Как уже обсуждалось выше, реки интегрируют многие природные процессы. В частности, реки в их естественном состоянии играют роль дренажных систем, собирающих с бассейна сток, вместе с переносимыми им растворенными, взвешенными и влекомыми веществами. Природные воды - всегда сложные растворы, обычно содержащие много химических веществ. Естественная концентрация растворенных веществ в речных водах обычно не превышает 1 г/л. Вода рек переносит взвешенные и влекомые наносы, также влияющие на качество воды. Естественные речные воды обычно бывают достаточно приемлемого качества для большинства потребителей и не требуют значительной обработки. Фактически деятельность человека постепенно превращает реки из дренажных систем в сточные канавы, иногда с очень высоким уровнем загрязнения (свыше 100 ПДК). Мы говорили ранее, что состояние реки отражает состояние ее бассейна. Пока в бассейне пре- 189 обладают природные процессы, речной сток переносит естественные растворенные вещества. Но по мере того, как деятельность человека (промышленность, сельское хозяйство, строительство и др.) усиливает миграцию химических веществ, их концентрация в природных водах повышается, то есть ухудшается качество воды. При этом в природную среду, в том числе в природные воды, попадают вещества антропогенного происхождения, часто посторонние для данных природных условий, с неблагоприятными свойствами, в том числе токсичные. Общее количество загрязняющих веществ в речной воде достигает нескольких тысяч. Например, изменения химического состава воды р. Рейн отражают историю изменения состояния ее бассейна. Естественное содержание хлоридов в водах Рейна было порядка 10-20 мг/л. С прошлого века, из-за промышленного развития бассейна, оно постепенно росло, увеличившись на порядок величины, так что к 1980 г. среднее содержание хлоридов в воде Рейна на границе Нидерландов и Германии стало 168 мг/л. Вследствие очень высоких темпов экономического развития после Второй мировой войны и соответствующего увеличения отходов, вода реки стала содержать все большее количество органических биодеградируемых веществ. Поэтому качество воды, в данном случае хорошо отражаемое концентрацией растворенного кислорода в воде, сокращалось и достигло минимума в 1971 г. Дефицит кислорода стал после этого уменьшаться, приходя в норму благодаря вводу в эксплуатацию ряда сооружений по очистке сбрасываемых вод. Концентрация растворенного кислорода в нижнем течении Рейна продолжала расти, увеличившись за 1970-е гг. вдвое. Зато с 1950- х гг., и в особенности в 1960-х, резко (в 4-6 раз) увеличилась концентрация нитратов и фосфатов вследствие заметного роста в применении продуктов химической промышленности в сельском и домашнем хозяйстве. Эта проблема также к настоящему времени решена. Качество воды Рейна продолжает улучшаться, причем настолько, что правительства стран бассейна предполагают, что в реку вернутся лососевые рыбы, требующие воду высокого качества. Главными источниками загрязнения природных вод являются предприятия черной и цветной металлургии, химической, нефтяной, газовой, угольной, целлюлозо-бумажной промышленности, сельское хозяйство (как земледелие, так и интенсивное животноводство), коммунальное хозяйство. Величина сброса сточных вод в водоемы России в 1997 г. составила 59,3 км3. Из этого количества в реки ежегодно сбрасывается приблизительно 30,0 км3 загрязненных сточных вод, требующих как минимум 10-12-кратного разбавления, а для ряда веществ и разбавления в 50-200 раз. (Для сравнения, средняя величина речного стока России равна 4260 км3 в год.). Основные показатели загрязнения природных вод следующие: - Растворенный кислород (чем выше его содержание, тем лучше качество воды); - Показатель биохимического потребления кислорода (БПК). (Чем выше показатель, тем больше в воде загрязняющих веществ, и, следовательно, тем хуже качество воды); - Содержание в воде микроорганизмов. Их показателем служит содержание кишечной палочки (колититр); - Содержание в воде аммония (NH4), нитратов (NO3), нитритов (NO2), нефти и нефтепродуктов, фенолов, синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), тяжелых