Параметры качества окружающей среды пресной воды
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( август 2022 г. ) |
| Часть серии о |
| Загрязнение |
|---|
 |
Параметры качества окружающей среды пресной воды – это те химические, физические или биологические параметры, которые можно использовать для характеристики пресноводного объекта. Поскольку почти все водные объекты имеют динамичный состав, соответствующие параметры качества обычно выражаются в виде диапазона ожидаемых концентраций.
Они включают естественные и антропогенные химические , биологические и микробиологические характеристики рек , озер и грунтовых вод , способы их измерения и способы их изменения. Значения или концентрации, приписываемые таким параметрам, могут использоваться для описания состояния загрязнения окружающей среды, ее биотического статуса или для прогнозирования вероятности или отсутствия присутствия определенных организмов. Мониторинг параметров качества окружающей среды является ключевым видом деятельности в управлении окружающей средой, восстановлении загрязненной окружающей среды и прогнозировании воздействия антропогенных изменений на окружающую среду.
Характеристика
[ редактировать ]Первым шагом в понимании химического состава пресной воды является установление соответствующих концентраций интересующих параметров. Обычно это делается путем отбора репрезентативных проб воды для последующего анализа в лаборатории. Однако также используется мониторинг на месте с использованием ручного аналитического оборудования или береговых станций мониторинга.
Выборка
[ редактировать ]Пробы пресной воды удивительно трудно отбирать, поскольку они редко бывают однородными , а их качество меняется в течение дня и года. Кроме того, наиболее репрезентативные места отбора проб часто находятся на расстоянии от берега или отмели, что усложняет логистику.
Реки
[ редактировать ]Наполнить чистую бутылку речной водой — очень простая задача, но одна проба репрезентативна только для той точки реки, из которой была взята проба, и в этот момент времени. Понимание химического состава всей реки или даже крупного притока требует предварительного исследования, чтобы понять, насколько однородным или смешанным является поток, и определить, меняется ли качество в течение дня и в течение года. Почти все естественные реки будут иметь очень значительные изменения в течение дня и в зависимости от сезона. Дистанционное зондирование воды предлагает пространственно непрерывный инструмент для улучшения понимания пространственного и временного качества речной воды. Многие реки также имеют очень большой невидимый поток. Он протекает через нижележащие слои гравия и песка и называется гипорейным потоком . Степень смешивания гипорейной зоны с водой в открытом канале будет зависеть от множества факторов, некоторые из которых связаны с потоками, покидающими водоносные горизонты , которые могли хранить воду в течение многих лет.
Грунтовые воды
[ редактировать ]Грунтовые воды по своей природе зачастую очень труднодоступны для отбора проб. Как следствие, большая часть данных о подземных водах поступает из проб, взятых из родников , колодцев , скважин водоснабжения и естественных пещер . В последние десятилетия, поскольку потребность в понимании динамики грунтовых вод возросла, в водоносных горизонтах было пробурено все больше контрольных скважин.
Озера
[ редактировать ]Озера и пруды могут быть очень большими и поддерживать сложную экосистему, в которой параметры окружающей среды сильно различаются во всех трех физических измерениях и со временем. Крупные озера умеренного пояса в теплые месяцы часто расслаиваются на более теплые верхние слои, богатые кислородом, и более холодный нижний слой с низким содержанием кислорода. Осенью понижение температуры и периодические сильные ветры приводят к смешиванию двух слоев в более однородное целое. Когда происходит расслоение, оно влияет не только на уровень кислорода, но и на многие связанные с ним параметры, такие как железо , фосфат и марганец , которые изменяются в своей химической форме из-за изменения окислительно-восстановительного потенциала окружающей среды.
Озера также получают воду, часто из разных источников разного качества. Твердые частицы из притоков ручья обычно оседают вблизи устья ручья, и в зависимости от множества факторов поступающая вода может плавать над поверхностью озера, опускаться под поверхность или быстро смешиваться с озерной водой. Все эти явления могут исказить результаты любого мониторинга окружающей среды , если процесс не будет хорошо изучен.
Зоны смешивания
[ редактировать ]Там, где две реки встречаются в месте слияния, существует зона смешения. Зона смешения может быть очень большой и простираться на многие мили, как в случае рек Миссисипи и Миссури в Соединенных Штатах , а также рек Клуид и Элви в Северном Уэльсе . В зоне смешивания химический состав воды может быть очень изменчивым и его трудно предсказать. Химические взаимодействия представляют собой не просто простое смешивание, но могут осложняться биологическими процессами, происходящими от погруженных макрофитов , а также притоком воды в русло из гипорейной зоны или из источников, дренирующих водоносный горизонт.
