. Очищення води в цьому випадку проводиться тількичастиною потоку. Гирлові біоплато розташовуються в місцях впадання у водотікмалих приток. Наплавні біоплато призначені для очищення верхнього шаруповерхневих вод. У цьому випадку вища водна рослинність розміщається вспеціальних плаваючих контейнерах, розташованих впоперек потоку [18].
Біоінженерні споруди типу біоплатодозволяють істотно знизити вміст забруднюючих речовин у поверхневих водах.Очищення води здійснюють всі елементи угруповання вищої водної рослинності.Зважені речовини затримуються й осаджуються в основному макрофітами. Головнуроль у деструкції органічних речовин відіграє бактеріоперифітон — бактеріальна плівка,що розвивається на підвідній частині вищої водної рослинності. Біогенніелементи асимілюються вищою водною рослинністю, накопичуються в надводній їїчастині і кореневій системі, що дозволяє надовго виключити їх з водногосередовища. Нафтопродукти окисляються бактеріоперифітоном і углеводоокислюючимибактеріями, кількість яких у заростях вищої водної рослинності істотно зростаєза рахунок виділення рослинами специфічних стимуляторів і споживання нимиінгібіторів росту цих бактерій. Пестициди, важкі метали і радіонукліди вилучаютьсявищою водною рослинністю і накопичуються в її кореневій системі і зеленій масі.Феноли накопичуються і трансформуються вищою водною рослинністю, летучі феноличастково виділяються в атмосферу.
Технології для захисту і відновленняводойм. У водоймах характер внутрішньо-воднхпроцесів багато в чому визначається ступенем і характером екологічноїстратифікації. Найважливішою проблемою водойм є евтрофування, тому більшістьзахисних технологій спрямовані на протидію цьому процесу. Такі технологіїназиваються технологіями деевтрофування. Метою деевтрофування є зниження рівнятрофності водних об'єктів. Розглянемо деякі технології деевтрофування.
Видалення донних відкладень. Вмістбіогенних елементів у донних відкладеннях звичайно збільшується від нижніхшарів до верхнього. Тому видалення верхніх шарів цих відкладень приводить дооголення шарів, збіднених біогенними елементами і, отже, до зниження переносуїх у водну товщу.
Екранування донних відкладень, щостворює фізичний бар'єр на межі розділу „вода — донні відкладення”. Як екранможуть використовуватися пластикові плівки, пісок, глина.
Відвід води з гіполимніону, у результатіякого з водойми вилучаються багаті біогенами води. Ця технологія ефективна вглибоких водоймах з великим періодом водообміну.
Хімічна обробка, основана навикористанні речовин, що сприяють осадженню біогенних елементів абоперетворенню їх у менш доступну для мікроорганізмів форму. Найбільш ефективнимі екологічно безпечним є використання з даною метою сульфату алюмінію [18].
Зміна умов середовища існування. Воснові цих технологій звичайно лежить затемнення, що приводить до зниженняпервинної продукції органічної речовини. Існують різні технології затемнення — використання спеціальних барвників, що вибірково пропускають сонячне світло,світлонепроникних плаваючих покрить, посадка високих дерев по берегах.
ВИСНОВКИ
Основнимиджерелами централізованого водопостачання є поверхневі води, від якості якихзалежить якість питної води. На жаль, ми констатуємо факт, що сьогодні вУкраїні майже не залишилося поверхневих водних об'єктів, які б за екологічнимстаном належали до водних об'єктів першої категорії.
Останніми рокамивідмічено погіршення якості води основних джерел централізованого водопостачання,що обумовлено незадовільною водогосподарською діяльністю, забрудненнямрічкового стоку і підземних водоносних горизонтів органічними сполуками,фенолами, нітратами, нафтопродуктами, патогенними мікроорганізмами.
Процес формуванняякості води у водному об'єкті можна представити в такий спосіб:
1) розчинені ізважені речовини надходять у водний об'єкт із зосереджених або дифузійнихджерел;
2) під впливомгідравлічних факторів (перенос і перемішування) відбувається кількіснийперерозподіл речовин у водному потоці;
3) під впливомфізичних, хімічних і біологічних факторів відбувається якісна трансформаціяречовин.
Для водних екосистем характерними є процеси самочищення, яківключають в себе наступні механізми: фізичні, хімічні, біохімічні, евтрофування.
У водоймах можна виділити зони з перевагою фотосинтетичноїпродукції і зони, де йдуть тільки процеси деструкції речовин. У гіполімніоні,особливо в зимовий і літній періоди, часто спостерігаються анаеробні умови, щознижує інтенсивність процесів самоочищення. Навпаки, у літоралі температурний ікисневий режими сприятливі для інтенсивного протікання процесів самоочищення.
До методів захисту та відновленняповерхневих водних об`єктів належать:
- зменшення зовнішнього впливу наповерхневі водні об`єкти, де основними заходами являються: зміна технологійвиробництва, каналізування і санітарна очистка міст, повторне використаннястічних вод, очистка стічних вод;
- інтенсифікація внутрішньо-водоймнихпроцесів: застосування технологій захисту і відновлення для водостоків татехнологій для захисту і відновлення водойм.
/>Література
1. БілявськийГ.О. та інші. Основи екологічних знань: Навч. посібник. – К.: Либідь, 2002. –346 с.
2. БоковВЛ., Лущик А.В. Основыэкологической безопасности. — Симферополь: Сонат, 1998. — 224 с.
3. ГінсірукС.А. Регіональне природокористування: Навч. посібник. – К., 1990.
4. ГолубецьМ.А., Кучерявий В.П., Генсірук С.А. та ін. Конспект лекцій з курсу«Екологія і охорона природи». К., 1990.
5. ДжигирейВ.С. Екологія та охорона навколишнього природного середовища. – К.: Т-во„Знання”, КОО, 2000. – 203 с.
6. Загальнагідрологія. / За ред. Лисогора С.М. – К.: Фітосоціоцентр, 2000. – 264 с.
7. ЗлобінЮ.А. Основи екології. – К.: Лібра, 1998. – 246 с.
8. ЗлобінЮ.Л. Основиекології. — К.: Лібра, 1998. — 248 с.
9. КаракашаИМ. Экологическоеправо Украины. — Одесса: Латстар, 2001. — 478 с.
10. КрисаченкоВ.С. Екологічнакультура: теорія і практика. — К.: Заповіт, 1996. — 108 с.
11. КучерявийВ.П. Екологія. – Львів: Світ, 2001. – 500 с.
12. МазурИ.И., Молдованов О.И. Курс инженерной экологии. — М.: Высшая школа, 1999. — 447 с.
13. МасюкН.Т. Введение всельскохозяйственную экологию. — Днепропетровск, 1989. — 192 с.
14. МиркинБ.М., Наумова Л.Г. Экология. — Уфа: Восточный университет, 1998. — 256 с.
15. НиканоровА.М., Хоружая Т.А. Экология. – М.: ПРИОР, 2000. – 304 с.
16. РоманенкоВ.Д. Основи гідроекології. – К.: Обереги, 2001. – 728 с.
17. СтепановскихА.С. Экология. — М.: ЮНИТИ, 2001. — 703 с.
18. Экология города: Учебник. / Под ред. Ф.В.Стромберга. –К.: Либра, 2000. – 464 с.