Процеси самоочищення природних вод. Самоочищення

Однією з найбільш цінних властивостей природних вод є їхня здатність до самоочищення. Самоочищення вод – це відновлення їх природних властивостей у річках, озерах та інших водних об'єктах, що відбувається природним шляхом у результаті протікання взаємопов'язаних фізико-хімічних, біохімічних та інших процесів (турбулентна дифузія, окиснення, сорбція, адсорбція тощо). Здатність річок та озер до самоочищення перебуває у тісній залежності від багатьох інших природних факторів, зокрема фізико-географічних умов, сонячної радіації, діяльності мікроорганізмів у воді, впливу водної рослинності та особливо гідрометеорологічного режиму. Найбільш інтенсивно самоочищення води у водоймах та водотоках здійснюється у теплий період року, коли біологічна активність у водних екосистемах найбільша. Швидше воно протікає на річках зі швидкою течією та густими чагарниками очерету, очерету та рогозу вздовж їх берегів, особливо у лісостеповій та степовій зонах країни. Повна зміна води у річках займає в середньому 16 діб, болотах – 5 років, озерах – 17 років.

Зменшення концентрації забруднюючих водні об'єкти неорганічних речовин відбувається шляхом нейтралізації кислот і лугів за рахунок природної буферності природних вод, утворення важкорозчинних сполук, гідролізу, сорбції та осадження. Концентрація органічних речовин та їх токсичність знижуються внаслідок хімічного та біохімічного окиснення. Ці природні методи самоочищення знайшли свій відбиток у прийнятих методах очищення забруднених вод у промисловості та сільському господарстві.

Для підтримки у водоймах і водотоках необхідної природної якості вод велике значення має поширення водної рослинності, яка виконує роль своєрідного біофільтра. Високу очищувальну здатність водних рослин широко використовують у багатьох промислових підприємствах як нашій країні, і там. Для цього створюють різноманітні штучні відстійники, в яких садять озерну та болотну рослинність, що добре очищає забруднені води.

В останні роки набула поширення штучна аерація - один із ефективних способів очищення забруднених вод, коли процес самоочищення різко скорочується при дефіциті розчиненого у воді кисню. Для цього спеціальні аератори встановлюють у водоймищах та водотоках або на станціях аерації перед скиданням забруднених вод.

Охорона водних ресурсів від забруднення.

Охорона водних ресурсів полягає у забороні скидання у водойми та водотоки неочищених вод, створенні водоохоронних зон, сприянні процесам самоочищення у водних об'єктах, збереженні та покращенні умов формування поверхневого та підземного стоку на водозборах.

Кілька десятиліть тому річки завдяки самоочищаючій функції справлялися з очищенням вод. Тепер же в найбільш обжитих районах країни в результаті будівництва нових міст та промислових підприємств створи водокористування розташовані настільки щільно, що нерідко місця скидання стічних вод та водозабори знаходяться практично поряд. Тому розробці та впровадженню ефективних методів очищення та доочищення стічних вод, очищення та знешкодження водопровідної води приділяється дедалі більше уваги. На деяких підприємствах операції, пов'язані з водним господарством, відіграють дедалі більшу роль. Особливо високі витрати на водопостачання, очищення та відведення стоків у целюлозно-паперовій, гірничодобувній та нафтохімічній промисловості.

Послідовне очищення стічних вод на сучасних підприємствах передбачає проведення первинного, механічного очищення (видаляються речовини, що легко осаджуються і спливають) і вторинної, біологічної (видаляються біологічно руйнуються органічні речовини). При цьому здійснюються коагуляція – для осадження зважених та колоїдних речовин, а також фосфору, адсорбція – з метою видалення розчинених органічних речовин та електроліз – для зниження вмісту розчинених речовин органічного та мінерального походження. Знезараження стічних вод проводиться за допомогою їх хлорування та озонування. Важливий елемент технологічного процесу очищення - видалення та знезараження утворюється осаду. У деяких випадках завершальною операцією є дистиляція води.

Найбільш досконалі сучасні очисні споруди забезпечують звільнення стічних вод від органічних забруднень лише з 85-90% і лише окремих випадках - на 95%. Тому і після очищення необхідне 6-12-кратне, а часто і більше розведення їх чистою водою для збереження нормальної життєдіяльності водних екосистем. Справа в тому, що природна самоочисна здатність водойм і водотоків дуже незначна. Самоочищення настає тільки в тому випадку, якщо води, що скидаються, пройшли повне очищення, а у водному об'єкті вони були розведені водою у співвідношенні 1:12-15. Якщо ж у водойми та водотоки стічні води надходять у великому обсязі, а тим більше і неочищеними, поступово втрачається стійка природна рівновага водних екосистем, порушується їхнє нормальне функціонування.

Останнім часом розробляються і впроваджуються все більш ефективні методи очищення та доочищення стічних вод після їх біологічного очищення із застосуванням нових способів обробки стоків: радіаційних, електрохімічних, сорбційних, магнітних та ін. Удосконалення технології очищення стічних вод, подальше підвищення ступеня очищення - найважливіші завдання сфери охорони вод від забруднення.

Значно ширше слід застосовувати доочищення очищених стічних вод на землеробських полях зрошення (ЗПЗ). При доочищенні стічних вод на ЗПО не витрачаються кошти на їх індустріальну доочистку, створюється можливість отримувати додаткову сільськогосподарську продукцію, значно економиться вода, оскільки зменшується забір свіжої води для зрошення та відпадає потреба у витрачанні води для розведення стічних вод. При використанні на ЗПО міських стічних вод поживні речовини, що містяться в них, і мікроелементи засвоюються рослинами швидше і повніше, ніж штучні мінеральні добрива.

До важливих завдань належить також запобігання забруднення водойм пестицидами і отрутохімікатами. Для цього потрібно прискорити проведення протиерозійних заходів, створити пестициди, які б розкладалися протягом 1-3 тижнів без збереження отруйних залишків у культурі. До вирішення цих питань необхідно обмежити сільськогосподарське використання прибережних зон вздовж водотоків або не застосовувати в них пестициди. Більшої уваги потребує створення водоохоронних зон.

