ВВЕДЕНИЕ
Вода является драгоценным даром природы, живой кровью, которая создает жизнь там, где ее не было. Вода (оксид водорода) - химическое вещество в виде прозрачной жидкости, которая не имеет цвет, запах и вкус (при нормальных условиях).
Вода как и почва является естественной средой обитания для многих видов микроорганизмов, которые развиваются как в воде открытых водоемов, так и в грунтовых водах; многие виды бактерий обитают в воде, особую опасность представляют патогенные бактерии, которые могут содержаться в ней.
В большинстве случаев микроорганизмы попадают в воду из почвы, некоторые - из воздуха с оседающей пылью, с отбросами, мочой и т.д.
Значительное количество микроорганизмов попадают с хозяйственно - бытовыми сточными водами, которые содержат миллионы и даже миллиарды бактерий 1 см3. Качественный состав обитающих в воде микроорганизмов зависит в основном от самой воды, поступления в нее сточных и промышленных отходом.
К постоянном живущим в воде микроорганизмам относят Azotobacter, Nitrobacter, Micrococcus roseus, Pseudomonas fluorescens, Bact. Aquatalis и др. Кроме сапрофитов в воде могут быть возбудители инфекционных болезней животных и человека. В чистых водоемах до 80 % всей аэробные сапрофиты микрофлоры приходятся на кокковые формы, остальные 20% составляют палочковидные.
Из данных, опубликованных в свое время ЮНЕСКО, следует, что в настоящее время около 2 млрд человек не земном шаре не имеют возможности воспользоваться чистой, безопасной для жизни и здоровья водой. В тоже время установлено, что до 80% всех известных заболеваний человека передается (распространяется) через воду. [ 9 ]
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОДЫ
Поверхностные воды суши - воды, которые текут (водотоки) или собираются на поверхности земли (водоёмы). Различаются морские, озерные, речные, болотные и другие воды. Поверхностные воды постоянно или временно находятся в поверхностных водных объектах. Объектами поверхностных вод являются: моря, озёра, реки, болота и другие водотоки и водоёмы. Различают солёные и пресные воды суш.
Образование поверхностных вод - сложный процесс.Потоки, низвергающиеся с неба в виде дождя или снега - это испарившаяся из морей и океанов вода. От характера местности, по которой она течет под действием силы тяжести (одновременно вода является сильнейшим разрушителем той части земной коры, находящейся выше уровня моря), зависит маршрут, по которому она, собираясь в ручьи и реки, устремляется снова к морю. Таким образом, завершается одна крупная фаза гидрологического цикла.
Стекая по поверхности, вода захватывает и переносит нерастворимые минеральные частицы песка и почвы, часть из них она оставляет по дороге, часть переносит к морю, а какие-то вещества растворяются в ней.
Поверхностные воды, проходя по неровной местности и падая со скал, насыщаются кислородом воздуха, его соединения с органическими и неорганическими веществами, вымытыми из суши конкретной местности и солнечный свет поддерживают большое разнообразие форм жизни в виде водорослей, грибов, бактерий, мелких ракообразных и рыб.
Кроме того, русла многих рек бывают покрыты деревьями, тех районов, по которым они протекают, если берега рек покрыты лесами. Опавшие листья и хвоя деревьев попадают в реки, они играют большую роль в наполнении воды биологическим содержанием. После попадания в воду они растворяются в ней. Именно этот материал в дальнейшем становится основной причиной загрязнения ионообменных смол, которые используют для очистки воды.
Физические и химические свойства загрязнений поверхностных вод постепенно меняются с течением времени. Внезапные природные катаклизмы могут привести к резкому изменению в короткий срок состава поверхностных источников воды. Химия поверхностных вод меняется также в зависимости от сезона, например, в периоды сильных дождей и таяния снега (период большого паводка, когда уровень в реках резко поднимается). Это может оказать благоприятное или неблагоприятное влияние на характеристики воды, в зависимости от геохимии и биологии местности.
Химия поверхностных вод также меняется в течение года в несколько циклов засухи и дождей. Длительные периоды засухи серьезно влияют на нехватку воды для промышленного использования. В местах, где реки впадают в моря, возможно попадание соленой воды в реку в период засухи, что создает дополнительные проблемы. Промышленные пользователи должны ориентироваться на изменчивость поверхностных вод, обязательно учитывать при проектировании очистных сооружений и разработке других программ.