Геологические ресурсы
[ редактировать ]Геология, лежащая в основе реки или озера, оказывает большое влияние на их химический состав. Река, текущая по очень древним докембрийским сланцам , вероятно, очень мало растворила скалы и, возможно, похожа на деионизированную воду, по крайней мере, в верховьях. И наоборот, река, текущая через меловые холмы, особенно если ее исток находится в меле, будет иметь высокую концентрацию карбонатов и бикарбонатов кальция , и, возможно магния .
По мере продвижения реки по своему течению она может проходить через различные геологические типы и может иметь приток воды из водоносных горизонтов, которые не появляются на поверхности нигде в данной местности.
Атмосферные факторы
[ редактировать ]Кислород, вероятно, является наиболее важным химическим компонентом химического состава поверхностных вод, поскольку всем аэробным организмам он необходим для выживания. Он попадает в воду в основном за счет диффузии на границе раздела вода-воздух. Растворимость кислорода в воде снижается с повышением температуры воды. Быстрые, турбулентные потоки подвергают воздействию воздуха большую часть поверхности воды и, как правило, имеют низкие температуры и, следовательно, больше кислорода, чем медленные заводи. Кислород является побочным продуктом фотосинтеза, поэтому системы с высоким содержанием водных водорослей и растений также могут иметь высокие концентрации кислорода в течение дня. Эти уровни могут значительно снизиться ночью, когда первичные продуценты переключаются на дыхание. Кислород может быть лимитирующим, если циркуляция между поверхностными и более глубокими слоями плохая, если активность животных очень высока или происходит большое количество органического распада, например, после осеннего листопада.
Большинство других выбросов в атмосферу происходит из антропогенных или антропогенных источников, наиболее значительными из которых являются оксиды серы, образующиеся при сжигании богатого серой топлива, такого как уголь и нефть , которые вызывают кислотные дожди . [1] Химия оксидов серы сложна как в атмосфере , так и в речных системах. Однако влияние на общий химический состав простое: снижается pH воды, делая ее более кислой. Изменение pH наиболее заметно в реках с очень низкой концентрацией растворенных солей, поскольку они не могут смягчить воздействие кислотного воздействия. Реки, расположенные ниже по течению от крупных промышленных городов, также подвергаются наибольшему риску. В некоторых частях Скандинавии , Западного Уэльса и Шотландии многие реки стали настолько кислыми из-за оксидов серы, что большая часть рыбной жизни была уничтожена, а во время критических погодных условий уровень pH достигал 4. [2]
Антропогенный вклад
[ редактировать ]Большинство рек на планете и многие озера получили или получают ресурсы в результате деятельности человечества. В промышленно развитых странах многие реки были очень серьезно загрязнены, по крайней мере, в XIX и первой половине XX веков. Хотя в целом в развитом мире произошли значительные улучшения, на планете по-прежнему наблюдается значительное загрязнение рек.
Токсичность
[ редактировать ]В большинстве экологических ситуаций присутствие или отсутствие организма определяется сложной сетью взаимодействий, лишь некоторые из которых связаны с измеримыми химическими или биологическими параметрами. Скорость потока, турбулентность, межвидовая и внутривидовая конкуренция, пищевое поведение, болезни , паразитизм , комменсализм и симбиоз — это лишь некоторые из проблем и возможностей, с которыми сталкивается любой организм или популяция. Большинство химических компонентов благоприятствуют одним организмам и менее благоприятны другим. Однако в некоторых случаях химический компонент оказывает токсическое действие. т.е. там, где концентрация может убить или серьезно затруднить нормальное функционирование организма. Если был продемонстрирован токсический эффект, это можно отметить в разделах ниже, посвященных отдельным параметрам.
Химические компоненты
[ редактировать ]Цвет и мутность
[ редактировать ]Часто наиболее очевидной визуальной характеристикой является цвет пресной воды или ее прозрачность или мутность. К сожалению, ни цвет, ни мутность не являются надежными индикаторами общего химического состава воды. Однако и цвет, и мутность уменьшают количество света, проникающего в воду, и могут оказывать существенное воздействие на водоросли и макрофиты. Некоторые водоросли особенно сильно зависят от воды слабого цвета и мутности.