У захисті водних джерел від забруднення важливе значення має введення плати за скидання стічних вод, створення комплексних районних схем водоспоживання, водовідведення та очищення стічних вод, автоматизація контролю якості води у вододжерелах. Слід зазначити, що комплексні районні схеми дозволяють перейти до повторного та багаторазового використання води, експлуатації загальних району очисних споруд, а також автоматизувати процеси управління роботою водопроводу та каналізації.

У запобіганні забруднення природних вод велика роль охорони гідросфери, оскільки придбані гідросферою негативні властивості не тільки видозмінюють водну екосистему та пригнічують на її гідробіологічні ресурси, а й руйнують екосистеми суші, її біологічні системи, а також літосферу.

Необхідно підкреслити, що одним із радикальних заходів боротьби із забрудненням є подолання укоріненої традиції розглядати водні об'єкти як приймачі стічних вод. Там, де це можливо, слід виключити в тих самих водотоках і водоймах або забір води, або скидання стічних вод.

Охорона атмосферного повітря та ґрунту.

Особливо охоронювані природні території. Охорона тваринного та рослинного світу.

Ефективною формою охорони природних екосистем, а також біотичних співтовариств природні території, що особливо охороняються. Вони дозволяють зберегти зразки (зразки) незайманих біогеоценозів, причому у якихось екзотичних, рідкісних місцях, а й у всіх типових природних зонах Землі.

До природним територіям, що особливо охороняються(ООПТ) відносяться ділянки суші або водної поверхні, які через своє природоохоронне та інше значення рішеннями Уряду повністю або частково вилучені з господарського користування.

Закон про ООПТ, прийнятий лютому 1995 р., встановив такі категорії зазначених територій: а) державні природні заповідники, зокрема. біосферні; б) національні парки; в) природні парки; г) державні природні заказники; буд) пам'ятки природи; е) дендрологічні парки та ботанічні сади.

Заповідник- це особу, що охороняється законом (територія або акваторія), яка повністю вилучена зі звичайного господарського використання з метою збереження в природному стані природного комплексу. У заповідниках дозволено лише наукову, охоронну та контрольну діяльність.

Нині у Росії налічують 95 заповідників із загальною площею 310 тис. кв. км, що становить близько 1,5% усієї території Росії. З метою нейтралізації техногенного впливу прилеглих територій, особливо у зонах із розвиненою промисловістю, навколо заповідників створюють охоронні зони.

Біосферні заповідники виконують чотири функції: збереження генетичного розмаїття нашої планети; проведення наукових досліджень; стеження за фоновим станом біосфери (екологічний моніторинг); екологічна освіта та міжнародне співробітництво.

Очевидно, що функції БЗ ширші, ніж функції природних територій, що охороняються, будь-якого іншого типу. Вони є своєрідними міжнародними стандартами, еталонами довкілля.

На Землі нині створено єдину глобальну мережу із понад 300 біосферних заповідників (у Росії - 11). Всі вони працюють за узгодженою програмою ЮНЕСКО, проводячи постійні спостереження за зміною природного середовища під впливом антропогенної діяльності.

Національний парк- велика територія (від кількох тисяч до кількох млн. га), що включає як повністю заповідні зони, і зони, призначені окремих видів господарську діяльність.

Цілями створення національних парків є: 1) екологічна (збереження природних екосистем); 2) наукова (розробка та впровадження методів збереження природного комплексу в умовах масового допуску відвідувачів) та 3) рекреаційна (регульований туризм та відпочинок людей).

У Росії налічується 33 національні парки загальною площею близько 66,5 тис. кв. км.

Природний парк- територія, що має особливу екологічну та естетичну цінність і використовується для організованого відпочинку населення.

Замовник- це природний комплекс, який призначений для збереження одного або кількох видів тварин чи рослин за обмеженого використання інших. Існують ландшафтні, лісові, іхтіологічні (риби), орнітологічні (птахи) та інші типи заповідників. Зазвичай після відновлення щільності популяції видів тварин або рослин, що охороняються, заказник закривають і дозволяють той чи інший вид господарської діяльності. У Росії нині налічується понад 1600 державних природних заказників із загальною площею понад 600 тис. кв. км.

Пам'ятник природи- окремі природні об'єкти, що відрізняються унікальністю та невоспроизводимостью, мають наукове, естетичне, культурне чи виховне значення. Це можуть бути дуже старі дерева, які були «свідками» якихось історичних подій, печери, скелі, водоспади та ін. .

Дендрологічні парки та ботанічні сади – створені людиною колекції дерев та чагарників з метою як збереження біорізноманіття та збагачення рослинного світу, так і в інтересах науки, навчання та культурно-освітньої роботи. Вони часто проводять роботи, пов'язані з інтродукцією і акліматизацією нових рослин.

За порушення режиму особливо охоронюваних природних територій законодавством Росії встановлено адміністративну та кримінальну відповідальність. У той же час вчені та фахівці настійно рекомендують суттєво збільшити площу територій, що особливо охороняються. Так, наприклад, у США площа останніх становить понад 7% території країни.

Вирішення екологічних проблем, отже, і перспективи сталого розвитку цивілізації багато в чому пов'язані з грамотним використанням відновлюваних ресурсів та різноманітних функцій екосистем, управлінням ними. Цей напрямок - найважливіший шлях досить тривалого і щодо невичерпного природокористування у поєднанні зі збереженням і підтриманням стабільності біосфери, а отже, і довкілля людини.

