Загрязнение гидросферы

Вода, обязательное условие и среда жизни, присутствует на нашей планете в очень большом количестве. Поверхность океанов и морей занимает более 70% всей поверхности земного шара. Объем воды на Земле составляет более 1,3 миллиарда кубических километров. Более 96% всей ее массы содержится в Мировом океане, остальное составляют преимущественно подземные воды и ледниковый лед. Содержание воды в озерах, реках, в атмосфере и в живых организмах вместе составляет доли процента от общего количества воды на Земле.

По своим физико-химическим свойствам вода практически не имеет аналогов среди известных химических соединений. Молекула воды в целом нейтральна, но асимметрия связей двух атомов водорода с атомом кислорода делает каждую из них диполем. Дипольность молекул воды приводит к тому, что в жидкой и твердой фазах они взаимодействуют, более или менее упорядоченно размещаясь в пространстве и образуя между собой относительно слабые связи, называемые водородными. Этим объясняются уникальные для такого легкого окисла (молекулярный вес 18 дальтон) высокая плотность, высокие температуры плавления и кипения, большие энергии плавления и парообразования и многие другие важные для жизни свойства.

Вода — прекрасный растворитель кислот, щелочей (см. статью «Кислоты, основания и щелочи«) и солей, многих газов, в том числе таких важных для жизни, как кислород и углекислый газ. В то же время вещества, не содержащие в своих молекулах заряженных или поляризованных групп, практически нерастворимы в воде. Способность взаимодействовать с водородными связями воды делит все вещества на гидрофильные — растворимые или, как минимум, смачиваемые водой, и гидрофобные — нерастворимые и даже активно, с высвобождением энергии, вытесняемые водой и водными растворами. Сочетание гидрофильных и гидрофобных свойств различных органических веществ используется живыми организмами для создания очень прочных структур ультрамикроскопических размеров — клеточных мембран и других «молекулярных конструкций», обеспечивающих протекание важнейших жизненных процессов на клеточном уровне.

Природные воды никогда не бывают абсолютно чистыми. Даже дождевая вода и вода, образующаяся при таянии высокогорных ледников, содержат некоторое количество растворенных газов — кислорода, углекислого газа, окислов азота. При загрязнении атмосферного воздуха дождевая вода, как мы уже знаем, содержит многочисленные примеси. Вода, контактирующая с самыми разнообразными веществами в реальных условиях земных водоемов, всегда содержит то или иное количество растворенных минеральных веществ. Их состав разнообразен и может сильно отличаться в разных реках и озерах. Названия «пресная», «солоноватая», «соленая» и «горько-соленая», основанные на вкусовых ощущениях, соответствуют различному содержанию и составу солей в воде. Обычно воду, содержащую менее 1 грамма солей на литр, называют пресной, единицы граммов на литр — солоноватой, десятки — соленой. Воды Мирового океана содержат около 35 г/л солей (3,5%), представленных ионами натрия, калия, кальция, магния, хлорида, сульфата и, в малых или исчезающе малых концентрациях, — практически все химические элементы.

Хотя пресная вода составляет небольшую часть всей воды на Земле, она в значительной мере определяет уровень и саму возможность жизни на суше, и ее качество имеет самое непосредственное значение для человека и его хозяйства. В зависимости от горных пород, подстилающих водоемы и водотоки, природные воды могут иметь не только различную общую соленость, но и сильно отличаться по содержанию разных элементов, по кислотности и содержанию взвешенных частиц. Это, как и отличия в температуре, сезонных изменениях состава, содержания растворенных газов и других физико-химических характеристиках природных водоемов, в значительной мере определяет как общее «количество жизни» в них, так и наличие у водных растений и животных различных приспособлений, выработанных длительной эволюцией. Эти приспособления охватывают все уровни организации жизни, от биохимических процессов на клеточном уровне и физиологической регуляции систем органов до морфологических характеристик и особенностей поведения, связанных с периодическими изменениями состояния водоемов.