металлов. Химические и физические параметры воды отражают ее состояние и являются предметом гидрологии как естественной науки. Параметры качества воды отражают требования, предъявляемые к ней различными потребителями. Поэтому качество воды - категория как естественная, так и общественная. Так же как в случае с загрязнением воздуха, обсуждавшемся ранее, для России основное нормативное требование к качеству воды в водных объектах заключается в соблюдении установленных предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ (ПДК). Для того, чтобы гарантировать ожидаемое качество воды с содержанием загрязняющих веществ не выше ПДК, для предприятий устанавливается величина предельно допустимого сброса поллютантов (ПДС). В России ПДК по разным показателям превышены на основном протяжении Волги, Дона, Терека, Урала, Оби, Енисея, Амура. При этом измерения концентрации загрязнителей производятся для списка веществ, состоящего только из десятка названий, тогда как промышленность сбрасывает в водоемы вместе со сточными водами сотни и тысячи различных веществ. В Российской Федерации население в целом не обеспечено питьевой водой надлежащего качества вследствие неудовлетворительного состояния как источников воды (поверхностной и подземной), так и систем централизованного водоснабжения. Почти 30% исследуемых проб не отвечают гигиеническим требованиям по санитарно-хими- ческим и микробиологическим показателям. Речные воды России содержат штаммы холеры, тифа, дизентерии, вирусного гепатита и других болезней. Загрязнение воды взаимосвязано с возникновением и распространением болезней. Около 80 % всех заболеваний в мире вызваны питьевой водой неудовлетворительного качества. В развивающихся странах 25 млн. чел. умирает каждый год вследствие воздействия патогенов и загрязненной питьевой воды. От диарреи умирает ежегодно 3 млн детей в возрасте до 5 лет. К 1990 г. более 1 миллиарда человек в мире не было обеспечено чистой питьевой водой и более 1,7 миллиарда не обеспечено канализацией. Даже в США, стране, относительно благополучной с точки зрения качества питьевой воды, существует серьезная проблема желудочно- кишечной инфекции, вызванной видами простейших микроорганизмов Cryptosporidium и Giardia. Ежегодно более 700000 жителей США заражается криптоспоридиозом. Во время эпидемии в г. Ми- луоки в 1993 г. заболело 400000 чел. и умерло 104. Это одна из серьезных болезней, вызванных микробами, потому что инфекция вызывается очень малой дозой и она может быть резистентна по отношению к обычно применяемым методам дезинфекции питьевой воды. Например, хлорирование воды оказывается в этом случае неэффективным. Существуют две основные категории источников загрязнения водных объектов: источники точечного загрязнения и рассеянного загрязнения. К первой категории относятся, например, сбросы промышленных предприятий и очистных сооружений коммунальных стоков. Ко второй категории относятся, например, загрязнения, связанные с сельским хозяйством, такие как загрязнения вод продуктами распада удобрений и пестицидов. Стратегии управления точечным и рассеянным загрязнением весьма различны. В первом случае необходимо иметь дело с каждым источником, в то время как при рассеянном загрязнении необходимо осуществлять стратегию управления всем речным бассейном, а точнее говоря, стратегию управления состоянием ландшафтов бассейна, в особенности антропогенно трансформированных. В стратегиях по улучшению качества воды, как правило, начинают с точечного загрязнения, и по достижении определенных успехов затем обращаются к регулированию рассеянного загрязнения. В России пока основное внимание, да и то недостаточное, уделяется контролю точечного загрязнения. Загрязняющие воду вещества и их индикаторы могут быть также разделены на несколько групп, вызывающих специфические проблемы качества воды в различных типах водных объектов и, соответственно, требующие различных стратегий их контроля: * Микробиологические индикаторы, связанные со здоровьем человека (концентрация кишечной палочки как индикатор количества патогенных бактерий и др.). * Взвешенные