Природные процессы, влияющие на качество воды
Автор: Jamie Bartram, Richard Ballance
Несмотря на ухудшение качества воды почти всегда является результатом деятельности человека, некоторые природные факторы могут привести к тому, что качество воды падает ниже уровня, необходимого для конкретных целей. Такие природные факторы, как проливные дожди и ураганы приводят к чрезмерной эрозии и оползням, которые, в свою очередь, повышают содержание взвеси в реках и озерах. Сезонный круговорот в некоторых озерах может поднимать на поверхность воды с малым содержанием кислорода. Такие природные явления могут иметь частую либо случайную повторяемость. Постоянные природные факторы в некоторых районах могут сделать воду непригодной для питья или для других целей, например для орошения. Типичными примерами этого являются засоление поверхностных вод за счет испарения в засушливых и полузасушливых районах и высокого содержания соли некоторых подземных вод при определенных геологических условиях. Многие подземные воды обладают естественно высоким уровнем карбонатов (жесткость), что обусловливает необходимость их обработки перед использованием для определенных отраслей. Подземные воды в некоторых регионах характеризуются содержанием отдельных ионов (например, фтора) и токсичных элементов (таких как мышьяк и селен) в количествах, вредных для здоровья. В тоже время в воде содержатся другие элементы или соединения, способные вызвать другие проблемы (например, окрашивание санитарных приборов на железо и марганец). Природа и концентрация химических элементов и соединений в пресноводных системах могут быть изменены за счёт различных типов природных процессов, среди которых физические, химические, гидрологические и биологические. Перечень наиболее важных из этих процессов, влияющих на качество поверхностных вод, приведен в таблице 2.2.
Влияние на качество воды процессов, перечисленных в таблице 2.2, будет зависеть в значительной степени
от факторов окружающей среды, обусловленных климатическими, географическими и геологическими условиями.
Основными факторами окружающей среды являются:
- Расстояние от океана: объем морских брызг, богатых Na +, Cl-, Mg2+, SO42- и другими ионами.
- Климат и растительность: регулирование эрозии и минерального выветривания, концентрация растворенного вещества в результате испарений и эвапотранспирации.
- Литология: восприимчивость пород к выветриванию колеблется от 1 (гранит) до 12 (известняк), для более растворимых пород литология значительно больше (например, 80 для каменной соли).
- Наземная растительность: образование наземных растений и способа влияния разлагающейся растительной ткани на количество органического углерода и азотных соединений, обнаруженных в воде.
- Водная растительность: рост, вымирание и разложения водных растений и водорослей повлияет на концентрацию азотных и фосфорных питательных веществ, рН, карбонатов, растворенного кислорода и других химических веществ, чувствительных к окислению, т.е. к восстановлению условий. Водная растительность оказывает существенное влияние на химический состав озёрной воды и менее выраженно – на состав речной воды.
Таблица 2.2 Важные процессы, влияющие на качество воды
| Тип процессов | Основной процесс, протекающий в водном объекте | Водный объект |
| Гидрологические | Разбавление | Все водоёмы |
| Испарение | Поверхностные воды | |
| Перколяция и выщелачивание | Грунтовые воды | |
| Образование суспензий и оседание | Поверхностные воды | |
| Физические | Газообмен с атмосферой | Преимущественно реки и озёра |
| Испарение | Преимущественно реки и озёра | |
| Адсорбция/десорбция | Все водоёмы | |
| Подогрев и охлаждение | Преимущественно реки и озёра | |
| Диффузия | ||
| Химические | Фотодеградация | |
| Кислотные и основные реакции | Все водоёмы | |
| Окислительно-восстановительные реакции | Все водоёмы | |
| Растворение частиц | Все водоёмы | |
| Осаждение минераллов | Все водоёмы | |
| Ионный обмен1 | Грунтовые воды | |
| Биологические | Первичное производство | Поверхностные воды |
| Микробные отмирание и рост | Все водоёмы | |
| Разложение органических веществ | Преимущественно реки и озёра | |
| Биоаккумуляция2 | Преимущественно реки и озёра | |
| Разложение органических веществ3 | Преимущественно реки и озёра |
1 − Ионный обмен представляет собой замену распространенных катионов, например, глины, кальция натрия.
2 – Биоаккумуляция − результаты различных физиологических процессов, благодаря которым организм накапливает из воды конкретное вещество (ртуть и свинец, как распространённый примерам) либо взвешенные частицы.
3 − Разложение органических веществ является увеличением концентрации данного вещества в пищевой цепи типа «зоопланктон → фитопланктон → рыбы-микрофаги → хищные рыбы → плотоядные → млекопитающие.