Например, некоторые красные водоросли обитают на глубинах, на которые проникает только синий свет, не поглощаемый хлорофиллом. Они имеют дополнительный красный пигмент фикоэритрин — сенсибилизатор, поглощающий свет в коротковолновой части спектра. У многих рыб, обитающих в тихих теплых водоемах, где из-за обилия гниющих органических остатков очень низко содержание кислорода, например у обыкновенного линя и карася, гемоглобин крови способен связывать кислород из воды и отдавать его клеткам в достаточном количестве даже при очень низком содержании в воде этого газа. Сезонные изменения солености во многих озерах с высокой концентрацией солей ведут к изменениям плотности воды.

В соответствии с этим у разных поколений планктонного рачка артемии сильнее или слабее развиты выросты панциря, позволяющие ему «парить» в толще воды. У некоторых африканских рыб, приспособленных к жизни в пересыхающих водоемах, икра способна переносить длительное высушивание и даже переноситься с ветром. Вылупляющиеся из попавшей в воду икры мальки очень прожорливы, они быстро растут, в течение одного влажного сезона достигают половозрелости и откладывают икру. Множество других приспособлений частично знакомы читателю или могут быть найдены в обширной зоологической и ботанической литературе.

Истощение запасов поверхностных и подземных вод

Этот процесс сопровождается обмелением водоемов и водотоков и понижением уровня подземных вод. Он определяется двумя факторами. Во-первых, это ежегодные безвозвратные потери воды в процессе использования ее в хозяйственных нуждах. В зависимости от качества повторной очистки и существующих систем оборотного использования они составляют до 25% ежегодного технологического расхода воды. Вторым фактором, существенно влияющим на истощение запасов воды, является создание как отдельных водохранилищ, так и каскадов водохранилищ, в том числе в аридных областях, которые должны были решить определенные экономические задачи. В частности, с их помощью решаются проблемы водоснабжения населения прилегающих районов, орошения, снижения опасности наводнений и подтопления территорий, улучшения условий судоходства, рыболовства, рыбовоспроизводства и создания рекреационных зон.

Вместе с тем водохранилища оказались объектами безвозвратных потерь не только поверхностных, но и подземных вод суши, которые происходят за счет усилившегося испарения с поверхности. Особенно сильно тенденция к сокращению запасов воды стала проявляться после начавшегося потепления климата.

Безвозвратные потери поверхностных вод стимулировали развитие некоторых региональных катастроф и среди них — катастрофа Аральского моря, уровень воды в котором в связи со снижением общего количества поверхностного стока рек Амударьи и Сырдарьи, расходуемого на орошение, стал снижаться. Другой пример подобного рода — строительство в верховьях р. Или в конце 60-х годов XX в. Капчагайского водохранилища недалеко от г. Алма-Аты. Это привело к резкому снижению уровня озера Балхаш и к почти полной утрате его экономического значения. В настоящее время наблюдается обмеление многих рек, в том числе снижение уровня воды не только в системе каскада Волжских водохранилищ, но и в крупнейших водохранилищах Сибири и Дальнего Востока.

Изменение качества воды

Увеличение выбросов загрязненных промышленных, сельскохозяйственных и бытовых сточных вод привело к изменению качества воды. Кроме того, воды сильно загрязняются нефтепродуктами и токсичными веществами.

Несомненно, что объемы промышленного использования вод суши зависят от структуры промышленных предприятий, типа и качества очистных сооружений и типа используемых технологий. Основными загрязнителями являются такие водоемкие промышленные производства, как теплоэнергетика, черная и цветная металлургия, машиностроение, нефтехимическая и деревообрабатывающая, пищевая и целлюлозно-бумажная промышленность. Особенность коммунального хозяйства заключается в том, что почти 90% воды используется для населения городов, имеющих централизованные системы водоснабжения.

На территории России менее 50% используемой воды очищается до нормативных требований. Остальные стоки сбрасываются или недостаточно очищенными, или полностью неочищенными. С ними в поверхностные воды, а затем через сложную систему природных каналов загрязнители попадают в подземные воды. Последние могут очищаться природными фильтрами. Однако поверхностные воды не способны очищаться и в них в огромных количествах присутствуют токсичные органические соединения, твердые взвешенные частицы, нефтепродукты, тяжелые металлы, сульфаты, хлориды, соединения фосфора, азота и нитраты.

Только на территории Российской Федерации общий объем ежегодных загрязнений, поступающих в водоемы, превышает 50 млн. т. Из них на долю сельскохозяйственных предприятий (фермы, молочно-перерабатывающие предприятия, сельскохозяйственные площади) приходится около 50% загрязняющих веществ, коммунальной сферы — 35% и промышленности — 10—15%.