вещества (общее содержание, мутность и прозрачность воды); * Органические вещества. Индикаторы загрязнения: растворенный кислород, биохимическое и химическое потребление кислорода (БПК и ХПК), фосфаты, хлорофилл-А; * Биогенные вещества (соединения азота и фосфора); * Основные ионы (общее количество растворенных веществ, электропроводность, рН, кальций, магний, натрий, калий, хлориды, сульфаты, бикарбонаты, бор, фтор, жесткость воды); * Неорганические микрозагрязнители (алюминий, мышьяк, бериллий, кадмий, хром, кобальт, медь, цианиды, сероводород, железо, свинец, литий, марганец, ртуть, молибден, никель, селен, ванадий, цинк). * Органические микрозагрязнители (их много: полихлорирован- ные бифенилы, бензапирен, пестициды и др.; они вредны даже в очень малых концентрациях; вследствие их малой концентрации их определение представляет большие трудности). Основные типы проблем, связанных с загрязнением различных водных объектов, представлены в табл. 10. Рассмотрим основные особенности этих проблем. Заражение патогенами - очень важный фактор высокой заболеваемости и смертности от желудочно-кишечных болезней. Оно находится в прямой зависимости от плотности населения и уровня его социально-экономического развития, и потому в большей степени характерно для развивающихся стран. В развитых странах вода в системах питьевого водоснабжения обрабатывается, в то время как в развивающихся странах обработка не всегда удовлетворительна, если она вообще производится. Даже в развитых странах загрязнение патогенами контролируется не полностью, как мы это только что ви- Таблица 10. Основные проблемы качества воды Водный объект Проблемы качества воды Специфические для водного объекта Всеобщие Реки ПатогеныОрганические вещества Взвешенные вещества Асидификация Тяжелые металлыОрганические микрозагрязнители Озера и водохранилища Эвтрофикация Асидификация Подземные воды Повышение минерализации Повышение концентрации нитратов
дели в случае с криптоспоридиозом в США. В развивающихся странах оно широко распространено вниз по течению от городов и густонаселенных сельских территорий вследствие недостаточного развития канализации и систем очистки воды. В Индии, например, достаточно полная очистка сточных вод в конце 1980-х гг. производилась только в 8 городах из 3119, и в 217 городах производилась частичная обработка. Река Ямуна, протекающая сквозь Нью-Дели, получает ежесуточно 0,2 млн. куб. м совершенно необработанных сточных вод. В результате индекс патогенного загрязнения воды увеличивается в пределах города в 3200 раз, достигая 24 млн. коли- палочек на 100 мл воды. Высокий уровень загрязнения патогенами и органическими веществами отмечается в р. Ганг; осуществляется специальная программа улучшения состояния этой великой реки Индии. Заражение патогенами и загрязнение органическими веществами взаимосвязаны. Органические вещества - самая большая группа загрязнителей, исторически появляющаяся обычно первой, в самом начале процесса загрязнения реки. Они попадают в воду в растворенном или взвешенном виде, главным образом со стоками канализации или с нерегулируемыми бытовыми стоками. В отдельных местах целлюлозо-бумажная и пищевая промышленность также вносят свой заметный вклад. Географическое распространение загрязнения органическими веществами в целом совпадает с распространением патогенного заражения. При относительно небольшом уровне сбросов загрязняющих веществ по сравнению со стоком реки, принимающей загрязнения, загрязненная вода перемешивается с речной, и качество воды в реке, хотя и ухудшающееся, остается все же приемлемым. Обычный уровень разбавления - до 10-12 раз. При дальнейшем росте объема сточных вод разбавление уже не решает проблему ("Solution to pollution is not dilution'''5). Здесь видна аналогия с высокими и сверхвысокими трубами как средством снижения загрязнения воздуха вблизи предприятия за счет перемешивания загрязнений с более чистым воздухом. В обоих случаях стратегия разбавления - лишь временное и неглубокое решение проблемы. Реки обладают значительной самоочищающей способностью благодаря растворенному в воде кислороду, количество