Кожен біологічний вид неповторний. Він містить у собі інформацію про розвиток рослинного та тваринного світу, яка має величезне наукове та прикладне значення. Оскільки всі можливості використання даного організму у віддаленій перспективі найчастіше непередбачувані, весь генофонд нашої планети (за винятком, можливо, деяких небезпечних для людини хвороботворних організмів) підлягає суворій охороні. Необхідність охорони генофонду з позицій концепції сталого розвитку («коеволюції») диктується не так господарськими, як моральними та етичними міркуваннями. Людство самотужки не виживе.

Не зайве згадати одне із екологічних законів Б. Коммонера: «Природа знає краще!» Непередбачувані ще недавно можливості використання генофонду тварин демонструє нині біоніка, завдяки якій наявні численні вдосконалення інженерних конструкцій, засновані на вивченні будови та функцій органів диких тварин. Встановлено, що деякі безхребетні (молюски, губки) мають здатність акумулювати велику кількість радіоактивних елементів та отрутохімікатів. Як наслідок, вони можуть бути біоіндикаторами забруднення довкілля і допомогти людині вирішити цю важливу проблему.

Охорона генофонду рослин.Будучи складовою загальної проблеми охорони ОПС, захист генофонду рослин є комплекс заходів для збереження всього видового різноманіття рослин - носіїв спадкового надбання продуктивних чи цінних у науковому чи практичному відношенні властивостей.

Відомо, що під впливом природного відбору та за допомогою статевого розмноження особин у генофонді кожного виду чи популяції накопичуються найбільш корисні для виду властивості; вони укладені у генних поєднаннях. Тому завдання використання природної флори мають значення. Наші сучасні зернові, плодові, овочеві, ягідні, кормові, технічні, декоративні культури, осередки походження яких було встановлено нашим видатним співвітчизником Н.І. Вавіловим, ведуть свій родовід або від диких предків, або є витворами науки, але на базі природних генних структур. За допомогою спадкових властивостей дикорослих рослин отримані абсолютно нові види корисних рослин. Шляхом гібридного відбору було створено багаторічну пшеницю, зернокормові гібриди. Згідно з підрахунками вчених, у селекції сільськогосподарських культур із флори Росії можна використовувати близько 600 видів диких рослин.

Охорону генофонду рослин проводять шляхом створення заповідників, природних парків, ботанічних садів; формування банку генофонду місцевих та інтродукованих видів; вивчення біології, екологічних потреб та конкурентної спроможності рослин; екологічної оцінки довкілля рослин, прогнозів її змін у майбутньому Завдяки заповідникам збережено піцундську та ельдарську сосни, фісташку, тис, самшит, рододендрон, женьшень тощо.

Охорона генофонду тварин.Зміна умов проживання, що відбувається під впливом діяльності людини, що супроводжується прямим переслідуванням і винищенням тварин, призводить до збіднення їх видового складу і скорочення чисельності багатьох видів. У 1600р. на планеті було приблизно 4230 видів ссавців, до нашого часу 36 видів зникли, а 120 видів загрожує небезпека зникнення. З 8684 видів птахів зникли 94 та 187 знаходяться під загрозою зникнення. Не краще ситуація з підвидами: з 1600 р. зникло 64 підвиди ссавців і 164 підвиди птахів, у небезпеці знаходяться 223 підвиди ссавців і 287 підвидів птахів.

Охорона генофонду людства.Для цього створено різні наукові напрямки, такі як:

1) екотоксикологія- розділ токсикології (наука про отрути), що вивчає інгредієнтний склад, особливості поширення, біологічної дії, активізації, дезактивізації шкідливих речовин у навколишньому середовищі;

2) медико-генетичне консультуванняу спеціальних медичних установах для з'ясування характеру та наслідків дії екотоксикантів на генетичний апарат людини з метою народження здорового потомства;

3) скринінг- відбір та перевірка на мутагенність та канцерогенність факторів середовища (навколишнього людини природного середовища).

Екологічна патологія- вчення про хвороби людини, у виникненні та розвитку яких провідну роль відіграють несприятливі фактори довкілля в комплексі з іншими хвороботворними факторами.

Принципові напрями захисту довкілля.

Нормування якості довкілля. Захист атмосфери, гідросфери, літосфери, біотичних угруповань. Екозахисна техніка та технології.

Самоочищення води водойм - це сукупність взаємопов'язаних гідродинамічних, фізико-хімічних, мікробіологічних та гідробіологічних процесів, що ведуть до відновлення початкового стану водного об'єкта.

Серед фізичних факторів першорядне значення має розведення, розчинення і перемішування забруднень, що надходять. Хороше перемішування та зниження концентрацій завислих частинок забезпечується швидким перебігом річок. Сприяє самоочищенню водойм осідання на дно нерозчинних опадів, а також відстоювання забруднених вод. У зонах з помірним кліматом річка самоочищається через 200-300 км від місця забруднення, але в Крайній Півночі - через 2 тис. км.

Знезараження води відбувається під впливом ультрафіолетового випромінювання сонця. Ефект знезараження досягається прямим згубним впливом ультрафіолетових променів на білкові колоїди та ферменти протоплазми мікробних клітин, а також спорові організми та віруси.

З хімічних факторів самоочищення водойм слід відзначити окислення органічних і неорганічних речовин. Часто дають оцінку самоочищення водойми по відношенню до органічної речовини, що легко окислюється, або за загальним вмістом органічних речовин.

Санітарний режим водойми характеризується насамперед кількістю розчиненого у ньому кисню. Його повинно бути не менше 4 мг на 1 л води в будь-який період року для водойм для водойм першого і другого видів. До першого виду відносять водойми, що використовуються для питного водопостачання підприємств, до другого - використовувані для купання, спортивних заходів, а також населених пунктів, що знаходяться в межах.

До біологічних факторів самоочищення водоймища відносяться водорості, плісняві та дріжджові грибки. Однак фітопланктон не завжди позитивно впливає на процеси самоочищення: в окремих випадках масовий розвиток синьо-зелених водоростей у штучних водоймах можна розглядати як процес самозабруднення.