Под влиянием этих основных факторов окружающей среды, концентрации многих химических веществ в речной воде могут изменяться от сезона к сезону. В небольших водосборах (<100 км2), влияние одного фактора может привести к изменению на несколько порядков. По большинству определяемых величин качество воды, как правило, более статично в водоразделах больше, чем 100.000 км2, а изменения варьируют, как правило, в пределах одного порядка.
Рисунок 2.4 − Общий диапазон от общего числа растворенных твердых веществ в грунтовых водах
Как показано на рисунке 2.4., всего растворенных твердых веществ является суммой основных ионов Si+ в воде. Приближение этого значения может быть получено путем измерения электропроводности. Некоторые химические элементы имеют сильное сродство с твердыми частицами и, в результате осаждения / растворения и адсорбции / десорбции, они могут быть найдены только в следовых количествах в растворе. Другие же элементы, очень редко хорошо, если вообще присутствуют в воде в виде частиц. Тенденция химических веществ присутствовать в растворимой форме, а не в связанной с частицами выражается в виде Транспортного Индекса Растворимости (рис. 2.5). Твердые частицы отделяются от материала в растворе. Просачивание пробы воды осуществляется через фильтр с размером пор 0,45 мкм или 0,50 мкм. Признается, что несколько коллоидов, таких как гидроксиды железа, алюминия и марганца могут пройти через фильтр. Однако использование более тонких фильтров является очень дорогостоящим и требует длительного времени фильтрации.
Рисунок 2.5 Относительная шкала Транспортного Индекса Растворимости (химическое вещество представлено в растворимой форме)
Элементный состав частиц рек менее изменчив, чем растворенные концентрации этих же элементов. Это справедливо для крупных алюминиевых элементов, железа, кремния, кальция, магния, натрия, калия, марганца, титана и фосфора, но в меньшей степени для остатков мышьяка, кадмия, кобальта, хрома, меди, ртути, никеля, свинец, селен, олово, цинк и др., за исключением алюминия, железа, кальция и натрия, Состав основных элементов в частицах очень схожи в тропических реках и в умеренных и холодных реках. В небольших водоразделах местные геологические условия могут привести к широкому изменению концентрации микроэлементов в твердых частицах. В любом из водоемов качество воды может отличаться в зависимости от времени и места. Существует пять типов временных различий:
- минута к минуте, изо дня в день различия в результате смешения вод и колебаний входов, как правило, в результате метеорологических условий. Эти различия наиболее ярко проявляются в малых водоемах.
- суточные (24 часа) в результате изменения биологических циклов и циклов дневного света/темноты, которые вызывают изменения, например, растворенного кислорода и рН. Суточные модели также можно привести к с циклическим характерам сбросов сточных вод от бытовых и промышленных источников.
- Нерегулярные модели. Нерегулярные источники загрязнения включают удобрения, пестициды и гербициды, присутствующие в стоках сельскохозяйственных угодий, а также пищевые отходы, и отходы обработки растений. Полученные изменения качества воды могут являются несомненными при решении вопроса дней или месяцев.
- Сезонные биологические и гидрологические циклы.
- Тенденции от года к году, как правило, являются результатом роста человеческой деятельности в бассейне. Различия качества воды могут возникнуть в результате воздействия внешних или внутренних процессов. Внутренние процессы, как правило, циклические, ежедневных либо сезонных рецидивов, которые непосредственно не зависят от размера водоема. Внешние процессы, такие как выбросы загрязняющих веществ, могут быть буфером для крупных водоемов (в зависимости от режимов течения) и длинного времени пребывания в воде. В результате, средний состав очень большого озера, изменяется немного от одного года к другому. Кроме того, различия в качестве воды в разное время года будут гораздо большими для потока, чем для большой реки. Это означает, что частота дискретизации необходима для того, чтобы среднее качество воды, которое было правильно описано. Обычно гораздо больше для потока, чем на реке, на озерах, как правило, гораздо ниже, чем для рек. Отличие качества воды в зависимости от места в большей степени зависит от однородности воды тела, чем от его размера. Вода в озере, например, может быть адекватно описана одной пробой, взятой недалеко от центра озера. Длинное, тонкое озеро и озеро с большим количеством бухт и заливов потребует больше образцов, минимум 3, а оптимальное количество может составить 10 или больше. В озерах глубже 30 м, особенно важно получить образцы с разных глубин так, чтобы был получен вертикальный профиль. В зависимости от глубины озера до пяти образцов должны быть взяты на глубине, определяемой условиями, измеренными в поле (см. раздел 3.7.2).
Картины течений или режимов, той или иной реки будут результатом воздействия очень специфических условий. Если речь идёт о реках в окрестностях географического региона, то это будет говорить о широком влиянии высоты, экспозиции склона ветра и изменения количества осадков.