которого постоянно пополняется из атмосферы вследствие турбулентного режима течения рек. Когда поступление органических веществ в реку начинает превышать ее самоочищающую способность, загрязнение воды прогрессивно возрастает. Для решения проблемы загрязнения воды органическими веществами и патогенами необходимо осуществлять комплекс мероприятий. Главную роль здесь играет снижение объема поступающих с бассейна загрязнений и, с другой стороны, строительство очистных сооружений. За последние два-три десятилетия, вследствие целенаправленной стратегии, загрязнение природных вод патогенами и органическими веществами в развитых странах уменьшилось. Увеличилась концентрация растворенного кислорода и снизилась величина БПК. Были затрачены значительные усилия по снижению притока сточных вод, и вложены значительные средства в строительство очистных сооружений и модернизацию существующих, причем они выполняют не только первую и вторую стадии очистки (механическую и биологическую соответственно), но и во многих случаях третью, химико-биологическую, очищающую сточные воды от соединений фосфора и азота. В развивающихся странах, наоборот, загрязнение органическими веществами и заражение патогенами растут вследствие увеличения объема бытовых стоков при низком качестве или отсутствии систем очистки сточных вод. Для более чем 1,7 млрд. жителей развивающихся стран необходимо построить инженерные системы канализации. Поскольку содержание кислорода в воде обратно пропорционально ее температуре, климатические условия развивающихся стран также играют неблагоприятную роль в снижении самочищаю- 5 "Решение проблемы загрязнения воды не в ее разбавлении" (англ.) 195 щей способности рек. Несмотря на значительные успехи в строительстве систем питьевого водоснабжения и канализации в развивающихся странах, расширение этих систем не поспевает за ростом населения, и в особенности за увеличением численности населения крупных городов, и общий уровень загрязнения воды продолжает увеличиваться, превращая эту геоэкологическую проблему в одну из важнейших. Взвешенные вещества в речных водах это преимущественно тонкие частицы почвы. Концентрация взвешенных наносов является показателем степени водной эрозии почвы и потому - состояния бассейна. Сельское хозяйство играет значительную роль в этом процессе. В целом, при прочих равных условиях, чем выше площадь пахотных земель, тем больше сток наносов. Общий сток наносов по рекам мира оценивается приблизительно в 20 млрд. т в год. Перемещение наносов в пределах речных бассейнов, по крайней мере, в пять раз больше, примерно 100 млрд. т. Деятельность человека значительно увеличивает сток наносов, во многом благодаря нарушению естественного состояния поверхности почв в бассейне реки. Антропогенно увеличивающийся сток наносов приводит к ухудшению условий судоходства на реках, заилению водохранилищ и оросительных систем. Имеются расчеты, указывающие, что в США экономические потери от эрозии почвы меньше, чем ущерб от наносов, переносимых реками. Тонкие частицы почвы, переносимые в виде наносов, обычно адсорбируют на своей поверхности соединения фосфора. Это тот самый ил, который р. Нил приносила на поля каждое половодье, поддерживая плодородие почв Египта в течение тысячелетий. После сооружения плотин на реках почти все наносы аккумулируются в водохранилищах, вместе с адсорбированным фосфором. Это ведет к снижению как плодородия почв, так и рыбной продуктивности, в нижних бьефах плотин. Мероприятия по снижению эрозии почвы в бассейнах рек в то же время управляют перемещением фосфора в бассейне. Мы снова видим высокую степень сложности взаимосвязей в экосфере и ведущую роль воды в управлении территориальными системами. Причины и факторы асидификации обсуждались в разделе V.4. Принято, что природные воды находятся в состоянии асидификации, если показатель их кислотности (рН) равен или меньше 5,0. В Швеции насчитывается 85000 озер. Из них 4000 рассматриваются как серьезно асидифицнрованные, и 18000 бывают подкисленными в некоторые критические периоды, в особенности во время снеготаяния. В 4500 озерах почти нет рыбы, а 1800 