Самоочищенню водойм від бактерій та вірусів можуть сприяти і представники тваринного світу. Так, устриця та деякі інші амеби адсорбують кишкові та інші віруси. Кожен молюсок відфільтровує на добу понад 30 л води.

Чистота водойм немислима без охорони їхньої рослинності. Тільки на основі глибокого знання екології кожної водойми, ефективного контролю за розвитком живих організмів, що його населяють, можна досягти позитивних результатів, забезпечити прозорість і високу біологічну продуктивність річок, озер і водосховищ.

Несприятливо на процеси самоочищення водойм впливають інші чинники. Хімічне забруднення водойм промисловими стоками, біогенними елементами (азотом, фосфором та ін.) гальмує природні окислювальні процеси, вбиває мікроорганізми. Те саме стосується і спуску термальних стічних вод тепловими електростанціями.

Багатостадійний процес, що іноді розтягується на тривалий час - самоочищення від нафти. У природних умовах комплекс фізичних процесів самоочищення води від нафти складається з ряду складових: випаровування; осідання грудочок, особливо перевантажених наносами та пилом; злипання грудочок, зважених у товщі води; спливання грудочок, що утворюють плівку із включеннями води та повітря; зниження концентрацій зваженої та розчиненої нафти внаслідок осідання, спливання та змішування з чистою водою. Інтенсивність цих процесів залежить від властивостей конкретного виду нафти (щільність, в'язкість, коефіцієнт теплового розширення), наявності у воді колоїдів, завислих і привабливих частинок планктону і т.д., температура повітря і від сонячного освітлення.

Між компонентами водної екосистеми у процесі її функціонування безперервно відбувається обмін речовиною та енергією. Цей обмін носить циклічний характер різного ступеня замкнутості, супроводжуючись трансформацією речовини під впливом фізичних, хімічних та біологічних факторів. У результаті трансформації може відбуватися поступове розкладання складних речовин до простих, а прості речовини можуть синтезуватися у складні. Залежно від інтенсивності зовнішнього на водну екосистему і характеру перебігу процесів відбувається або відновлення водної екосистеми до фонових станів (самоочищення), або водна екосистема переходить до іншого стійкого стану, який буде характеризуватись вже іншими кількісними та якісними показниками біотичних та абіотичних компонентів. Якщо зовнішній вплив перевищить саморегулюючі можливості водної екосистеми, може відбутися її руйнування. Самоочищення водних екосистем є наслідком здатності до саморегулювання. Надходження речовин із зовнішніх джерел є впливом, якому водна екосистема здатна протистояти в певних межах за допомогою внутрішньосистемних механізмів. В екологічному сенсі самоочищення є наслідком процесів включення речовин, що надійшли у водний об'єкт, у біохімічні круговороти за участю біоти та факторів неживої природи. Кругообіг будь-якого елемента складається з двох основних фондів - резервного, утвореного великою масою компонентів, що повільно змінюються, і обмінного (циркуляційного), який характеризується швидким обміном між організмами і середовищем їх проживання. Всі біохімічні кругообіги можна розділити на два основні типи - з резервним фондом в атмосфері (наприклад, азот) та з резервним фондом у земній корі (наприклад, фосфор).

Самоочищення природних вод здійснюється завдяки залученню речовин, що надходять із зовнішніх джерел, в безперервно відбуваються процеси трансформації, в результаті яких речовини, що надійшли, повертаються до свого резервного фонду.

118 Екологія міста

Трансформація речовин є результатом різних одночасно діючих процесів, серед яких можна виділити фізичні, хімічні та біологічні механізми. Величина вкладу кожного з механізмів залежить від властивостей домішки та особливостей конкретної екосистеми.

Фізичні механізми самоочищення.Газообмін на межі розділу "атмосфера-вода".Завдяки цьому процесу надходить у водний об'єкт речовин, що мають резервний фонд в атмосфері, та повернення цих речовин з водного об'єкта до резервного фонду. Одним із важливих окремих випадків газообміну є процес атмосферної реаерації,завдяки якому відбувається надходження у водний об'єкт значної частини кисню. Інтенсивність та напрямок газообміну визначаються відхиленням концентрації газу у воді від концентрації насичення С Величина концентрації насичення залежить від природи речовини та фізичних умов у водному об'єкті - температури та тиску. При концентраціях, великих С, газ випаровується в атмосферу, а при концентраціях, менших C s ,газ поглинається водяною масою.

Сорбція- поглинання домішок завислими речовинами, донними відкладеннями та поверхнями тіл гідробіонтів. Найбільш енергійно сорбуються колоїдні частинки та органічні речовини, що знаходяться в недисоційованому молекулярному стані. В основі процесу лежить явище адсорбції. Швидкість накопичення речовини в одиниці маси сорбенту пропорційна його ненасиченості по даній речовині та концентрації речовини у воді і обернено пропорційна вмісту речовини в сорбенті. Прикладами нормованих речовин, схильних до сорбції, є важкі метали і СПАВ.

Осадження та змучування.Водні об'єкти завжди містять кілька зважених речовин неорганічного та органічного походження. Осадження характеризується здатністю виважених частинок випадати на дно під впливом сили тяжкості. Процес переходу частинок із донних відкладень у зважений стан називається змучуванням. Він відбувається під впливом вертикальної складової швидкості турбулентного потоку.

Хімічні механізми самоочищення.Фотоліз- Перетворення молекул речовини під дією поглинається ними світла. Приватними випадками фотолізу є фотохімічна дисоціація - розпад частинок на кілька більш простих і фотоіонізація - перетворення молекул на іони. Із загальної кількості сонячної радіації близько 1% використовується у фотосинтезі, від 5% до 30% відбивається водяною поверхнею. Основна частина сонячної енергії перетворюється на тепло і бере участь у фотохімічних реакціях. Найбільш дієвою частиною сонячного світла є ультрафіолетове випромінювання. Ультрафіолетове випромінювання поглинається в шарі воді товщиною близько 10 см, проте завдяки турбулентному перемішування може проникати і більш глибокі шари водних об'єктів. Кількість речовини, що зазнала дії фотолізу, залежить від виду речовини та її концентрації у воді. З речовин, що надходять у водні об'єкти, щодо швидкого фотохімічного розкладання піддаються гумусні речовини.

