Мониторинг поверхностных вод

Железо, марганец

Железо, марганец - в натуральной  воде выступают преимущественно  в виде углеводородов, сульфатов, хлоридов, гумусовых соединений и иногда фосфатов. Присутствие ионов железа и марганца очень вредит большинству технологических процессов, особенно в целлюлозной и текстильной промышленности, а также ухудшает органолептические свойства воды. 
Кроме того, содержание железа и марганца в воде может вызывать развитие марганцевых бактерий и железобактерий, колонии которых могут быть причиной зарастания водопроводных сетей.

Хлориды

Хлориды – присутствие  хлоридов в воде может быть вызвано  вымыванием залежей хлоридов или же они могут появиться в воде вследствие присутствия стоков. Чаще всего хлориды в поверхностных водах выступают в виде NaCl, CaCl2 и MgCl2, причем, всегда в виде растворенных соединений.

Сульфаты (SO42-) – наряду с  хлоридами являются наиболее распространенными видами загрязнения в воде. Они поступают в воду вследствие вымывания осадочных горных пород, выщелачивания почвы и иногда вследствие окисления сульфидов и серы – продуктов расклада белка из сточных вод. Большое содержание сульфатов в воде может быть причиной болезней пищеварительного тракта, а также такая вода может вызывать коррозию бетона и железобетонных конструкций.

Растворенный  кислород

Поступление кислорода в  водоем происходит путем растворения  его при контакте с воздухом (абсорбции), а также в результате фотосинтеза  водными растениями. Содержание растворенного кислорода зависит от температуры, атмосферного давления, степени турбулизации воды, минерализации воды и др. В поверхностных водах содержание растворенного кислорода может колебаться от 0 до 14 мг/л. В артезианской воде кислород практически отсутствует. 
Относительное содержание кислорода в воде, выраженное в процентах его нормального содержания и называется степенью насыщения кислородом. Этот параметр зависит от температуры воды, атмосферного давления и уровня минерализации.

 

Растворимость кислорода  в зависимости от температуры  воды

Температура воды, °С	0	10	20	30	40	50	60	80	100
мг О2/дм3	14,6	11,3	9,1	7,5	6,5	5,6	4,8	2,9	0,0

 

3. Влияние гидрологических и метеорологических факторов на качество воды

По характеру факторы, определяющие формирование химического  состава природных вод, делятся на такие группы:

1. физико-географические (рельеф, климат, выветривание, почвенный покров);
2. геологические (состав горных пород, тектоническое строение, гидрогеологические условия);
3. физико-химические (химические свойства элементов, кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия, смешивание вод и катионный обмен);
4. биологические (жизнедеятельность живых организмов и растений);
5. антропогенные (искусственные) – все факторы, связанные с деятельностью человека.

Условия формирования природных  вод зависят от соотношения и  последовательности проявления указанных факторов. Их роль для поверхностных и подземных вод неодинакова. Например, физико-географические и биологические факторы в наибольшей мере влияют на состав поверхностных вод и являются второстепенными в процессе формирования подземных вод [3].

Физико-географические факторы

Рельеф – опосредованный фактор формирования состава воды. Он влияет на условия водообмена, от которых зависят минерализация и химический состав природных вод. Степень расчленённости рельефа определяет размеры поверхностного стока и дренированность подземных вод.

Климат, прежде всего, определяет метеорологические факторы, от которых зависит водный режим поверхностных и подземных вод. Основными метеорологическими элементами, влияющими на состав природных вод, являются атмосферные осадки, температура воздуха и испарения.

Испарение – один из наиболее важных факторов формирования минерализации и химического состава поверхностных и грунтовых вод. Этот фактор в наибольшей степени проявляет себя в районах, где отношение суммарного испарения к сумме атмосферных осадков является наибольшим, т.е. в пустынях, полупустынях и сухих степях. Под действием испарения в поверхностных водоёмах происходит выпадение солей (минералообразование), вначале менее, а затем и более растворимых. Воды гидрокарбонатные превращаются вначале в сульфатные, а затем в сульфатно-хлоридные.

Выветривание – существенное значение в формировании химического  состава природных вод имеет  физическое (механическое), химическое и биологическое выветривание горных пород.

Химическое выветривание горных пород состоит из таких  процессов: растворение, гидролиз, гидратация, окисление.

Биологическое выветривание особенно интенсивно происходит там, где  количество атмосферных осадков  превышает испаряемость, а температура достаточно высокая. Здесь образуется большая концентрация организмов, выделяющих колоссальные массы органических кислот, активно способствующих превращению кристаллических решёток первичных минералов.

Почвенный покров обогащает  воды ионами, газами, органическим веществом. Воздействие почвенного покрова на формирование вод является двойным: с одной стороны, почвы могут увеличивать минерализацию фильтрующихся сквозь них атмосферных осадков, а с другой – изменять химический состав грунтовых вод, вступающих во взаимодействие с почвами. Количественная сторона этих процессов определяется типом почв.

Геологические факторы

Горные породы являются ведущим  фактором формирования минерализации и химического состава природных вод. Главными растворимыми минералами, определяющими в основном химию природных вод, являются галит (NaCl), гипс (CaSO4•2H2O), кальцит (CaCO3), доломит (CaMg(CO3)2). Такие хорошо растворимые минералы, как мирабилит, астраханит, глауберит имеют узкое локальное распространение. Залегающая на глубине каменная соль обогащает воды натрия хлоридами. Минерализация в этом случае резко увеличивается. Хлоридные натриевые высокоминерализованные воды и рассолы встречаются во многих районах земного шара, их развитие сохраняется с распространением соленосных фаций, при выщелачивании которых они и образуются.

