Рациональное использование и охрана водных ресурсов

2.2 Характеристика водной среды

 

Вода как химическая субстанция, уникальна по своему строению и по своим свойствам. Вода это прозрачная жидкость без запаха, вкуса и без цвета. Её молекулярная масса - 18,0160. Максимальная плотность дистиллированной воды - 1 г/см3, при температуре 3,9820 С и давлении 1 атм. Являясь уникальным растворителем, она растворяет больше солей и других веществ, чем любая другая жидкость, она окисляет почти все металлы и разрушает самые твёрдые горные породы. Это объясняется тем, что диэлектрическая проницаемость воды - 81,0 при 200 С, тогда как у большинства других тел она находится в пределах 2-3, за исключением ряда кислот (муравьиная - 58, ацетон - 21) и цианистого водорода, у которого этот показатель равен 1076.

Вода в форме сферических капель имеет наименьшую поверхность при заданном объёме. Поверхностное натяжение равно 72,75 дин/см, являясь необходимым условием для капиллярных процессов. Удельная теплоёмкость воды выше, чем у большинства веществ (кроме водорода и аммиака) и составляет при 1000 С 0,487 кал/г-град, а при 150 С равна 1,000 кал/г-град. Она обладает способностью поглощать большое количество теплоты и сравнительно мало при этом нагреваться, при этом поглощение дополнительной теплоты происходит при неизменности температуры в процессе замерзания и при кипении. Температура замерзания воды понижается при увеличении давления примерно на 10 С на каждые 130 атм. Температура кипения при давлении 1 атм - 1000 С, а её составные части кипят при отрицательной температуре: водород при -2530 С, кислород при - 1800 С. Вода способна к полимеризации - соединению большого числа молекул обычной воды. Такая вода имеет ряд совершенно новых физических свойств, в частности она кипит при температуре в 5-6 более высокой, чем обычная.

Водные среды отличаются друг от друга по многим показателям. Наиболее важные представлены в нижеследующей классификации [6].

По солесодержанию природные воды делятся на:

-        пресные (< 1 г/л);

-        солоноватые (< 1-10 г/л);

-        соленые(> 10 г/л).

По степени минерализации пресные воды в свою очередь делятся на:

-        маломинерализованные (< 0,2 г/л);

-        средней минерализации (0,2-0,5 г/л);

-        повышенной  минерализации (0,5-1,0 г/л).

По содержанию соответствующих анионов воды делятся на классы:

-        гидрокарбонатные (преобладает анион HCO3-);

-        сульфатные;

-        хлоридные.

По преобладающему катиону делятся на группы воды, классифицированные по анионам:

-        кальциевая (преобладает  катион Са2+);

-        магниевая;

-        натриевая.

По значению общей жесткости, Ж0, мг-экв/л:

-        малой жесткости (Ж0 < 1,5);

-        средней (Ж0 = 1,5-3,0);

-        повышенной (Ж0 = 3-6);

-        высокой (Ж0 = 6-12);

-        очень высокой (Ж0 > 12).

По степени дисперсности примеси природных вод подразделяют на:

- истинно растворенные (ионно- или молекулярнодисперсные) – распределенные в воде в виде отдельных ионов, молекулы коллоидно-дисперсные с размером частиц от 1 до 100 нм;

- грубодисперсные – с размером  частиц более 100 нм.

По химическому составу примеси природных вод можно разделить на 2 типа: минеральные и органические.

К минеральным примесям относятся растворенные в воде содержа­щиеся в атмосфере газы N2, О2, СО2, образующиеся в результате окис­лительных и биохимических процессов NН3, СН4, H3S, а также газы, вносимые сточными водами; различные соли, кислоты, основания, в значительной степени находящиеся в диссоциированной форме, то есть в виде образующих их катионов и анионов.

К органическим примесям относят гумусовые вещества, вымывае­мые из почв и торфяников, а также органические вещества различ­ных типов, поступающие в воду совместно с сельскохозяйственными стоками и другими типами недостаточно очищенных стоков.

По степени загрязненности органическими веществами природные воды можно разделить на 4 группы, характеризующи­еся определенной окисляемостью (мг О/л ):

-  малая – 5;

-  средняя – 5-10;

-  повышенная – 10-20;

-  сильная – > 20.