119

Гідроліз- реакція іонного обміну між різними речовинами та водою. Гідроліз є одним із провідних факторів хімічного перетворення речовин у водних об'єктах. Кількісною характеристикою цього процесу є ступінь гідролізу, під яким розуміють відношення гід-ролізованої частини молекул до загальної концентрації солі. Для більшості солей вона становить кілька відсотків і підвищується зі збільшенням розведення та температури води. Гідролізу піддаються і органічні речовини. При цьому гідролітичне розщеплення найчастіше відбувається через зв'язок атома вуглецю з іншими атомами.

Біохімічне самоочищенняє наслідком трансформації речовин, що здійснюється гідробіонтами. Як правило, біохімічні механізми роблять основний внесок у процес самоочищення і тільки при пригніченні водних організмів (наприклад, під дією токсикантів) більш істотну роль починають грати фізико-хімічні процеси. Біохімічна трансформація речовин відбувається в результаті їх включення до трофічних мереж і здійснюється в ході процесів продукції та деструкції.

Особливо важливу роль відіграє первинна продукція, оскільки визначає більшість внутриводоемных процесів. Основним механізмом новоутворення органічної речовини є фотосинтез. У більшості водних екосистем ключовим первинним продуцентом є фітопланктон. У процесі фотосинтезу енергія Сонця безпосередньо трансформується у біомасу. Побічним продуктом цієї реакції є вільний кисень, утворений за рахунок фотолізу води. Поряд із фотосинтезом у рослинах йдуть процеси дихання з витратою кисню.

Автотрофна продукція та гетеротрофна деструкція – дві найважливіші сторони перетворення речовини та енергії у водних екосистемах. Характер та інтенсивність продукційно-деструкційних процесів та, отже, механізм біохімічного самоочищення визначаються структурою конкретної екосистеми. Тому можуть істотно різнитися у різних водних об'єктах. Більше того, в межах одного водного об'єкта існують різні зони життя (екологічні зони), що відрізняються спільнотами організмів, що їх населяють. Ці відмінності обумовлені зміною умов існування при переході від поверхні до глибини та від прибережних зон до відкритих частин.

У водотоках з інтенсивного перемішування і невеликих глибин вертикальна зональність не виражена. За живим перерізом потоку розрізняють рипаль – прибережну зону та медіаль – відкриту зону, що відповідає стрижню річки. Для рипал характерні невисокі швидкості течії, зарості макрофітів, високі значення кількісного розвитку гідробіонтів. У медіалі швидкості руху води вища, кількісний розвиток гідробіонтів нижче. По поздовжньому профілю розрізняють зони плес і зони перекатів. У зоні плесов, що характеризуються сповільненою течією, населення кількісно багатше, але якісно бідніше. Для перекатів характерна зворотна картина.

120 Екологія міста

Комплекси екологічних умов позначаються процесах самоочищення у водотоках. Для уповільнених течій характерні сприятливі умови фотосинтезу, інтенсивні процеси трансформації речовин, процеси осадження. Для зон з підвищеними швидкостями характерні інтенсивні процеси перемішування, газообміну та деструкції речовин.

У водоймах екологічна зональність виявляється чіткіше, ніж у водотоках. У водоймищах по горизонтальному профілю виділяють літораль - зону прибережних мілководій і пелагіаль (лімнічна зона) - зону відкритої води. У глибоких водоймах у водній масі пелагіалі по вертикалі виділяють три зони - епілімніон, металімніон та гіполімніон. Мета-лімніон, або термоклін, є зоною, що розділяє епілімніон та гіполімніон. Він характеризується різким зниженням температури води (1 градус на 1 м-код глибини). Вище металімніону розташований епілімніон. Для епілімніону характерне переважання продукційних процесів. Зі збільшенням глибини у міру зниження фотосинтетично активної радіації (ФАР) відбувається зменшення інтенсивності фотосинтезу. Глибина, коли він продукція стає рівної деструкції, називається компенсаційним горизонтом. Вище за нього розташовується трофогенна зона, де переважають продукційні процеси, а нижче - трофолітична, де переважають процеси дихання та розкладання. Трофогенна зона знаходиться в епілімніоні, а трофолітична, як правило, охоплює металімніон та гіполімніон.

У придонній зоні водойм, крім літоралі, виділяють профундаль - глибоководну частину, що приблизно збігається з частиною ложа водоймища, заповненою водами гіполімніону.

Таким чином, у водоймищах можна виділити зони з переважанням фотосинтетичної продукції та зони, де йдуть лише процеси деструкції речовин. У гіполімніоні, особливо в зимовий та літній періоди, часто спостерігаються анаеробні умови, що знижує інтенсивність процесів самоочищення. Навпаки, у літоралі температурний та кисневий режими сприятливі для інтенсивного перебігу процесів самоочищення.

Евтрофія,під яким розуміють гіперпродукцію органічної речовини у водному об'єкті під дією зовнішніх (аллохтонних) і внут-риводомістких (автохтонних) факторів, є однією з серйозних екологічних проблем, з якою стикаються майже всі розвинені країни. Евт-рофування піддаються практично будь-які водні об'єкти, проте найбільш яскраво воно проявляється у водоймах. Евтрофування водойм є природним процесом, його розвиток оцінюється геологічним масштабом часу. Внаслідок антропогенного надходження біогенних речовин у водні об'єкти відбулося різке прискорення евтрофування. Підсумком цього процесу, що називається антропогенним евтрофуванням, є зменшення тимчасового масштабу евтрофування від тисяч років до десятиліть. Особливо інтенсивно процеси евтрофування протікають на урбанізованих територіях, що зробило їх однією з характерних ознак, властивих міським водним об'єктам.