Качество поверхностных вод зависит от сочетания климатических и геологических факторов. Основным климатическим фактором является количество и частота осадков, а также экологическая ситуация в регионе. Выпадающие осадки несут с собой определенное количество нерастворенных частиц, таких как пыль, вулканический пепел, пыльца растений, бактерии, грибковые споры, а иногда и более крупные микроорганизмы. Океан является источником разных солей, растворенных в дождевой воде. В ней можно обнаружить ионы хлорида, сульфата, натрия, магния, кальция и калия. Промышленные выбросы в атмосферу также "обогащают" химическую палитру, в основном за счет органических растворителей и оксидов азота и серы, являющихся причиной выпадения "кислотных дождей". Вносят свою лепту и химикаты, применяемые в сельском хозяйстве. К числу геологических факторов относится структура русла рек. Если русло образовано известняковыми породами, то вода в реке, как правило, прозрачная и жесткая. Если же русло из непроницаемых пород, например гранита, то вода будет мягкой, но мутной за счет большого количества взвешенных частиц органического и неорганического происхождения. В целом поверхностные воды характеризуются относительной мягкостью, высоким содержанием органики и наличием микроорганизмов.
К поверхностным водам относят водотоки, водоемы, болота и ледники. В водотоках естественных (реки, ручьи) и искусственных (каналы), происходит движение воды по руслу в направлении общего уклона поверхности. Водотоки могут быть постоянными или временными (пересыхающими или перемерзающими).
Водоем - это скопление вод в естественной (озеро) или искусственной (водохранилище, пруд) впадине, сток из которой отсутствует или замедлен. Лишь малая часть гидросферы содержится в реках, примерно в четыре раза меньше, чем в болотах, и в шестьдесят раз менее, чем в озерах.
Реки Значение рек в водном круговороте неизмеримо больше, чем воды в них содержится, поскольку вода в реках обновляется в среднем каждые 19 дней.
Для сравнения - в болотах полное обновление воды происходит за 5 лет, в озерах - за 17 лет.
Благодаря проточности воды реки лучше насыщаются кислородом и качество воды здесь лучше. Именно по берегам рек возникали и первые поселения людей.
Реки длительное время служили и основными транспортными артериями и оборонительными рубежами, были источниками воды и рыбы. Рекой обычно называют естественный постоянный водный поток, протекающий в разработанном им углублении (русле). Речные долины - вытянутые углубления на земной поверхности, выработанные постоянными водными потоками. Все речные долины имеют склоны и ровное дно. Водный поток постоянно несет множество продуктов размыва, которые откладывает в днище долины или выносит в море. Речные наносы называют аллювием. Особенно много аллювия накапливается в днищах долин в нижних течениях рек, где меньше всего уклоны поверхности. Во время таяния снега часть днища (пойма) заливается полыми водами. Речной поток всегда стремится углубить свое русло до определенного уровня. Этот уровень называется базисом эрозии. Для реки базисом эрозии служит уровень моря, озера или другой реки, куда эта река впадает. Река постоянно углубляет свое русло и наступает такое время, когда в половодье река уже не может больше затапливать свою пойму. Река начинает разрабатывать новую пойму на более низком уровне, а старая пойма превращается в террасу - высокую ступень в днище речной долины. Чем древнее и крупнее река, тем больше террас можно насчитать в ее долине.
В действительности река - это сложное природное образование (система), состоящее из множества элементов. Территория, с которой речная система собирает свои воды, называется речным бассейном. Между соседними речными бассейнами проходит граница - водораздел.
Самый большой бассейн имеет река Амазонка, она является и самой многоводной рекой (среднегодовой сток равен 220 000 куб. м/сек).
Густота речной сети зависит от многих факторов: в первую очередь, от общего увлажнения территории - чем оно больше, тем больше густота рек, как например, в тундре и лесных зонах; от рельефа и геологического строения территории - в районах распространения растворимых и трещиноватых (карстующихся) известняков речная сеть редкая, а реки, как правило, мелкие и пересыхающие.
Все реки имеют начало и конец. Начало реки, место, где появляется постоянное русло водотока, называется истоком. Истоком может быть озеро, болото, родник или ледник.