Физико-химические факторы

Присутствие в природной  воде того или иного элемента обуславливается не только его общим содержанием в породах и почвах, но и миграционной способностью, т.е. способностью перемещаться, зависящей от физико-химических констант данного иона и условий среды, в которой происходит миграция. Соединение внутренних и внешних факторов определяет динамику химических элементов в природных водах. К внутренним факторам относятся такие характеристики элементов, как валентность, ионные радиусы, ионные потенциалы; а к внешним – энергетика Земли, состав атмосферы, биогенные условия и климат.

Миграционная способность  элементов в значительной степени  зависит от рН выпадения гидроксидов. Большое количество химических элементов  подвижно в широком диапазоне рН и может интенсивно мигрировать как в кислой, так и в щелочной среде (натрий, калий, цезий, литий, рубидий, фтор, хлор, бром, йод и т.д.). В разбавленных растворах осаждение начинается при более высоких рН.

Гидролиз солей

Многие вещества вступают в реакцию обменного разложения, называющуюся гидролизом. Во время гидролиза наблюдается смещение равновесия диссоциации воды Н2О = Н+ + ОН- за счёт связывания одного из ионов ионами растворённого вещества с образованием малодиссоциированного или тяжелорастворимого соединения. Гидролиз – это химическое взаимодействие ионов растворённой соли с водой, которое сопровождается сменой реакции среды. Из-за оборотности гидролиза равновесие этого процесса зависит от всех факторов, влияющих на равновесие ионного обмена.

Катионный обмен является результатом взаимодействия, с одной  стороны, тонкодисперсной (глинистой) части горных пород, а с другой – водного раствора. Поэтому он влияет как на физические свойства породы, так и на химический состав воды.

Интенсивность катионного обмена зависит от многих факторов, главные из которых – степень дисперсности породы, природа обменных катионов, рН среды, концентрация электролитов в растворе. Так, чем выше дисперсность породы, тем больше её обменная способность. Поэтому влияние катионного обмена на химический состав воды заметно ощутимо в глинах и глинистых породах.

Биологические факторы

К этим факторам относится  жизнедеятельность растений и животных организмов. Они обуславливают, с  одной стороны, биогенную метаморфизацию природных вод, а с другой – в некоторых случаях обогащают воды микрокомпонентами.

Растительность влияет на характер почвенных реакций. Так, хвойные  леса способствуют увеличению кислотности  из-за кислых свойств их органических решёток (рН водной вытяжки из хвои = 4). Травянистая растительность – наоборот, способствует нагромождению щелочей в почвенных растворах.

Микроорганизмы играют особенно важную роль в процессах изменения химического состава природных вод. Они могут развиваться как в поверхностных, так и подземных водах, залегающих на глубине 1000 м и более, при температурах от нескольких градусов ниже ноля до 85-90°С. Диапазон минерализации вод, в которых находятся микроорганизмы, также широк: существуют галофильные бактерии в солёных водах. Однако в целом высокая минерализация и очень высокая температура подавляют жизнедеятельность бактерий.

Микроорганизмы разлагают  в водоёмах останки отмерших растительных и животных организмов. Этот процесс может завершиться полным распадом органических веществ с образованием простых минеральных соединений (СО2, Н2О, СН2 и других). Такая жизнедеятельность микроорганизмов имеет очень серьёзное значение для природной очистки вод.

Антропогенные (искусственные) факторы

К антропогенным относятся все факторы, которые влияют на формирование состава вод вследствие деятельности человека. В результате антропогенного воздействия в природные воды могут поступать как ионы, аналогичные тем, что обычно входят в состав незагрязнённых вод (хлориды, сульфаты, натрий и другие), так и компоненты, которые в природных водах не встречаются (пестициды, синтетические поверхностно-активные вещества, некоторые тяжёлые металлы).

Таким образом, антропогенные  факторы могут вызывать:

- повышение (или снижение) концентрации тех или иных  компонентов природных вод, присутствующих в незагрязнённых водах;

- перемену направленности  природных гидрохимических процессов; 
- обогащение вод веществами, чужеродными для природных вод.

4. Цели и задачи мониторинга

Экологический мониторинг (мониторинг окружающей среды) — это комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов

Мониторинг поверхностных  вод – система последовательных наблюдений, сбора и обработки данных о состоянии водных объектов, а также прогноза их изменений и разработки научно-обоснованных рекомендаций для принятия управленческих решений по улучшению состояния вод.

Основными задачами мониторинга  поверхностных вод являются наблюдение, оценка и прогноз качества воды. Система мониторинга вод выполняет лишь информационную роль и не охватывает элементы управления, т. к. является составляющей системы мониторинга окружающей среды.

Целью внедрения системы  наблюдений за водными объектами  является получение информации о естественном качестве воды и оценка изменения качества воды в результате влияния антропогенных факторов.

Служба наблюдения решает следующие задачи: 

- наблюдение за уровнем  загрязнения по физическим, химическим  и биологическим показателям; 

- изучение динамики содержания  вредных веществ и выявления  условий, при которых осуществляется колебание уровня загрязнения; 

- изучение закономерностей  процессов самоочистки и накопления  загрязняющих веществ в донных отложениях.