Розділ 3. Водне середовище міста

Трофність водного об'єкта відповідає рівню надходження органічної речовини або рівню його продукування в одиницю часу і, таким чином, є виразом спільної дії органічної речовини, що утворилася при фотосинтезі і ззовні. За рівнем трофності виділяють два крайні типи водних об'єктів - оліготрофні та евтрофні. Основні відмінності цих двох типів водних об'єктів наведені в табл. 3.14.

Таблиця 3.14. Характеристики оліготрофної та евтрофної водойм

	Стан водойми
Хапактвпістика
	оліготрофне	евтрофне
Фізико-хімічні властивості
Концентрація розчиненого кисню	Висока	Низька
у гіполімніоні
Концентрація біогенних елементів	Низька	Висока
Концентрація завислих речовин	Низька	Висока
Проникнення світла	Гарне	Погане
Глибина	Велика	Невелика
Біологічні характеристики
Продуктивність	Низька	Висока
Різноманітність видів гідробіонтів	Невелике	Велике
Фітопланктон:
біомаса	Невелика	Велика
добові міграції	Інтенсивні	Обмежені
цвітіння	Рідкісне	Часте
характерні групи	Діатомові,	Зелені, синьо-
	зелені водорості	зелені водорості

Основним механізмом природного процесу евтрофування є замулювання водойм. Антропогенне евтрофування відбувається внаслідок надходження у воду надмірної кількості біогенних елементів, як наслідок господарської діяльності. Високий вміст біогенів стимулює автотрофну гіперпродукцію органічної речовини. Результатом цього процесу є цвітіння води внаслідок надмірного розвитку аль-гофлори. Серед біогенних елементів, що надходять у воду, найбільший вплив на процеси евтрофування надають азот і фосфор, оскільки їх вміст і співвідношення регулює швидкість первинного продукування. Інші біогенні елементи, як правило, містяться у воді в достатній кількості і не впливають на процеси евтрофування. Для озер лімітуючим елементом найчастіше є фосфор, а водотоків - азот.

Віднесення водного об'єкта до певного рівня трофності здійснюється за надходженням органічної речовини. Оскільки вказаний

Екологія міста

Параметр на практиці контролювати складно, як індикатори трофічного рівня використовують інші характеристики водної екосистеми, тісно пов'язані з трофічним станом водойми. Ці показники називають індикаторними. Найчастіше в сучасній практиці як індикатори використовують величини надходження біогенних речовин, концентрації біогенних речовин у водному об'єкті, швидкість виснаження кисню в гіполімніоні, прозорість води, біомасу фітопланктону. Фітопланктон є основним первинним продуцентом у більшості водних екосистем. Тому екологічний стан більшості водойм визначається фітопланктоном і залежить від ряду фізичних, хімічних і біологічних факторів довкілля.

Фізичні чинники евтрофування.Освітленість.Залежність первинної продукції від освітленості наведена на Мал. 3.18.Проникнення світла у товщу води визначається низкою чинників. Падаючий світло поглинається самою водою і розчиненими в ній забарвленими речовинами, розсіюється зваженими речовинами, що знаходяться у воді. Глибина, де освітленість становить 5% від освітленості лежить на поверхні, називається евфотним горизонтом. Вище евфотного горизонту розташовується евфотна зона. Зміна первинної продукції за глибиною залежить від зміни освітленості. У літні місяці можливе усунення максимуму продуктивності в глибину. Це пояснюється надмірною освітленістю на поверхні, що призводить до пригнічення фітопланктону, внаслідок чого найкращі умови для його існування створюються у глибших шарах.

Температуравпливає на фізичні та біологічні процеси евтрофування. Вона визначає ступінь насичення води киснем, температурний профіль впливає на інтенсивність вертикальної турбулентності і таким чином впливає на перенесення біогенів з придонних областей епілімніон. Температура також впливає на величину первинної продукції (Рис. 3.19).Значення оптимальної температури змінюється залежно від виду організмів, але здебільшого лежить у діапазоні 20-25°.

Екологічний стан водних об'єктів значною мірою пов'язаний із процесами самоочищення - природного резерву відновлення первісних властивостей та складу вод.
Основні процеси самоочищення призводять до:

• перетворення (трансформації) забруднюючих речовин на нешкідливі або менш шкідливі речовини в результаті хімічного та особливо біохімічного окиснення;
• відносного очищення - переходу забруднюючих речовин з водної товщі в донні відкладення, що надалі може бути джерелом вторинного забруднення води;
• видалення забруднюючих речовин за межі водного об'єкта в результаті випаровування, виділення газів з водної товщі або виносу вітрового піни.

Найбільшу роль процесі самоочищення вод грає трансформація забруднюючих речовин. Вона охоплює неконсервативні забруднюючі речовини, концентрація яких змінюється внаслідок хімічних, біохімічних та фізичних процесів у водних об'єктах. До неконсервативних відносяться, в основному, органічні та біогенні речовини. Інтенсивність окислення забруднюючої речовини, що трансформується, залежить, перш за все, від властивостей цієї речовини, температури води, умов надходження кисню у водний об'єкт.

Температурні умови можуть оцінюватися за середньою температурою води за три літні місяці, яка достатньою мірою відображає умови за весь теплий період (температура води на річках Росії в зимові місяці залишається практично однаковою, близькою до 0°С). За цим показником річки та водойми розділені на три групи: з температурою нижче 15°С, від 15 до 20°С та вище 20°С.

Умови надходження кисню визначаються, в основному, інтенсивністю перемішування води та тривалістю, яка має досить тісну кореляцію з літньою.

