Загрязнение гидросферы

Вода представляет собой один из наиболее важных компонентов, обеспечивающих жизнь на нашей планете. Обладая рядом уникальных свойств, она влияет на протекающие в экосистемах сложнейшие физико-химические и биологические процессы. К таким свойствам относятся очень высокие
и максимальные среди жидкостей теплоемкость, теплота плавления и испарения, поверхностное натяжение, растворяющая способность и диэлектрическая проницаемость, прозрачность. Они создают потенциальную возможность накопления в воде очень большого количества самых разнообразных
загрязняющих веществ, в том числе патогенных микроорганизмов.

Кроме того, в последние десятилетия существенное влияние на гидросферу и водный баланс планеты стал оказывать сам человек. Антропогенные преобразования вод континентов уже достигли глобальных масштабов, нарушая естественный режим даже крупнейших озер и рек земного шара. Этому способствовало строительство гидротехнических сооружений (водохранилищ, оросительных каналов, систем переброски вод), увеличение площади орошаемых земель, обводнение засушливых территорий, урбанизация, загрязнение пресных вод промышленными, коммунальными стоками и т. д.

Под водопотреблением понимают использование водных ресурсов для удовлетворения нужд населения, промышленности, сельского хозяйства и т. д. Различают два типа водопотребления: возвратное
подразумевает возвращение забранной воды в источник (используется в промышленности водохранилищ, коммунальном хозяйстве), а при безвозвратном вода расходуется на фильтрацию, испарение и т. п. (в основном применяется в сельском хозяйстве). Хотя запасы речных вод невелики (всего 1200 км³ или 0,0001 % от объема всей гидросферы), они, обладая значительной способностью к возобновлению и самоочищению, обеспечивают основной объем потребляемой воды в быту и хозяйстве.

Бытовое потребление воды в современном городе составляет 200…300 л на человека, поэтому город с населением 3 млн чел. в сутки потребляет до 20 млн м³ воды, а в год — до 1 км³, причем к качеству бытовой воды предъявляются высокие требования по совокупности органических качеств.

Главными показателями качества воды являются ионный состав, общее солесодержание, цветность, запах и вкус, жесткость, щелочность, содержание железа, марганца и некоторых других элементов.

В настоящее время качество природных вод во многих районах Земли ухудшилось настолько, что использовать их для водоснабжения невозможно. Основной объем воды (около 96 %) сосредоточен в Мировом океане. Воды суши, представляющие наибольший интерес в экологическом отношении, подразделяют на поверхностные, не защищенные от загрязнения (озера, водохранилища, водотоки), и более защищенные подземные воды.

В естественных условиях химический состав вод регулируется природными процессами, благодаря которым поддерживается равновесие между поступлением химических элементов в воду и выведением их из нее. Лишь на отдельных (обычно небольших) участках наблюдаются аномальные концентрации некоторых микроэлементов. Антропогенное же изменение химического состава вод обусловлено попаданием в гидросферу огромного количества сточных вод, содержащих отходы промышленного и сельскохозяйственного производства, коммунально-бытовые стоки. Они уменьшают в реках, озерах и грунтовых водах количество растворенного кислорода, изменяют условия разложения органических веществ, увеличивают концентрации азота, фосфора, различных металлов, хлорорганических соединений
и прочих ядохимикатов, т. е. в конечном счете влекут за собой ухудшение качества воды.

Истощение вод — это сокращение количества воды в водном объекте, происходящее под влиянием человеческой деятельности и носящее устойчивый характер. Зачастую недостаток пресной воды обусловлен качественным истощением водных ресурсов, т. е. загрязнением и засорением водотоков и водоемов различными химическими веществами и мусором.

Водотоки и водоемы считаются загрязненными, если в результате деятельности человека состав или состояние их вод подвергается изменению до такой степени, что они становятся непригодными для целей, которым они служили до начала их использования человеком. Загрязнение поверхностных природных вод — это процесс изменения физических, химических или биологических свойств природных вод при попадании в них различных веществ, который может оказать вредное воздействие на человека и природу, а также ограничить возможности использования воды.

Веществом, загрязняющим воду, является каждое соединение, вызывающее нарушение норм качества воды. Наиболее опасны химические загрязнители воды: они делают ее непригодной для питья или же вредной для гидробионтов.

Среди загрязнителей водной среды выделяют:

• легко поддающиеся разложению органические вещества (бытовые стоки);
• трудно или совсем не поддающиеся разложению органические вещества (главным образом промышленные стоки);
• соли (хлориды, сульфаты, нитраты и пр.);
• соединения тяжелых металлов (ртути, кадмия, свинца, ниобия и др.).

Под засорением поверхностных природных вод следует понимать поступление в водотоки и водоемы посторонних нерастворимых предметов, например древесины, металлолома, шлака, строительного мусора и т. д. Серьезно засоряет поверхностные воды лесосплав, когда источником загрязнения является затонувшая древесина и различные попутные отходы.