Снижение качества воды оказывает отрицательную роль на здоровье людей, негативно влияет на биологическую продуктивность водоемов. Наличие в поверхностных водах ряда соединений изменяют их щелочно-кислотный потенциал, что приводит к усилению химического выветривания и карстообразования.

Термическое загрязнение

С работой тепловых и атомных электростанций связано термическое загрязнение воды. Основная масса воды, используемой в тепловой энергетике, предназначается для охлаждения турбин и генераторов. При этом около 5% воды безвозвратно теряется, превращаясь в пар.

Широкое распространение начиная с середины XX в. получили специальные пруды-охладители на теплоэлектростанциях. Охлаждая систему турбин и генераторов, нагретые воды отводятся в пруды, в которых создаются благоприятные тепловые условия для массового размножения фитопланктона. Происходит эвтрофикация воды.

Нередко поверхностные водоемы используют для захоронения вредных и радиоактивных веществ. Таковыми являются хвостохранилища на горнодобывающих и обогатительных предприятиях. При переполнении таких хранилищ нередко создаются аварийные ситуации, а воздействие содержащихся в них соединений нарушает геохимическое равновесие и приводит к заражению местности.

Изменение режима рек и обмеление

Создание на реках искусственных водоемов, использование рек и водоемов в качестве транспортных магистралей, по которым курсируют многотоннажные суда, а также изъятие воды для хозяйственных нужд приводят к существенному нарушению гидрологического режима рек, изменению места, времени и активности проявления геологических процессов — глубинной и боковой эрозии, изменению твердого стока и объема взвешенного материала, русловой и пойменной аккумуляции, аккумуляции аллювиального материала в устьях рек. Это, в свою очередь, оказывает влияние на биологические условия, изменяет характер воспроизводства рыбы и затрудняет судоходство. Быстрое накопление осадков на дне водохранилищ при изменении скорости руслового потока приводит к обмелению и вызывает необходимость проводить очистку русла, землечерпание, регулировать сток в районе гидротехнических сооружений и осуществлять инженерную защиту берегов.

Сейсмическая активность искусственных водоемов

В настоящее время имеется большое количество материалов, свидетельствующих об усилении сейсмической активности в районах созданных водохранилищ. Геологическая среда, находящаяся под акваторией водохранилища, существует под действием гравитационных сил. Горные породы под дном постоянно находятся под действием гравитационных и тектонических сил напряженности. Под влиянием толщи воды наполняемого водохранилища, а также ежегодно накапливаемого твердого стока, так как плотина преграждает перемещение взвешенного материала в сторону базиса эрозии, изменяется напряженность пород дна водохранилища. Все это приводит к кратковременным смещениям по существующим на глубине разрывам и вызывает действие сейсмических волн, которые достигают поверхности. Возникают землетрясения не только в сейсмически активных областях, но и в пределах стабильных платформ. Эпицентры землетрясений располагаются на расстоянии 110-215 км от водохранилища, а очаги — на глубине 6-8 км. Активность и частота землетрясений усиливаются после достижения определенного уровня воды в водохранилище. Причем установлено, что частота вызываемых толчков в большинстве случаев связана не столько с положением уровня воды, сколько со скоростью и величиной перепада уровня воды в водохранилище. Наблюдения показывают, что периоды усиления и ослабления сейсмичности могут продолжаться в течение нескольких лет.

Через год после сооружения на р. Колорадо в США плотины Гувер и заполнения водохранилища начались сейсмические толчки. Только за десять лет произошло более тысячи слабых толчков. Лишь однажды, спустя 4 года после сооружения плотины, произошло сильное землетрясение, энергия которого соответствовала суммарной энергии всех предшествующих землетрясений.

На полуострове Индостан на р. Койна в 1961 г. началось заполнение водохранилища объемом около 3 трлн. м3. В 1967 г. произошло 8-9-балльное землетрясение, в результате которого погибли 180 человек и еще 2000 человек получили ранения.

К моменту заполнения Нурекского водохранилища на р. Вахш (Таджикистан) было зарегистрировано 133 землетрясения. Очаги их располагались под водохранилищем вблизи плотины. В связи с перемещением центра нагрузки столба воды по мере заполнения водохранилища очаги землетрясения смещались.