Особенно богаты органическими веществами поверхностные воды болотного типа, а подземные воды бедны органическими веществами

2.3 Роль воды в природе и  хозяйственной деятельности человека

 

Среди всех веществ имеющихся на Земле, вода, благодаря своеобразию своих физических и химических свойств, занимает исключительное положение в природе и играет особо важную роль в жизни человека.

Значительное количество воды человек использует в своей повседневной жизни. Использованные воды, как правило, загрязнены, и если они не проходят специальной очистки, то загрязняют и природные воды – реки, озера, подземные воды.

Загрязненные природные воды ухудшают экологическую ситуацию в биогеоценозе, ведут к гибели существующих природных форм, ставят под сомнение возможность выживания различных форм высших организмов, в том числе и человека. В условиях повсеместного загрязнения окружающей среды, в том числе ухудшения качества природных вод, одной из актуальнейших проблем выживания человечества становится проблема обеспечения людей питьевой водой высокого качества7.

Человек не может жить без воды. Его тело на 70%, кровь – на 90%, мышцы – на 75% состоят из воды. В костях человека содержится около 25% воды. Без пищи человек может прожить 2-3 месяца, а без воды погибает через неделю. Обезвоживание организма ведет к тому, что все биохимические процессы, протекающие в отсутствии влаги, ведут к необратимым последствиям во всех органах.

С водой в организм человека поступают минеральные вещества, вода обеспечивает движение всех материальных и энергетических потоков в теле человека, и даже температура тела регулируется при помощи воды.

Известны случаи, когда спасшиеся при кораблекрушении люди без пресной воды в течение несколько часов сходили с ума от страха умереть от жажды. Вода – это жизнь!

В то же время отсутствие в питьевой воде основных минеральных солей приводит к нарушению водно-солевого баланса организма, что вызывает различные заболевания.

Оптимальный уровень содержания солей в питьевой воде составляет 200-500 мг/л. Суточная потребность организма в воде питьевого качества – от 1.5 до 2.0 л.

Вода играет исключительно важную роль в природе. Она создает благоприятные условия для жизни растений, животных, микроорганизмов. Вода остается жидкостью в температурном интервале, наиболее благоприятным для их жизненных процессов, для огромного количества организмов она является средой обитания. Уникальные свойства воды представляют неповторимую ценность для жизнедеятельности организмов. В водоемах вода замерзает сверху вниз, это имеет большое значение для обитающих в них организмов.

Вода оказывает смягчающее влияние на погодно-климатические условия. Она постоянно перемещается во всех сферах Земли, вместе с циркуляционными потоками атмосферы - на большие расстояния.

Вода играет огромную роль в жизнеобеспечении человека. Она используется им непосредственно для питья, хозяйственных нужд, как средство передвижения и сырья для получения промышленных и с/х продуктов, имеет рекреационное значение, велика ее эстетическая значимость. Таково далеко не полное перечисление роли воды в природе и жизни человека

2.4 Загрязнение водных ресурсов

 

Под загрязнением водоемов понимается снижение их биосферных функций и экономического значения в результате поступления в них вредных веществ.

К числу наиболее вредных химических веществ относят нефть и нефтепродукты. В связи с ростом добычи, транспортировки, переработки и потребления нефти расширяются масштабы загрязнения природы. 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. Первыми жертвами загрязнения нефтепродуктами морских пространств оказываются птицы. Их оперение, когда они садятся на поверхность воды, затянутой пленкой нефти, утрачивают свои теплоизоляционные свойства. Вскоре птица погибает в результате кровоизлияния и расстройств вызванных нарушением терморегуляции. Но не только птицы страдают от действия нефтепродуктов, поскольку пленка нефти препятствует насыщению воды кислородом, прекращается жизнедеятельность организмов, в частности планктона. Кроме того, некоторые компоненты нефти действуют как настоящие яды на морских беспозвоночных, в особенности на ракообразных и даже на рыб8.