Примеси, поступающие в водные объекты и загрязняющие их, можно подразделить на три вида:

• минеральные — песок, глина, различные золы, шлаки, растворы солей, кислот, щелочей, эмульсии масел, радиоактивные и другие неорганические соединения;
• органические — разнообразные вещества растительного и животного происхождения, а также многочисленные отходы в виде смол, фенолов, крсителей, спиртов, альдегидов, серо- и хлорсодержащих органических соединений и т. д.;
• биологические — болезнетворные бактерии и вирусы, возбудители инфекций, попадающие в водоемы и водотоки с бытовыми сточными водами и стоками некоторых производств.

Специфическими токсическими свойствами обладают сточные воды содовых, сернокислотных, азотно-туковых заводов, электрохимических производств, заводов черной металлургии, машиностроительных предприятий, рудников по добыче руд, содержащих цветные металлы. Эти стоки содержат оксиды, гидроксиды, соли тяжелых металлов, цианиды, роданиды, щелочи, мышьяк. Столь же опасны сточные воды химических, коксохимических, газосланцевых предприятий, содержащие смолистые вещества, фенолы, меркаптаны, органические кислоты, альдегиды, спирты, красители. Негативный вклад вносят и горнодобывающие предприятия.

Помимо взвешенных веществ, в состав стока входят различные растворенные химические вещества и биогенные элементы. Органическое вещество в поверхностном стоке (как, впрочем, и во всех природных водах) имеет настолько разнообразный состав, что охарактеризовать его химически довольно затруднительно. Поэтому оценку уровня загрязнения производят по косвенным показателям, используя тест на биохимическую потребность в кислороде (БПК₅), который позволяет определить количество кислорода, расходуемого в процессе бактериального разложения органического вещества в течение 5 сут при стандартных условиях. Для этой же цели иногда используют тест на химическую потребность в кислороде (ХПК), но он характеризует общее содержание органики, а не ту часть, которая легче разлагается бактериями, и не дает представления о скорости потребления кислорода. ХПК дождевого стока может изменяться в пределах 30…1500 мг кислорода на 1 л, а БПК₅ — в пределах 3…150 мг кислорода на 1 л.

Одними из самых опасных загрязнителей водных ресурсов в настоящее время стали поверхностно-активные вещества (ПАВ). Они снижают способность воды к насыщению кислородом, парализуют деятельность микроорганизмов, разрушающих органические вещества, и сами плохо поддаются биохимическому разложению.

Серьезным источником загрязнения внутриконтинентальных водотоков и водоемов следует считать речной транспорт, с которого поступают подсланевые воды, содержащие нефтепродукты, отработанные масла и канцерогенные полициклические углеводороды, хозяйственно-бытовые стоки, сухой мусор с судов, нефть и другие жидкие и твердые отходы.

В последние годы в связи с нарастающими объемами сельскохозяйственного производства все большую значимость приобретает проблема загрязнения природных вод поверхностным стоком с полей, лесов и других угодий.

Условно такие загрязнители природных вод можно подразделить на три группы:

• биогенные вещества, поступающие в реки и водоемы в результате вымывания удобрений из почвы;
• ядохимикаты (пестициды, инсектициды, гербициды, дефолианты и др.), смываемые с полей или распыляемые с самолетов;
• продукты водной эрозии почв, включающие в себя органические и неорганические вещества, а также ядохимикаты.

Главным источником биогенных элементов в поверхностных водах все больше становятся удобрения. Одним из наиболее неблагоприятных последствий загрязнения водоемов является эвтрофикация (эвтрофирование) — ускоренное повышение их биопродуктивности в результате накопления в воде биогенных веществ. Иногда биопродуктивность водоемов повышается и за счет естественных факторов, но, как правило, это достаточно быстро компенсируется внутренними способностями экосистемы.

В связи с непрерывно возрастающим загрязнением поверхностных вод подземная гидросфера становится практически единственным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения населения. Поэтому ее рациональное использование и охрана от загрязнения и истощения имеют важнейшее экологическое значение. Положение усугубляется тем, что пригодные для питья подземные воды залегают в самой верхней, наиболее подверженной загрязнению части артезианских бассейнов и других  гидрогеологических структур, а реки и озера составляют всего 0,019 % общего объема  воды. Опасность загрязнения подземных вод заключается в том, что подземная гидросфера (особенно артезианские бассейны) является конечным резервуаром накопления загрязнителей как поверхностного, так и глубинного происхождения.

Еще один значительный источник загрязнений подземных вод представляет собой сельское хозяйство. Навозохранилища при крупных животноводческих комплексах, построенные из сборного железобетона, повсеместно протекают, впрочем, в те годы, когда строили эти сооружения, никто не помышлял о необходимости их изоляции от внешней среды. Кроме протечек, в весеннее время они, как правило, переполняются за счет полой воды и становятся мощными точечными источниками загрязнений. Наибольшую опасность представляют указанные сооружения при свиноводческих фермах вследствие гельминтозного и другого патогенного загрязнения.