Устье - место впадения реки в море, озеро или одной реки в другую. У ряда крупных северных рек устья имеют вид узких воронкообразных заливов - они называются эстуариями. В эстуариях речные наносы под действием волн и течений выносятся в море. Крупные эстуарии имеют такие реки, как Конго в Африке, Темза и Сена в Европе, а также российские реки Енисей и Обь. В отличие от них, в дельтах, наоборот, реки буквально блуждают, впадая в море, среди собственных наносов, разбиваясь на многочисленные рукава и протоки. Крупнейшие дельты имеют реки - Амазонка, Хуанхэ, Лена, Миссисипи и др.
Рельеф местности впрямую влияет на уклон русла реки и, соответственно, на скорость течения воды. Разность отметок высот поверхности воды в реке в двух точках, расположенных на некотором расстоянии вдоль ее течения, называется падением реки. Уклон реки - отношение падения реки к ее длине. Падение воды с отвесного уступа называется водопадом.
Самый высокий водопад на Земле - Анхель (1054 м) в бассейне реки Ориноко. Самый широкий (1800 м) - Виктория на р. Замбези (его высота 120 м.). Равнинные реки обычно текут спокойно и плавно, с небольшим падением и малыми уклонами. У больших рек развиты широкие долины и они удобны для судоходства. Горные реки имеют большие уклоны и, поэтому, бурное течение, узкие порожистые глубокие долины. Вода в русле несется с бешеной скоростью, пенится, образует водовороты и водопады.
Горные реки обычно непригодны для судоходства, зато обладают большими запасами гидроэнергии и удобны для строительства ГЭС.
Для народного хозяйства (судоходства, строительства гидроэлектростанций, водоснабжения населенных пунктов, орошения полей) очень важными характеристиками рек являются расход воды (количество воды, проходящее по руслу за единицу времени) и годовой сток (расход воды в реке за год).
Величина годового стока характеризует водоносность реки и зависит, от климата (соотношения атмосферных осадков и испарения на площади речного бассейна) и рельефа (равнинный рельеф уменьшает сток, горный, наоборот, его увеличивает).
От скорости и устойчивости к размыву горных пород зависит величина переносимого водой материала, состоящего из растворенных в воде химических и биологических веществ и твердых мелких частиц - величина твердого стока. Климатические условия влияют на питание и режим рек (ледниковое, снеговое, дождевое и грунтовое). От преобладающего типа питания зависит внутригодовое распределение стока - режим рек. Режим рек - это жизнь речного потока в течение какого-то времени (суток, сезонов и года). По режиму реки подразделяются на несколько основных групп. На реках с весенним половодьем и преимущественно снеговым питанием. Относительно быстрое стаивание снежного покрова приводит к подъему и разливу воды (весеннее половодье). Летом реки переходят на дождевое питание и, хотя, осадков выпадает большое количество, из-за усиленного испарения эти реки мелеют. На реках отмечается межень - время устойчивого низкого уровня воды в русле. Зимой во время ледостава (замерзания и образования неподвижного льда) реки питаются исключительно грунтовыми водами и наблюдается зимняя межень. Поводковые режим характерен для рек с дождевым и смешанным питанием. Паводки - кратковременные (иногда очень значительные) подъемы воды в реке - в отличие от половодий могут возникать в любое время года и связаны чаще всего о обильными дождями. В теплые зимы паводки могут проявляться и в это время года.
Позднее таяние снега и ледников в горах вызывает летнее половодье. Таким режимом характеризуются, например, реки берущие начало в Альпийских горах. Реки муссонного климата, характеризуются паводковым режимом во второй половине лета и зимней меженью. Из-за маломощного снежного покрова весеннее половодье у них выражено слабо или совсем отсутствует. Муссоны нередко приносят обильные осадки, имеющие ливневой характер, что приводит к катастрофическим наводнениям. В это время под водой оказываются обширные территории с многочисленными селениями. Разрушаются здания, гибнут посевы, животные и, даже, люди. Особенно буйным нравом отличаются реки Восточной и Южной Азии: Амур, Хуанхэ, Янцзы, Ганг.
Озёра Озера различаются не только размерами и глубиной, но также цветом и свойствами воды, составом и численностью населяющих их организмов. На количество озер (озерность территории) влияет повышенная влажность климата и рельеф с многочисленными замкнутыми котловинами. Размеры, глубина, форма озер во многом зависят от происхождения их котловин. Различают котловины тектонического, ледникового, карстового, термокарстового, станичного и вулканического происхождения. Бывают еще запрудные (завальные или плотинные) озера, образующиеся в результате преграждения русла реки глыбами пород при обвалах в горах. Тектонические озерные котловины имеют большие размеры и глубину, так как они образовались на месте опусканий, трещин и разломов земной коры. Классическими тектоническим озерами являются крупнейшие озера мира: Каспийское и Байкал в Евразии, Великие Африканские и Североамериканские озера.