Многие реки, дренирующие высокогорные болота, покрытые торфом, имеют очень насыщенный желто-коричневый цвет, обусловленный растворенными гуминовыми кислотами .
Органические компоненты
[ редактировать ]Одним из основных источников повышенных концентраций органических химических компонентов являются очищенные сточные воды.
Растворенный органический материал чаще всего измеряется с помощью теста биохимической потребности в кислороде (БПК) или теста химической потребности в кислороде (ХПК). Органические компоненты играют важную роль в химии рек из-за их влияния на концентрацию растворенного кислорода и воздействия, которое отдельные органические виды могут оказывать непосредственно на водную биоту.
Любой органический и разлагаемый материал при разложении потребляет кислород. Там, где концентрации органических веществ значительно повышены, воздействие на концентрацию кислорода может быть значительным, а когда условия становятся экстремальными, русло реки может стать бескислородным .
Некоторые органические компоненты, такие как синтетические гормоны , пестициды , фталаты, оказывают прямое метаболическое воздействие на водную биоту и даже на человека, пьющего воду, взятую из рек. Понимание таких компонентов и того, как их можно идентифицировать и количественно оценить, становится все более важным в понимании химии пресной воды.
Металлы
[ редактировать ]В реках из природных источников можно обнаружить широкий спектр металлов, где металлические руды присутствуют в горных породах, по которым течет река, или в водоносных горизонтах, питающих воду в реку. Однако во многих реках наблюдается повышенная нагрузка металлов из-за промышленной деятельности, которая включает добычу полезных ископаемых, а также обработку и использование металлов.
Железо
[ редактировать ]Железо, обычно в виде Fe +++ является обычным компонентом речных вод при очень низких уровнях. Более высокие концентрации железа в кислых источниках или бескислородной гипорейной зоне могут вызвать видимые оранжевые/коричневые пятна или полустуденистые осадки плотных оранжевых железобактериальных хлопьев , покрывающих русло реки. Такие условия очень губительны для большинства организмов и могут нанести серьезный ущерб речной системе.
Добыча угля также является очень важным источником железа как в шахтных водах, так и на складах угля и в результате переработки угля. Давно заброшенные шахты могут стать труднопреодолимым источником высоких концентраций железа. Низкий уровень железа часто встречается в родниковых водах, берущих начало из глубоких водоносных горизонтов и, возможно, считающихся целебными источниками. Такие источники обычно называют железистыми источниками, и они дали начало ряду курортных городов в Европе и Соединенных Штатах.
Цинк
[ редактировать ]Цинк обычно связан с добычей металлов, особенно с добычей свинца и серебра, но он также является компонентом загрязнителя, связанным с различными видами деятельности по добыче металлов и добычей угля . Цинк токсичен в относительно низких концентрациях для многих водных организмов. Микрорегма начинает проявлять токсическую реакцию уже при концентрации 0,33 мг/л. [3]
Тяжелые металлы
[ редактировать ]Свинец и серебро в речных водах обычно встречаются вместе и связаны с добычей свинца. Воздействие очень старых шахт может быть очень продолжительным. Например, в реке Иствит в Уэльсе последствия добычи серебра и свинца в 17 и 18 веках в верховьях до сих пор вызывают неприемлемо высокие уровни цинка и свинца в речной воде вплоть до ее впадения в море. Серебро очень токсично даже в очень низких концентрациях, но не оставляет видимых следов своего загрязнения.
Свинец также очень токсичен для пресноводных организмов и человека, если вода используется в качестве питьевой. Как и в случае с серебром, загрязнение свинцом не видно невооруженным глазом. день . До конца XIX века в верховьях реки Рейдол на западе Уэльса располагалась крупная серия свинцовых рудников, а сбросы шахт и свалки отходов сохраняются и по сей В 1919–1921 годах в нижнем Рейдоле было обнаружено всего 14 видов беспозвоночных, когда концентрации свинца находились в пределах 0,2–0,5 ppm. К 1932 году концентрация свинца снизилась до 0,02-0,1 ppm из-за прекращения добычи полезных ископаемых, и при этих концентрациях донная фауна стабилизировалась до 103 видов, включая трех пиявок . [4]
Добыча угля также является очень важным источником металлов, особенно железа, цинка и никеля, особенно там, где уголь богат пиритом , который окисляется при контакте с воздухом, образуя очень кислый фильтрат , способный растворять металлы из угля.