Применение пестицидов опасно широким площадным распространением, их высокой миграционной способностью, стойкостью некоторых продуктов их распада и загрязненностью самих примесей, токсичность которых зачастую еще не полностью оценена.

Особую опасность создает применение фосфороорганических пестицидов, которые представляют собой сильнодействующие токсины, вызывающие массовую гибель птиц (сизых голубей, дроздов, скворцов и др.).

Использование удобрений в растениеводстве при неразвитой агротехнике способно, при всех успехах в повышении урожайности, нанести большой вред качеству грунтовых вод.

Тепловые электростанции опасны для подземных вод тепловым загрязнением, т. е. формированием повышенного температурного поля, в котором процессы взаимодействия подземных вод с естественными и искусственными органическими веществами идут более интенсивно.

Освоение подземного пространства не может пройти незаметно для режима подземных вод. Заглубление фундаментов под уровень грунтовых вод, укладка тоннелей, в том числе и метрополитенов, коллекторов и т. п. уменьшает площадь поперечного сечения потока грунтовых вод, что вызывает подъем их уровня.

Глобальную проблему представляет загрязнение Мирового океана. Это географический объект со специфическим геологическим и геоморфологическим строением, геохимическими и физико-химическими процессами, которые протекают в толще вод и донных отложений. Он отличается особым характером обмена энергии, вещества, информации в процессах взаимодействия с атмосферой и поверхностью литосферы — дном, а также своим растительным и животным миром и имеет колоссальное экологическое значение в функционировании биосферы Земли.

Общеизвестно, что вода в океане соленая. Морская вода — это многоэлементный и к тому же питательный раствор, в котором природа выращивает миллиарды тонн растительного вещества. Масса растворенных солей достигает астрономической величины — 48 млрд т; при этом на долю хлористого натрия приходится 38 млрд т. Но самое удивительное в этом растворе — это не огромное количество солей, а постоянство их соотношения между собой. Соленость меняется в зависимости от испарения, речного стока и атмосферных осадков, тогда как состав солей — глобальная константа. Средняя соленость воды океана 35 %. В открытом океане она практически неизменна.

Сегодня Мировой океан привлекает серьезное внимание человека как хранилище огромных минерально-химических и энергетических ресурсов. Во многих районах дно Мирового океана устлано крупными железомарганцевыми конкрециями, запасы которых составляют до 300…350 млрд т; обнаружены месторождения меди, алмазов, каменного угля, не говоря уже о запасах нефти и газа. Например, прогнозные оценки запасов морской нефти составляют 60…150 млрд т.

Мировой океан является источником богатейших биологических, промышленно-сырьевых и энергетических ресурсов, но их эффективное освоение возможно только в случае радикального решения проблемы защиты океанических вод от загрязнения.

Загрязнение Мирового океана связано главным образом с поступлением в его акваторию огромного количества антропогенных вредных веществ (нефтяных углеводородов, биогенных компонентов, пестицидов, тяжелых металлов, радионуклидов и др.). Постоянно увеличивающаяся нагрузка на Мировой океан ведет к постепенной деградации морских экосистем и другим неблагоприятным экологическим последствиям.

Особую опасность для морских экосистем представляет нефтяное загрязнение, так как по последним оценкам примерно 20…30 % поверхности Мирового океана покрыто нефтяными пленками. Эти пленки, чрезвычайно тонкие, но весьма активные, способны нарушать важнейшие  физико-химические процессы в океане, что приводит к весьма нежелательным последствиям глобального масштаба, а на более низких уровнях отрицательно влияет на функционирование гидробиоценозов. Нефтяные пленки, будучи молекулярно устойчивыми, накапливаются в поверхностном слое воды, донных осадках, морских организмах и, передаваясь по трофическим цепям, создают угрозу здоровью человека при употреблении им в пищу рыбы и морепродуктов.

Основными источниками радиоактивного загрязнения Мирового океана являются:

• испытания ядерного оружия;
• сброс радиоактивных отходов непосредственно в море;
• крупномасштабные аварии (ЧАЭС, аварии судов с атомными двигателями-реакторами);
• захоронение радиоактивных отходов на дне.

Подводя итог, следует отметить, что особое внимание при изучении современного состояния загрязненных водных систем необходимо уделять долговременному эффекту воздействия низких доз загрязнителей (близких, но не равных ПДК). Установлено, что это оказывает более пагубное влияние на популяции водных организмов, чем острое, но кратковременное токсичесское воздействие. Кроме того, каждый водоем уникален из-за больших различий в химическом составе, скорости перемешивания, температурного режима, вертикальной зональности водной массы и других характеристик.