Ледниковые озерные котловины формируются при выпахивающей деятельности ледников или в результате размыва или скопления ледниковых вод в районах аккумуляции ледникового материала и образования ледниковых форм рельефа. Таких озер много в Финляндии, на севере Польши, в Карелии и д.р.
Карстовые озерные котловины образуются в результате провалов, просадок и размыва, в первую очередь, легко растворимых горных пород: известняков, доломитов гипсов, солей. Термокарстовых озер много в зоне вечной мерзлоты в тундре и лесотундре. Здесь вода растворяет подземные льды.
Старинные озера - это остатки брошенных речных русел.
Вулканические озерные котловины возникли в кратерах вулканов или в понижениях лавовых полей. Это - Кроноцкое и Курильское озера, озера в Новой Зеландии. По солености воды озера делят пресные и соленые. В отличие от рек, режим озер зависит от того, вытекают из него реки - проточное озеро (Байкал) или же это бессточный водоем (Каспийское).
Болота Болота - это участки суши с обильным, застойным или слабопроточным увлажнением грунта в течение большей части года, с характерной (болотной) растительностью, недостатком кислорода и постоянным образованием торфа (слой торфа должен достигать не менее 0,3 м, если торфа меньше - это будут заболоченные земли. Торфом называют полуразложившиеся растительные остатки. Назвать болота водоемами нельзя, так как вода в них содержится в связанном состоянии. Но болота содержат лишь 5-10 % сухого вещества (торфа), остальное - вода. Поэтому болота являются важными аккумуляторами пресной воды. Заболачиванию способствует наличие близкого водоупора и наиболее распространены они в районах с вечной мерзлотой. Наиболее распространены болота в лесах Северного полушария, а также в Бразилии и Индии. Из-за обилия болот и заболоченных лесов лесную зону в Западной Сибири называют лесоболотной. Там же находится и крупнейшее болото в мире - Васюганское. Процессы заболачивания в этом регионе продолжаются и в настоящее время. Средняя горизонтальная скорость распространения кромок болот и наступления их на окружающие леса составляет 10-15 см в год.
Способы образования болот различны. Это и зарастание, заторфовывание водоемов (озер) и застой воды в местах выхода родников и при близком залегании грунтовых вод; а также накопление влаги в понижениях и плоских участках под лесами и лугами (особенно часто заболачиваются лесные вырубки.) По источникам питания выделяют верховые (питаются атмосферными водами), низинные (грунтовое увлажнение) и переходные болота. При классификации по степени богатства субстрата они соответствуют олиготрофным (бедным), евтрофным (богатым) и мезотрофным. Низинные болота образуются преимущественно на самых низких участках рельефа (в поймах, древнеозерных котловинах).
Грунтовые воды сильно минерализованы и, поступая в болото, они обогащают его. Поэтому в низинных болотах густым сплошным покровом растут осоки, хвощи, камыши, мхи, часто встречаются заросли черной ольхи. Здесь обычно находит пристанище множество птиц, и их помет, содержащий азотистые вещества, также обогащает болото.
Торф низинных болот - прекрасное удобрение.
Верховые болота образуются чаще всего на водораздельных пространствах, увлажняются атмосферными водами, очень бедными питательными веществами, и растительность здесь совершенно иная. В основном это мхи и чахлые деревца. Торф верховых болот с бедной растительностью содержит мало золы, поэтому является горючим полезным ископаемым и используется в качестве топлива.
Болота имеют большое водоохранное значение. Накапливая огромные запасы воды, они регулируют водный режим рек и поддерживают стабильность водного баланса территории; очищают проходящие через них воды. Болота являются истоками многих рек. Растительность болот не представляет особой кормовой ценности. Но после осушения они используются под сельскохозяйственные или лесные культуры. Однако при этом часто мелеют и исчезают малые реки.