Истощение биологической продуктивности

Уровень биологической продуктивности находится в полной зависимости от гидрологического режима (регулирование и снижение стока, изменение скорости и объема воды) и качества воды. Ухудшение этих показателей приводит к уменьшению пищевой базы и сокращению численности рыб в водоемах.

Изменение уровня подземных вод

Нерациональное использование подземных вод, особенно артезианских бассейнов, откачка подземных вод с разных горизонтов для питья, промышленных и хозяйственных целей и орошения, с одной стороны, приводят к загрязнению территории, а с другой — уменьшают объем подземных вод. В свою очередь, это приводит к подтоплению территории добычи, а также способствует опустыниванию водосборного бассейна.

Особенности загрязнения и изменения качества вод гидросферы суши

Естественные речные и озерные воды обычно бывают достаточно приемлемого качества для большинства потребителей и не требуют значительной очистки. Антропогенное вмешательство в гидросферу выражается в потреблении речных, озерных и подземных вод и сбрасывании сточных вод в существующую природную дренажную систему. Фактически деятельность человека постепенно превращает реки из дренажных систем в сточные канавы, иногда с достаточно высоким уровнем загрязнения, часто превышающим сотню ПДК по некоторым компонентам.

До тех пор пока в речных бассейнах преобладают природные геологические процессы, речной сток переносит естественные растворенные вещества. Однако по мере возрастания антропогенной деятельности воды суши начинают расходоваться не только в качестве питьевых ресурсов, но и в промышленности и коммунально-бытовом хозяйстве. Это усиливает миграцию химических веществ и приводит к их концентрации в природных водах, что ухудшает их качество. Часто в природную среду попадают вещества сугубо антропогенного происхождения, посторонние для природных условий, с неблагоприятными свойствами и к тому же токсичные. Общее количество загрязняющих веществ в водах суши огромно.

Больше всего воду потребляют энергетическая, химическая, целлюлозно-бумажная и металлургическая отрасли промышленности.

Крупные города сбрасывают в местные водотоки аномально большие количества использованной и плохо очищенной воды. Весьма велик объем вод, стекающих после полива и выпадения атмосферных осадков с обработанных химикатами и удобрениями сельскохозяйственных земель.

Объем сброса сточных вод в водоемы России в 1997 г. составил 59,3 км3. Из этого количества в реки ежегодно сбрасывается примерно 30 км3 загрязненных сточных вод, требующих 10-12-кратного разбавления, а для некоторых веществ —  50-200-кратного.

Загрязнение твердыми частицами. В реки, протекающие через крупные города, попадает обычно такое же количество загрязнителей, которое поступает со значительно больших неурбанизированных территорий. В книге С. П. Горшкова (1998) показано, что в США твердые частицы считаются загрязнителями номер один. Высокое содержание в воде глинистого материала резко снижает ее качество. Она становится непригодной для подачи в водораспределительные системы. На гидростанциях от содержания в речной воде большого количества взвешенных частиц быстрее изнашиваются лопасти турбин. Ускоренное накопление наносов в руслах рек ухудшает условия судоходства. Аккумулятивные процессы влияют на состояние пристаней, гаваней и судовых путей. Избыток наносов в реке приводит к быстрому заиливанию дна водохранилищ и фарватеров, а также к постепенной потере водорегулирующих функций водных систем. В замутненных водоемах понижается биологическая продуктивность. С взвешенными частицами в адсорбированной форме переносятся и оседают на дно различные токсичные вещества.

Загрязнение нефтью, нефтепродуктами и хлоридами. Это явление свойственно большинству материковых конечных водоемов, хотя переносчиками являются речные системы. Кроме пленок нефти, которые возникают во время аварий на нефтепроводах и речных судах, а также на добывающих предприятиях, в речные воды попадают бензпирен (ПДК = 5 мг/л) и другие ПАУ, особенно при сбросе стоков с нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий.