озер столь асидифицированы, что стали почти безжизненными. В южной Норвегии тысячи озер асидифицированы, из них 1750 потеряли рыбу. В Финляндии асидифицированы 500 озер из 8000. В Швеции рН воды озер уменьшился от более чем 6,0 в 1940-х гг. до менее чем 5,0 в 1970-х гг., то есть кислотность выросла более чем в 10 раз, и с тех пор рН почти не меняется. Имеется много указаний на асидификацию озер в Канаде, США, Дании, западной и северной Великобритании, Германии, Нидерландах, Австрии, Швейцарии. Многие процессы в экосфере определяются кислотно-щелочными реакциями, то есть зависят от величины рН. Все биологические процессы в водоемах, такие как рост водорослей, распад микроорганизмов, нитрификация и денитрификация, отличаются своей оптимальной величиной рН, обычно в пределах 6-8. Изменения флоры и фауны в водных экосистемах - важный индикатор асидификации. В озерах восточной Канады ракообразные, насекомые, некоторые водоросли и зоопланктон исчезают уже при рН = 6,0. В связи с высокой токсичностью для рыб иона алюминия, весьма мобильного при рН<5,5 и потому появляющегося в воде озер, количество видов рыб и их численность сокращается. Рыбные популяции исчезают при уменьшении рН до 5,0. При рН<5 репродукция земноводных ограничивается. Подобная картина характерна и для озер Скандинавии. Асидификацией озер можно в определенной мере управлять. Общая цель заключается в уменьшении кислотности воды до уровня рН>5,0. Существуют два основных подхода: а) снижение выпадения кислотных осадков на озеро и весь его бассейн; б) непосредственное воздейстие на воду, главным образом путем ее известкования. Мы уже обсуждали вопросы снижения кислотных выпадений в разделе V.4. Воздействие на воду как озер, так и их притоков достигается посредством внесения известняка. Стоимость его в Скандинавии составляет примерно 10-25 долларов США за тонну, включая стоимость затрат по внесению вещества. Около четвертой части площади Швеции, или около 118000 кв. км, нуждаются в известковании. Стоимость таких работ составляла бы более 20 млн. долларов в год. Известкование в Швеции проводится примерно на 3000 озер. Одна из важных проблем при этом - необходимость учитывать накопление тяжелых металлов в озере (кадмия, никеля, ртути, хрома, меди, цинка), поскольку известняк содержит их в определенных концентрациях. После известкования химическое состояние воды озера быстро улучшается, и реакция становится близкой к нейтральной. Биологическое восстановление происходит медленно, а популяция рыб полностью не восстанавливается даже в течение пяти лет после известкования. Для поддержания озер в удовлетворительном состоянии известкование необходимо периодически повторять. Слово эвтрофикация происходит от греч. трофё - питание. Оно означает усиление биологической продуктивности водоемов вследствие накопления в воде биогенных элементов. Избыточное поступление биогенных веществ, то есть соединений фосфора и азота в озера, водохранилища и устья рек, а также в морские прибрежные воды, приводит к взрывному росту водных растений, в особенности микроскопических водорослей, а также и макрофитов. Происходит периодическое бурное развитие ("цветение") водорослей, которое может охватывать крупные по площади водохранилища, такие как водохранилища Волжского и Днепровского каскадов. После цветения микроскопические водоросли отмирают, зачастую отбирая из воды весь растворенный кислород для окисления и декомпозиции этой биомассы. Качество воды ухудшается как во время цветения, так и во время деструкции водорослей. Эвтрофикация приводит к ряду неблагоприятных экономических последствий: ухудшению качества воды, снижению рекреационной ценности озера, снижению рыбной популяции, блокированию водосбросов, каналов и даже навигационных путей. Эвтрофикация, этот медленно развивающийся естественный процесс, во многих местах сильно ускоряется в результате деятельности человека, становясь таким образом процессом экологической деградации. Эвтрофикация это также и проявление серьезных антропогенных изменений глобальных биогеохимических циклов фосфора и азота. Главными источниками поступления азота и фосфора