Інтенсивність перемішування води в річках оцінюється приблизно, залежно від характеру рельєфу місцевості, якою вони протікають, а озер і водосховищ - коефіцієнтом мілководності g, залежить від площі водяної поверхні та середньої глибини водойми. За цими критеріями оцінки річки та водойми розділені на 4 групи: з сильним, значним, помірним та слабким перемішуванням. За поєднанням умов температури та перемішування виділяються 4 категорії умов трансформації забруднюючих речовин у поверхневих водах: сприятливі, середні, несприятливі та вкрай несприятливі. Оцінка самоочищення вод за цими показниками неприйнятна ні до найбільших трансзональних річок (Волга, Єнісей, Олена та ін.), ні до малих річок (з площею басейну менше 500 – 1000 км2), оскільки температура води в них та умови перемішування сильно відрізняються. від фонових значень.

Важливу роль самоочищенні вод грає, також, фізичний процес розведення вмісту забруднюючих речовин, концентрація яких у річковій воді зменшується зі збільшенням витрати води у річці. Роль розведення полягає у зменшенні концентрації забруднюючих речовин, а й у зниженні ймовірності отруєння (токсикозу) водних організмів, відповідальних за біохімічне розкладання забруднюючих речовин. Показником умов розведення забруднюючих речовин служить для річки її середня річна витрата води, а для водоймища - сумарна витрата води приток, що впадають в нього. За цим показником усі річки та водойми розділені на 6 груп (з витратою води від менше 100 до понад 10 000 м3/с). За поєднанням двох найважливіших умов - трансформації забруднюючих речовин і витрати води - можна приблизно оцінити умови самоочищення поверхневих вод від забруднюючих речовин і об'єднати їх у 5 категорій: від «найсприятливіших» до «вкрай несприятливих». Умови самоочищення з урахуванням розведення для трансзональних рік розраховувалися індивідуально за окремими ділянками кожної річки. Верхів'я середніх і великих річок, що характеризуються слабкою здатністю, що розбавляє, віднесені до категорії річок з «вкрай несприятливими» умовами самоочищення.
Існують певні просторові закономірності умов трансформації забруднюючих речовин у поверхневих водах Росії. Так, водні об'єкти з «вкрай несприятливими» умовами розташовані на низинних тундрових та лісотундрових територіях. До цієї ж групи належать всі глибоководні озера (Ладозьке, Онезьке, Байкал та ін.) та водосховища з особливо уповільненим водообміном. А території з «сприятливими» умовами трансформації приурочені до Середньоруської та Приволзької височини, передгір'я Північного Кавказу.

З урахуванням розведення забруднень більшість середніх і майже всі малі річки Росії характеризуються «вкрай несприятливими» умовами самоочищення. «Найсприятливішими» умовами самоочищення характеризуються ділянки річок Об, Єнісей, Олена та Амур, що потрапляють у найвищу категорію водоносності (більше 10 000 м3/с) при температурі води в середньому інтервалі (15–20°С), а також нижній перебіг Волги з температурою понад 20°С. Цю ж категорію умов мають водосховища: Волгоградське, Цимлянське, Нижньокамське.

Аналіз територіальної відмінності в умовах самоочищення річок та водойм дає можливість приблизно оцінити ступінь небезпеки їх забруднення від надходження забруднюючих речовин. Це, своєю чергою, може бути основою встановлення рівня обмежень зі скидання стічних вод у містах та вироблення рекомендацій щодо розмірів зменшення розосередженого надходження забруднюючих речовин у поверхневі води.

До негативних природних факторів відноситься наявність крутих схилів та підтоплених ділянок, нестійких до додаткового техногенного навантаження. Негативними техногенними факторами слід вважати високу захаращеність території на окремих ділянках, вплив забруднених та недостатньо очищених стоків житлових кварталів, виробничих зон та підприємств, що впливають на якість водних об'єктів. Отже, стан водойм не відповідає вимогам, що пред'являються до об'єктів культурно-побутового призначення. Крім того, наднормативне забруднення атмосферного повітря вздовж магістралей характерне практично для всієї території.

ІІ. Водні об'єкти, будучи природними та природно-техногенними елементами ландшафтно-геохімічних систем, у більшості випадків є кінцевою ланкою у цій акумуляції здебільшого рухомих техногенних речовин. У ландшафтно-геохімічних системах речовини з вищих рівнів до нижчих гіпсометричних рівнів переносяться з поверхневим і підземним стоками, а назад (від низьких до вищих рівнів) - атмосферними потоками і лише в деяких випадках потоками живої речовини (наприклад, при масовому вильоті з водойм комах після завершення личинкової стадії розвитку, що проходить у воді, та ін).

Елементи ландшафту, що представляють початкові, найбільш високорозташовані ланки (що займають, наприклад, місцеві водороздільні поверхні), геохімічні автономні та надходження в них забруднюючих речовин обмежено, за винятком надходження їх з атмосфери. Елементи ландшафту, що утворюють нижчі щаблі геохімічної системи (розташовані на схилах і в пониженнях рельєфу), являють собою геохімічно підлеглі або гетерономні елементи, які поряд з надходженнями забруднюючих речовин з атмосфери отримують частину забруднюючих речовин, що надходять з поверхневими і ґрунтовими водами. -геохімічний каскад. У зв'язку з цим забруднюючі речовини, що утворюються на водозборі за рахунок міграції в природному середовищі рано чи пізно потрапляють у водні об'єкти переважно з поверхневим і ґрунтовим стоками, поступово накопичуючись в них.

5 Основні процеси самоочищення води у водному об'єкті

Самоочищення води водойм – це сукупність взаємопов'язаних гідродинамічних, фізико-хімічних, мікробіологічних та гідробіологічних процесів, що ведуть до відновлення початкового стану водного об'єкта.

Серед фізичних факторів першорядне значення має розведення, розчинення і перемішування забруднень, що надходять. Хороше перемішування та зниження концентрацій завислих частинок забезпечується швидким перебігом річок. Сприяє самоочищенню водойм осідання на дно нерозчинних опадів, а також відстоювання забруднених вод. У зонах з помірним кліматом річка самоочищається через 200-300 км від місця забруднення, але в Крайній Півночі – через 2 тис. км.