Распространено загрязнение речных вод полихлорированными бифенилами (ПХБ), которые используют в трансформаторах, конденсаторах и некоторых приборах и механизмах. В США ПХБ обнаружены практически во всех реках, их наличие зафиксировано в озерах. В частности, употребление рыбы из оз. Онтарио и р. Гудзон представляет опасность для людей, так как в ее мышцах обнаружено до десятков миллиграмм ПХБ на 1 кг живой массы. У людей, получивших повышенные дозы ПХБ, отмечаются поражения нервной системы и печени, а также развиваются различные кожные заболевания.

Практически повсеместно в реках, протекающих через крупные города, отмечается повышенное содержание хлоридов (NaCl, KCl, MgCl2). Причина этого — широкое применение этих солей в городах и поселках для ускорения таяния снега. Повышенное содержание хлоридов отмечается практически во всех речных бассейнах, дренирующих шоссейные дороги федерального и регионального масштабов.

Загрязнение детергентами

Присутствие в воде детергентов обусловливает: 1) появление у воды неприятного запаха и вкуса уже при концентрациях 1—3 мг/л при одновременном изменении цвета, усиление способности к пенообразованию; 2) нарушение кислородного режима; наличие дивергентов в концентрации около 1 мг/л приводит к тому, что на реках с медленным и спокойным течением интенсивность аэрации понижается на 60 % и более; 3) изменение естественного хода химических процессов в водоемах; 4) отравление гидробионтов, угнетение жизни в водоемах (летальная концентрация для планктона около 1 мг/л, а для рыб — 3 — 5 мг/л); 5) снижение эстетической ценности водных объектов и ограничение возможностей их использования в рекреационных целях; 6) затруднения в отдельных случаях при навигации, особенно для движения мелких судов и лодок.

Загрязнение биогенными веществами. Разнообразные питательные вещества, илы биогенного происхождения и различные соединения азота и фосфора, которые содержатся в продуктах горения органического и минерального топлива, в неочищенных промышленных и коммунальных стоках, поступают в поверхностные воды суши. Они могут попадать как со стоком воздушным путем от транспорта и стационарных промышленных установок, так со стоком разнообразных вод. Избыток биогенов ведет к цветению водоемов.

Содержащиеся в воде нитраты опасны для здоровья людей, так как в соединении с пищевыми нитратами повышается их допустимая доза в организме. В этом случае у людей и животных возникают острые желудочно-кишечные расстройства и различные заболевания. Очень высокое содержание нитратов и нитритов в продуктах питания и воде приводит к тому, что у потребителей гемоглобин крови превращается в метагемоглобин. При замещении им 20% гемоглобина нарушается транспортировка в крови кислорода, а при замещении 80 % гемоглобина наступает смерть от метагемо-глобинемии. Заболевание детей этой болезнью отмечалось в США, Германии и Франции при наличии в воде более 64 мг/л нитратного азота. В ряде стран установлена прямая зависимость заболеваний раком от содержания нитратов в питьевой воде.

Бактерии и дрожжи восстанавливают нитраты до более токсичных нитритов. Нитриты — предшественники образования нитрозамитов, канцерогенных веществ в самой низкой концентрации. Нитрозамины способны вызвать рак легких, гематомы и лейкоз.

Считается, что суточное суммарное потребление азота нитратов с пищей и водой не должно превышать 200 мг, а азота нитритов — 10 мг. Согласно данным ВОЗ, ПДК азота нитратов в воде в условиях умеренного климата должна быть не более 22 мг/л, а в субтропическом и тропическом климатах — 10 мг/л. В России принятая ПДК азота нитратов в воде составляет 10 мг/л.

Минерализация вод

Этот процесс означает увеличение в водах содержания растворенных веществ. Усиление антропогенной деятельности привело к тому, что содержание в воде основных ионов, в частности хлоридов, сульфатов, гидрокарбонатов, кальция, магния, натрия и калия, стало сильно возрастать. Все они растворены в природных водах в зависимости от ландшафтно-климатических условий. В результате усиленной хозяйственной деятельности в настоящее время повышается минерализация вод вследствие развития орошения в бассейнах рек аридных районов, где возвратные воды приносят в реки много веществ, выщелоченных из почвенных горизонтов. В низовьях р. Сырдарьи минерализация, составлявшая менее 1 г/л, за 30 лет увеличилась до 3 г/л. Такая же картина характерна для рек Амударья и Колорадо. На р. Колорадо на границе США и Мексики построена специальная опреснительная установка, снижающая минерализацию воды. Это связано с тем, что между США и Мексикой заключено соглашение, по которому с территории США должна вытекать речная вода строго определенного качества.