Растворимые компоненты нефти являются очень ядовитыми. Присутствие их в морской воде приводит к гибели их обитателей. Они отрицательно влияют на вкусовые качества морских животных. Если оплодотворенную икру рыбы поместить в аквариум, с весьма незначительной концентрацией нефтепродуктов, то большинство зародышей погибает. А многие из уцелевших оказываются уродами. Негативное влияние нефти на живые организмы выражается в нарушении работы ферментативного аппарата, нервной системы и в патологическом изменении тканей и органов. Для морских обитателей нефть - своего рода наркотик. Замечено, что некоторые рыбы «хлебнув» однажды нефти, уже не стремятся покинуть отравленную зону. Нефтяное загрязнение - это грозный фактор, влияющий на жизнь всего мирового океана.

Из других загрязнителей необходимо назвать металлы (например, ртуть, свинец, цинк, медь, хром, олово, марганец), радиоактивные элементы, ядохимикаты, поступающие с сельскохозяйственных полей, и стоки животноводческих ферм. Наибольшую опасность для водной среды из металлов представляют ртуть, свинец и их соединения.

Ежедневно с земли в океан поступает до 5000 тонн ртути, используемой в сельском хозяйстве и промышленности. Загрязнение ртутью значительно снижает первичную продуктивность морских вод. В зонах наибольшей концентрации отмечается уменьшение количества мельчайших зеленых водорослей, синтезирующих органические вещества и выделяющих кислород. Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном, а затем, по пищевой цепочке, передаются высокоорганизованным организмам. В результате в рыбах и морских млекопитающих металлы могут накапливаться в опасных концентрациях9.

Расширенное производство (без очистных сооружений) и применение ядохимикатов на полях приводят к сильному химическому 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 воде 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 умирает10.

Мировая продукция пестицидов достигает больших масштабов. Относительная химическая устойчивость многих из этих соединений, а так же характер распространения, способствовали их поступлению в моря и океаны. Постоянное накопление в воде хлорорганических веществ представляет серьезную угрозу для жизни людей.

Моря и океаны, через реки непосредственно с суши, с судов и барж сбрасываются жидкие и твердые отходы. Часть этих загрязнений оседают в прибрежной зоне, а часть под влиянием морских течений, рассеивается в разных направлениях. В поверхностном слое моря, в огромных количествах развиваются бактерии и не только полезные, играющие большую роль в жизни моря. В последнее время, вблизи крупных городов, все чаще появляются патогенные виды бактерий возбудители желудочно-кишечных заболеваний. Это следствие выпуска в море бытовых сточных вод без предварительной их биологической очистки.

Одним из видов загрязнения водоемов является тепловое загрязнение. Электростанции, промышленные предприятия часто сбрасывают подогретую воду в водоем. Это приводит к повышению в нем температуры воды. С повышением температуры в водоеме уменьшается количество кислорода, увеличивается токсичность загрязняющих воду примесей, нарушается биологическое равновесие.

В загрязненной воде с повышением температуры начинают бурно размножаться болезнетворные микроорганизмы и вирусы. Попав в питьевую воду, они могут вызвать вспышки различных заболеваний.

В ряде регионов важным источником пресной воды являлись подземные воды. Раньше они считались наиболее чистыми. Но в настоящее время в результате хозяйственной деятельности человека многие источники подземной воды также подвергаются загрязнению. Нередко это загрязнение настолько велико, что вода из них стала непригодной для питья11.

Человечество потребляет на свои нужды огромное количество пресной воды ― в основном на промышленные и сельскохозяйственные нужды. Наиболее водоемкие отрасли промышленности ― горнодобывающая, сталелитейная, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная и пищевая. На них уходит до 70 % всей воды, затрачиваемой в промышленности. Главный же потребитель пресной воды ― сельское хозяйство: на его нужды уходит 60-80 % всей пресной воды.

Подсчеты показывают, что на все виды водопользования тратится 2200 км воды в год. На разбавление стоков уходит почти 20 % ресурсов пресных вод мира. Расчеты на 2005 год показывают, что если даже очистка охватит все сточные воды, все равно на их разбавление потребуется 30-35 тыс. км пресной воды. Это означает, что ресурсы полного мирового речного стока будут близки к исчерпанию.

Уже в настоящее время недостаток пресной воды испытывают не только территории, которые природа обделила водными ресурсами, но и многие регионы, еще недавно считавшиеся благополучными в этом отношении. В настоящее время потребность в пресной воде не удовлетворяется у 20 % городского и 75 % сельского населения планеты.