Значительные уровни меди в реках необычны, и там, где она встречается, источником, скорее всего, является горнодобывающая деятельность, заготовка угля или свиноводство . Редко повышенные уровни могут иметь геологическое происхождение. Медь крайне токсична для многих пресноводных организмов, особенно для водорослей, при очень низких концентрациях, а значительные концентрации в речной воде могут оказывать серьезное неблагоприятное воздействие на местную экологию.
Азот
[ редактировать ]Азотистые соединения имеют множество источников, включая вымывание оксидов азота из атмосферы, некоторые геологические поступления, а также макрофитами и водорослями фиксацию азота . Однако для многих рек, находящихся вблизи населенных пунктов, наибольший вклад вносят сточные воды, как очищенные, так и неочищенные. Азот образуется из продуктов распада белков, содержащихся в моче и фекалиях . Эти продукты, будучи хорошо растворимыми, часто проходят процесс очистки сточных вод и сбрасываются в реки как компонент сточных вод очистки сточных вод. Азот может находиться в форме нитрата , нитрита , аммиака или солей аммония или так называемого альбуминоидного азота или азота, находящегося внутри органической протеиноидной молекулы.
Различные формы азота относительно стабильны в большинстве речных систем: нитрит медленно превращается в нитрат в хорошо насыщенных кислородом реках, а аммиак превращается в нитрит/нитрат. Однако в прохладных реках этот процесс протекает медленно, и снижение концентрации чаще можно объяснить простым разбавлением. Все формы азота поглощаются макрофитами и водорослями, а повышенные уровни азота часто связаны с разрастанием растений или эвтрофикацией . Это может привести к блокировке каналов и затруднению навигации . Однако с экологической точки зрения более существенное влияние оказывает концентрация растворенного кислорода, которая может стать перенасыщенной в дневное время из-за фотосинтеза растений , но затем упасть до очень низкого уровня в темноте, поскольку дыхание растений использует растворенный кислород. В сочетании с выделением кислорода при фотосинтезе происходит образование ионов бикарбоната, которые вызывают резкое повышение pH, что сопровождается в темноте углекислого газа выбросом при дыхании, что существенно снижает pH. Таким образом, высокие уровни азотистых соединений имеют тенденцию приводить к эвтрофикации с резкими колебаниями параметров, что, в свою очередь, может существенно ухудшить экологическую ценность водотока.
Ионы аммония также оказывают токсическое действие, особенно на рыб . Токсичность аммиака зависит как от pH, так и от температуры, и дополнительная сложность заключается в буферном эффекте границы раздела кровь/вода через жаберную мембрану , который маскирует любую дополнительную токсичность при pH выше 8,0. Управление химией рек во избежание экологического ущерба особенно сложно в случае с аммиаком, поскольку необходимо учитывать широкий спектр потенциальных сценариев концентрации, pH и температуры, а также учитывать суточные колебания pH, вызванные фотосинтезом. В теплые летние дни с высокими концентрациями бикарбонатов могут возникнуть неожиданно токсичные условия.
Фосфор
[ редактировать ]Соединения фосфора обычно встречаются в виде относительно нерастворимых фосфатов в речной воде, и, за исключением некоторых исключительных обстоятельств, их источником являются сельскохозяйственные или человеческие сточные воды. Фосфор может способствовать чрезмерному росту растений и водорослей и способствовать эвтрофикации . Если река сбрасывается в озеро или водохранилище, фосфаты могут ежегодно мобилизоваться в результате естественных процессов. Летом озера расслаиваются так, что теплая вода, богатая кислородом, плавает поверх холодной воды, бедной кислородом. В теплых верхних слоях – эпилимнионе – растения потребляют имеющийся фосфат. Когда растения умирают в конце лета, они падают в нижние слои прохладной воды – гиполимнион – и разлагаются. Во время зимнего оборота, когда под действием ветров на остывающий водоем озеро полностью перемешивается, фосфаты снова разносятся по озеру, питая новое поколение растений. Этот процесс является одной из основных причин устойчивого цветения водорослей на некоторых озерах.
Мышьяк
[ редактировать ]Геологические отложения мышьяка могут попадать в реки, где эксплуатируются глубокие грунтовые воды, как в некоторых частях Пакистана . Многие металлоидные руды, такие как свинец, золото и медь, содержат следы мышьяка, а плохое хранение отходов может привести к попаданию мышьяка в гидрологический круговорот .