Знезараження води відбувається під впливом ультрафіолетового випромінювання сонця. Ефект знезараження досягається прямим згубним впливом ультрафіолетових променів на білкові колоїди та ферменти протоплазми мікробних клітин, а також спорові організми та віруси.

З хімічних факторів самоочищення водойм слід відзначити окислення органічних і неорганічних речовин. Часто дають оцінку самоочищення водойми по відношенню до органічної речовини, що легко окислюється, або за загальним вмістом органічних речовин.

Санітарний режим водойми характеризується насамперед кількістю розчиненого у ньому кисню. Його повинно бути не менше 4 мг на 1 л води в будь-який період року для водойм для водойм першого і другого видів. До першого виду відносять водойми, які використовуються для питного водопостачання підприємств, до другого – використовувані для купання, спортивних заходів, а також населених пунктів, що знаходяться в межах.

До біологічних факторів самоочищення водоймища відносяться водорості, плісняві та дріжджові грибки. Однак фітопланктон не завжди позитивно впливає на процеси самоочищення: в окремих випадках масовий розвиток синьо-зелених водоростей у штучних водоймах можна розглядати як процес самозабруднення.

Самоочищенню водойм від бактерій та вірусів можуть сприяти і представники тваринного світу. Так, устриця та деякі інші амеби адсорбують кишкові та інші віруси. Кожен молюсок відфільтровує на добу понад 30 л води.

Чистота водойм немислима без охорони їхньої рослинності. Тільки на основі глибокого знання екології кожної водойми, ефективного контролю за розвитком живих організмів, що його населяють, можна досягти позитивних результатів, забезпечити прозорість і високу біологічну продуктивність річок, озер і водосховищ.

Несприятливо на процеси самоочищення водойм впливають інші чинники. Хімічне забруднення водойм промисловими стоками, біогенними елементами (азотом, фосфором та ін.) гальмує природні окислювальні процеси, вбиває мікроорганізми. Те саме стосується і спуску термальних стічних вод тепловими електростанціями.

Багатостадійний процес, що іноді розтягується на тривалий час – самоочищення від нафти. У природних умовах комплекс фізичних процесів самоочищення води від нафти складається з ряду складових: випаровування; осідання грудочок, особливо перевантажених наносами та пилом; злипання грудочок, зважених у товщі води; спливання грудочок, що утворюють плівку із включеннями води та повітря; зниження концентрацій зваженої та розчиненої нафти внаслідок осідання, спливання та змішування з чистою водою. Інтенсивність цих процесів залежить від властивостей конкретного виду нафти (щільність, в'язкість, коефіцієнт теплового розширення), наявності у воді колоїдів, завислих і привабливих частинок планктону і т.д., температура повітря і від сонячного освітлення.

6 Заходи щодо інтенсифікації процесів самоочищення водного об'єкта

Самоочищення води - це неодмінна ланка в циклі кругообігу води в природі. Забруднення будь-яких типів при самоочищенні водних об'єктів в кінцевому рахунку виявляються сконцентрованими у вигляді продуктів життєдіяльності і відмерлих тіл мікроорганізмів, рослин і тварин, що живляться ними, які накопичуються в муловій масі на дні. Водні об'єкти, в яких природне середовище вже не справляється з забруднюючими речовинами, що надходять, деградує, і це відбувається головним чином через зміни у складі біоти і порушень харчових ланцюжків, насамперед мікробного населення водного об'єкта. Процеси самоочищення у таких водних об'єктах мінімальні або повністю припиняються.

Зупинити подібні зміни можна лише цілеспрямованим впливом на фактори, що сприяють зменшенню утворення обсягів відходів, зниженню емісії забруднення.

Поставлене завдання можна вирішити лише шляхом виконання системи організаційних заходів та інженерно-меліоративних робіт, спрямованих на відновлення природного середовища водних об'єктів.

При відновленні водних об'єктів виконання системи організаційних заходів та інженерно-меліоративних робіт бажано розпочинати з облаштування водозбору, а потім проводити очищення водного об'єкта з подальшим облаштуванням прибережних та заплавних територій.

Основне завдання природоохоронних заходів та інженерно-меліоративних робіт на водозборі – зменшення утворення відходів та недопущення несанкціонованого скидання забруднюючих речовин на рельєф водозбору, для чого здійснюють наступні заходи: впровадження системи нормування утворення відходів; організація екологічного контролю у системі поводження з відходами виробництва та споживання; проведення інвентаризації об'єктів та місць розміщення відходів виробництва та споживання; рекультивація порушених земель та їх облаштування; посилення плати за несанкціоноване скидання забруднюючих речовин на рельєф місцевості; впровадження маловідходних та безвідходних технологій та систем оборотного водопостачання.

Природоохоронні заходи та роботи, що виконуються на прибережних та заплавних територіях, включають роботи з вирівнювання поверхні, викладання або терасування схилів; зведення гідротехнічних та рекреаційних споруд, кріплення берегів та відтворення стійкого трав'яного покриву та деревно-чагарникової рослинності, що перешкоджають згодом ерозійним процесам. Роботи з озеленення виконують для відновлення природного комплексу водного об'єкта та переведення більшої частини поверхневого стоку в підземний горизонт з метою його очищення, використовуючи гірські породи прибережної зони та заплавних земель як гідрохімічний бар'єр.

Береги багатьох водних об'єктів засмічені, а води забруднені хімічними речовинами, важкими металами, нафтопродуктами сміттям, а частина з них евтрофовані і замулені. Стабілізувати чи активізувати процеси самоочищення у подібних водних об'єктах без спеціального інженерно-меліоративного втручання неможливо.

Мета виконання інженерно-меліоративних заходів та природоохоронних робіт – створення у водних об'єктах умов, що забезпечують ефективне функціонування різних споруд, що очищають воду, та виконання робіт з ліквідації або зменшення негативного впливу джерел поширення забруднюючих речовин як позаруслового, так і руслового походження.