Загрязнение поверхностных вод
Качество воды большинства водных объектов не отвечает нормативным требованиям. Многолетние наблюдения за динамикой качества поверхностных вод обнаруживают тенденцию увеличения числа створов с высоким уровнем загрязненности и числа случаев экстремально высокого содержания загрязняющих веществ в водных объектах. Состояние водных источников и систем централизованного водоснабжения не может гарантировать требуемого качества питьевой воды, а в ряде регионов (Южный Урал, Кузбасс, некоторые территории Севера) это состояние достигло опасного уровня для здоровья человека. Службы санитарно-эпидемиологического надзора постоянно отмечают высокое загрязнение поверхностных вод. Около 1/3 всей массы загрязняющих веществ вносится в водоисточники с поверхностным и ливневым стоком с территорий санитарно неблагоустроенных мест, сельскохозяйственных объектов и угодий, что влияет на сезонное, в период весеннего паводка, ухудшение качества питьевой воды, ежегодно отмечаемое в крупных городах, в том числе и в Новосибирске. В связи с этим проводится гиперхлорирование воды, что, однако небезопасно для здоровья населения в связи с образованием хлорорганических соединений.
Одним из основных загрязнителей поверхностных вод является нефть и нефтепродукты. Нефть может попадать в воду в результате естественных ее выходов в районах залегания.
Но основные источники загрязнения связаны с человеческой деятельностью: нефтедобычей, транспортировкой, переработкой и использованием нефти в качестве топлива и промышленного сырья.
Среди продуктов промышленного производства особое место по своему отрицательному воздействию на водную среду и живые организмы занимают токсичные синтетические вещества.
Они находят все более широкое применение в промышленности, на транспорте, в коммунально-бытовом хозяйстве. Концентрация этих соединений в сточных водах, как правило, составляет 5-15мг/л при ПДК -0,1 мг/л. Эти вещества могут образовывать в водоёмах слой пены, особенно хорошо заметный на порогах, перекатах, шлюзах.
Способность к пенообразованию у этих веществ появляется уже при концентрации 1-2 мг/л. Наиболее распространенными загрязняющими веществами в поверхностных водах являются фенолы, легко окисляемые органические вещества, соединения меди, цинка, а в отдельных регионах страны - аммонийный и нитритный азот, лигнин, ксантогенаты, анилин, метил меркаптан, формальдегид и др. Огромное количество загрязняющих веществ вносится в поверхностные воды со сточными водами предприятий черной и цветной металлургии, химической, нефтехимической.
Нефтяной, газовой, угольной, лесной, целлюлозно-бумажной промышленности, предприятий сельского и коммунального хозяйства, поверхностным стоком с прилегающих территорий. Небольшую опасность для водной среды из металлов представляют ртуть, свинец и их соединения. Расширенное производство (без очистных сооружений) и применение ядохимикатов на полях приводят к сильному загрязнению водоемов вредными соединениями.
Загрязнение водной среды происходит в результате прямого внесения ядохимикатов при обработке водоемов для борьбы с вредителями, поступления в водоемы воды, стекающей с поверхности обработанных сельскохозяйственных угодий, при сбросе в водоемы отходов предприятий-производителей, а также в результате потерь при транспортировке, хранении и частично с атмосферными осадками. Наряду с ядохимикатами сельскохозяйственные стоки содержат значительное количество остатков удобрений (азота, фосфора, калия), вносимых на поля.
Кроме того, большие количества органических соединений азота и фосфора попадают со стоками от животноводческих ферм, а также с канализационными стоками. Повышение концентрации питательных веществ в почве приводит к нарушению биологического равновесия в водоеме. Вначале в таком водоеме резко увеличивается количество микроскопических водорослей. С увеличением кормовой базы возрастает количество ракообразных, рыб и других водных организмов. Затем происходит отмирание огромного количества организмов. Оно приводит к расходованию всех запасов кислорода, содержащегося в воде, и накоплению сероводорода. Обстановка в водоеме меняется настолько, что он становится непригодным для существования любых форм организмов. Водоем постепенно «умирает».
Современный уровень очистки сточных вод таков, что даже в водах, прошедших биологическую очистку, содержание нитратов и фосфатов достаточно для интенсивного эвтрофирования водоемов.
Эвтрофизация - обогащение водоема биогенами, стимулирующее рост фитопланктона. От этого вода мутнеет, гибнут бентосные растения, сокращается концентрация растворенного кислорода, задыхаются обитающие на глубине рыбы и моллюски. [9]