Твердые вещества
[ редактировать ]Инертные твердые вещества образуются во всех горных реках, поскольку энергия воды помогает измельчать камни до гравия, песка и более мелкого материала. Большая часть этого оседает очень быстро и обеспечивает важный субстрат для многих водных организмов. Многим лососевым рыбам для откладывания икры требуются слои гравия и песка. [5] Многие другие виды твердых частиц, образующихся в сельском хозяйстве, горнодобывающей промышленности, карьерах, городских стоках и сточных водах, могут блокировать солнечный свет из реки и блокировать пустоты в гравийных пластах, делая их бесполезными для нереста и поддержания жизни насекомых.
Бактериальные, вирусные и паразитарные воздействия
[ редактировать ]Как сельское хозяйство, так и очистка сточных вод приводят к попаданию в реки очень высоких концентраций бактерий и вирусов, включая широкий спектр патогенных организмов. Даже в районах с незначительной человеческой деятельностью можно обнаружить значительные уровни бактерий и вирусов, происходящих от рыб и водных млекопитающих, а также от животных, пасущихся возле рек, таких как олени . В горных водоемах, где обитают овцы , козы и олени, также могут обитать разнообразные условно-патогенные паразиты человека, такие как печеночный двуустка . Следовательно, существует очень мало рек, воду из которых можно пить без какой-либо стерилизации или дезинфекции. В реках, используемых для контактного отдыха, например, для купания, на основе оценки риска можно установить безопасные уровни бактерий и вирусов.
При определенных условиях бактерии могут колонизировать пресную воду, иногда образуя большие плоты нитевидных матов, известных как канализационный гриб – обычно Sphaerotilus natans . Присутствие таких организмов почти всегда является индикатором сильного органического загрязнения , и ожидается, что оно будет сочетаться с низкими концентрациями растворенного кислорода и высокими значениями БПК.
Бактерии E. coli обычно обнаруживаются в рекреационных водах, и их присутствие используется для указания на наличие недавнего фекального загрязнения, но присутствие E. coli может не указывать на человеческие отходы. Кишечная палочка встречается у всех теплокровных животных. Кишечная палочка также была обнаружена у рыб и черепах. [6] Энтеробактерии могут также сохраняться в окружающей среде в грязи, отложениях, песке и почве в течение значительного времени. [7]
рН
[ редактировать ]На pH в реках влияют геология источника воды, атмосферные воздействия и ряд других химических загрязнителей. pH, скорее всего, станет проблемой только в горных реках с очень плохим буферным буфером, где атмосферные оксиды серы и азота могут очень значительно снизить pH до уровня pH 4, или в эвтрофных щелочных реках, где фотосинтетическое производство ионов бикарбоната в процессе фотосинтеза может поднять pH выше этого уровня. pH10.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Лайкенс, GE, У. Кин, Дж. М. Миллер и Дж. Н. Галлоуэй. 1987. Химия осадков с отдаленного наземного объекта в Австралии. Дж. Геофиз. Рез. 92(Д11):13299-13314.
- ^ Загрязнение воздуха, кислотные дожди и окружающая среда. Кеннет Мелланби, Комитет Уотта по энергетике, Спрингер, 1988 г. ISBN 1-85166-222-7 , ISBN 978-1-85166-222-7
- ^ Брингманн Г. и Кун Р., 1959, Токсическое воздействие сточных вод на водные бактерии, водоросли и мелких ракообразных, Gesund Ing 80, 115.
- ^ Лори, Р.Д. и Джонс, JRE, 1938, Фаунистическое восстановление загрязненной свинцом реки в северном Кардиганшире, Уэльс, Дж. Аним. Экол, 7, 272 -286
- ^ «Жизненный цикл лосося | Исследователи потоков» . www.streamexplorers.org . Проверено 15 сентября 2020 г.
- ^ Джон Дж. Кларк; Сатоши Исии; Майкл Дж. Садовски ; Рэндалл Э. Хикс (2008). «Источники и поглотители Escherichia coli у донных и пелагических рыб» (PDF) . Интерн. доц. Великие озера Рес . Проверено 7 июля 2017 г.
- ^ «Присутствие и источники фекальных колиформных бактерий в сообществах эпилитического перифитона озера Верхнее» (PDF) . Американское общество микробиологии. 2007 . Проверено 7 июля 2017 г.