являются сельское хозяйство (как полеводство, так и животноводство) и бытовые стоки. В большинстве случаев основной причиной эвтро- фикации является увеличение нагрузки соединений фосфора, но иногда ведущую роль играет азот. Управление эвтрофикацией обычно направлено на снижение фосфорной нагрузки. Бассейн озера рассматривается как единое целое, и действия основаны на тщательном анализе источников фосфора, затрат на его удаление или снижение нагрузки, социальных или политических обстоятельств. Это типичная задача системного анализа, с успехом применявшегося, например, к решению проблемы Балатона. Озеро Балатон в Венгрии - самое большое озеро в Средней Европе. Мелкое озеро (средняя глубина 3 м) с хорошо прогревамой летом водой привлекает на свои берега до 1 млн. туристов, являющихся важным источником доходов венгерской экономики. Большой приток отдыхающих это и благо, и вред для озера. Часть бытовых стоков попадала непосредственно в озеро, на дне которого накапливались соединения биогенов. Самый крупный приток озера, р. Зала, прежде чем достичь озера, протекала через озеро-болото Киш- Балатон, где отлагались тонкие частицы речных наносов, обогащенные фосфором. Некоторое время тому назад было решено ликвидировать Киш-Балатон, и основное озеро начало дополнительно получать избыточный фосфор, соединения которого также аккумулировались на дне озера. Каждый более или менее сильный ветер перемешивает всю мелководную толщу воды озера, привнося соединения фосфора вместе с мутью со дна. В результате процесс эвтрофикации озера ускорился; в части озера, примыкающей к устью Залы, стало наблюдаться цветение воды. Это стало угрожать доходам, получаемым от туризма. Управление режимом Балатона стало одной из важных государственных задач. Был восстановлен Киш-Балатон, ограничено применение удобрений, построены системы канализации. Рост эвтрофикации озера приостановлен, хотя полной уверенности в том, что направленность процесса изменилось, пока нет. Проблема антропогенной эвтрофикации водоемов и прибрежных зон морей возникла в развитых странах 20-30 лет тому назад. Сейчас появляются признаки серьезности проблемы эвтрофикации во многих развивающихся странах мира, например, в Бразилии, Филиппинах, Китае, Марокко и др., и нет сомнения, что этот процесс, основанный на интенсификации глобальных биогеохимических циклов биогенных элементов будет расширяться и усиливаться. Важнейший источник нитратов в природных водах и источниках водоснабжения - сельскохозяйственные удобрения. Нитраты отличаются высокой растворимостью, и потому значительная их часть (не менее 15% от исходного количества) уходит в водные объекты, прежде всего в подземные воды. Чем выше интенсивность сельского хозяйства и продолжительнее история применения удобрений, тем больше нитратное загрязнение. Во многих странах Западной Европы (Германия, Чехия, Дания, Франция и др.) примерно половина скважин и колодцев содержит воду, непригодную для употребления из-за повышенного содержания нитратов. Высокий уровень концентрации нитратов отмечен и в других местах, в том числе в развивающихся странах, где главными источниками загрязнения могут быть области высокой плотности населения, не охваченные инженерными системами канализации. Находящиеся в избыточной концентрации в питьевой воде, нитраты могут вызвать проблемы со здоровьем, в особенности болезнь крови у детей и риск рака у взрослых. Установленная Всемирной Организацией Здравоохранения (ВОЗ) норма содержания нитратов в питьевой воде — 11 мг/л азота N в виде NO3. Проникновение нитратов в подземные воды, как и вообще загрязнение подземных вод, - серьезная проблема, потому что скорости движения подземных вод несравнимо меньше поверхностных, и раз проникнув в гидрогеологическую формацию, загрязненная вода может оставаться там весьма продолжительное время, даже если поступавшее с поверхности загрязнение приостановлено. Когда загрязнитель уже находится в зоне аэрации и движется книзу, мало что можно сделать для исправления положения.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Вопросы качества вод суши» з дисципліни «Геоекологія»