Загрязнение тяжелыми металлами

В водные объекты тяжелые металлы попадают воздушным путем, со сточными водами и со свалок. Попадая в воздух в результате сжигания твердого и жидкого топлива, а также в виде отходов при цементном производстве, выплавке металлов, производстве удобрений, красок, тяжелые металлы переносятся воздушными массами на различные расстояния, постепенно оседая в водных бассейнах. Сбросы сточных вод предприятиями цветной металлургии, угольной, текстильной и химической промышленности отличаются повышенным содержанием тяжелых металлов. По степени токсичности они располагаются в такой последовательности: Нg > Cu > Cd > Рb > As.

Опасность загрязнения воды тяжелыми металлами, так же как и некоторыми токсичными веществами, связана с тем, что в результате функционирования организмов эти токсичные элементы постепенно накапливаются в теле и скелетах животных, доходя до опасных для жизнедеятельности доз. Тяжелые металлы, переходя из воды в биоту, концентрируются в ней все больше и больше при движении по трофической пирамиде. В 1953 г. в г. Минамата (Япония) произошла вспышка болезни, которая в тяжелой форме поражала нервную систему людей и домашних животных и часто заканчивалась летальным исходом. Эта болезнь была вызвана тем, что в одноименный залив длительное время сбрасывались стоки, содержащие медь, цинк, олово и ртуть. Тяжелые металлы концентрировались в морепродуктах, которые использовали в пищу жители г. Минамата. Болезнь, получившая название болезни Минамата, была зафиксирована в округе Ниигата в 1965 г. Особенность этой болезни состоит в том, что она передается по наследству, а возбудителями ее являются этилртуть и особенно метилртуть. Они образуются при биогеохимических процессах из других соединений, содержащих ртуть в донных илах.

Тяжелые металлы и некоторые микроэлементы, находящиеся в повышенных количествах в питьевой воде, влияют на здоровье людей.

Тепловое загрязнение

Оно представляет очень серьезное явление с негативными последствиями. Теплота, которую необходимо отводить и рассеивать при работе тепловых и атомных электростанций, составляет около половины того количества энергии, которое выделяется при сжигании топлива. На тепловых станциях большой мощности расходуется около 60 м3 воды для охлаждения 1 т пара. При мощности турбин 500—600 тыс. кВт водопотребление для этой цели составляет 13—15 м3/с летом и 11 — 18 м3/с зимой. Поэтому при прямоточном водоснабжении крупной конденсационной тепловой электростанции расход сбрасываемых в водоемы отработанных тепловых вод составляет 90 м3/с и более, а в год — до 2,7 км3 (С. П. Горшков, 1998).

Вода, проходя через систему охлаждения конденсаторов турбин, нагревается на 8—14°С и может достигнуть температуры до 38°С. Сбрасываемая вода охлаждается за счет испарения и конвекции, которые зависят от турбулентно-диффузионных явлений, имеющихся в водоемах, и от способов сброса. Большинство зон сброса подогретых вод и принимающих их акваторий имеют значительные площади. Зимой в зоне подогрева не образуется ледовый покров. Теплым водам свойственны неравномерное распределение биогенных веществ, вариации условий минерализации органического вещества, ускорение течения химических и биохимических реакций и процессов.

При повышении температуры воды до 30—35°С биологические процессы становятся вялотекущими, а водная экосистема заметно обедненной. На отдельных участках водоема наблюдаются ослабление фотосинтетической деятельности планктона, гибель рыб и донных гидробионтов. В придонной зоне обнаруживается большой дефицит кислорода вплоть до появления в ней сероводородного заражения. Ухудшается и санитарно-микробиологическое состояние воды, патогенная микрофлора не только выживает при повышенных температурах, но и способна размножаться. Это делает водоемы-охладители потенциально опасными в эпидемиологическом отношении.

В теплой воде создаются благоприятные условия для размножения грибковых организмов, повышается выживаемость у некоторых гельминтов человека, являющихся паразитами у определенных видов рыб. Важное эпидемиологическое значение имеют данные о распространении в подогретых водах условно-патогенной микрофлоры, с которой связывают более 50% всех острых кишечных заболеваний.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.