Мониторинг загрязнения поверхностных вод. Первичный анализ и экологическая интерпретация уровня и поведения гидрохимических показателей

Практическая работа № 1

Первичный анализ и экологическая интерпретация уровня и поведения гидрохимических показателей

Состав и объём контролируемых показателей качества воды при гидрохимических исследованиях определяются характером использования водного объекта, видом загрязнения и требованиями потребителей информации. Помимо визуальных наблюдений (фиксируются наличие и характер плёнки на поверхности воды, посторонняя окраска, “цветение”, пена, выделение пузырьков донных газов, гибель рыбы и др.) и измерения расхода воды на водотоках или уровня на водоёмах, в программу наблюдения за качеством воды включаются измерение температуры, цветности, прозрачности, запаха, рН и Еh, концентрации О₂ и СО₂, взвешенных веществ, главных ионов и их суммы, органических веществ (по ХПК и БПК), биогенных веществ и основных загрязняющих веществ (нефтепродукты, СПАВ, фенолы, пестициды, тяжёлые металлы).

Температура. Температура воды – важный фактор, влияющий на протекающие в водоёме физические, химические, биохимические и биологические процессы, от которого в значительной мере зависит кислородный режим, интенсивность процессов самоочищения и т.д.

Кислород. Кислород является одним из важнейших растворённых газов, постоянно присутствующих в поверхностных водах, режим, которого в значительной степени определяет химико-биологическое состояние водоёмов. Главными источниками поступления кислорода в поверхностные воды являются процессы абсорбции его из атмосферы и продуцирование в результате фотосинтетической деятельности водных организмов. Обогащение глубинных слоёв воды кислородом (аэрация) происходит в результате перемешивания, в том числе ветрового, водных масс, вертикальной температурной циркуляции. Потребление кислорода в воде связано с химическими и биохимическими процессами окисления органических и некоторых неорганических веществ (Fe²⁺, Mn²⁺, NH₄⁺, H₂S, CH₄, H₂ и др.), а также с дыханием водных организмов. Скорость потребления кислорода увеличивается с повышением температуры, количества бактерий и других водных организмов и веществ, подвергающихся химическому и биохимическому окислению.

В поверхностных водах содержание кислорода может колебаться от 0 до 14 мг/л и подвержено значительным сезонным и суточным колебаниям.

Ионы водорода (рН). рН воды – один из важнейших показателей качества вод. Величина концентрации ионов водорода имеет большое значение для химических и биологических процессов, происходящих в водных объектах. От величины рН зависит развитие и жизнедеятельность водных растений, устойчивость различных форм миграции элементов, агрессивное действие воды на металлы и бетон.

Содержание водородных ионов в природных водах в основном определяется количественным и качественным соотношением концентраций угольной кислоты и её ионов. Воды, содержащие большое количество растворённой двуокиси углерода, имеют кислую реакцию (рH < 6,5). Для поверхностных вод, содержащих небольшие количества двуокиси углерода, характерна щелочная реакция (pH > 7,5). Изменения рН тесно связаны с процессами фотосинтеза (из-за потребления СО₂ водной растительностью) и распада органических веществ. Источником ионов водорода являются также гумусовые кислоты, присутствующие в кислых почвах, перегное и болотных водах.

Величина концентрации ионов водорода (рН) в речных водах обычно колеблется в пределах 6,5-8,5, в атмосферных осадках – 4,6-6,1, болотах – 5,5-6,0, океане – 7,9-8,3. рН воды шахт и рудников достигает иногда единицы, а содовых озёр и термальных источников – десяти.

Органический углерод (С_орг). Органический углерод является наиболее надёжным показателем суммарного содержания органических веществ (ОВ) в природных водах. По этому показателю и его вариациям можно судить об интенсивности биохимических процессов, об уровне загрязнения и процессах самоочищения природных вод.

Состав и содержание ОВ в поверхностных водах определяются совокупностью многих различных по своей природе и скорости процессов. Важнейшие из них: посмертные и прижизненные выделения гидробионтами; поступление с атмосферными осадками, с поверхностным стоком в результате взаимодействия атмосферных вод с почвами и растительным покровом на поверхности водосбора; поступление из других водоёмов, из болот, торфяников; поступление с промышленными и хозяйственно-бытовыми водами.

Содержание С_орг выражают в мг С/л. Наименьшая концентрация углерода растворённых ОВ в незагрязнённых водах составляет около 1 мг С/л, наибольшая – обычно не превышает 10-20 мг С/л. Содержание С_орг в загрязнённых водах обычно не ниже 10 мг С/л, а в водах сильно загрязнённых органическими соединениями, может достигать 100 мг С/л.

Биохимическое и химическое потребление кислорода. Важным индикатором загрязнения воды является такой показатель, как биохимическое потребление кислорода (БПК), показывающий то количество кислорода, которое затрачивается в процессе жизнедеятельности микроорганизмов на окисление имеющегося в воде ОВ и в первую очередь нестойкого (легкоусвояемого). Последнее в природных водах представлено прижизненными выделениями обитающих в воде организмов и их посмертными остатками. Стойкое (трудноусвояемое) ОВ представлено водорастворимым гумусом почвенного и планктонного происхождения и образуется при распаде отмерших организмов. Значительным источником нестойкого ОВ могут быть и попадающие в водоёмы сточные воды.

Обычно инкубация (хранение) отобранной в склянки воды проводится в течение 5 суток, в темноте, при 20 °С и обозначается через БПК₅. В поверхностных водах величины БПК₅ колеблются обычно в пределах от 0,5 до 4,0 мг О₂/л. По БПК₅ водоёмы с различной степенью загрязнённости классифицируются следующим образом: БПК₅ равное 0,5-1,0 – очень чистые; 1,1-1,9 – чистые; 2,0-2,9 – умеренно загрязнённые; 3,0-3,9 – загрязнённые; 4,0-10,0 – грязные; более 10,0 – очень грязные.

Для более быстрого измерения концентрации ОВ применяется такой показатель как химическое потребление кислорода (ХПК) или бихроматная окисляемость. В этом случае вместо микроорганизмов для окисления ОВ используется бихромат калия и серная кислота. Эта смесь окисляет практически все ОВ, содержащиеся в загрязненной воде, даже те, которые микроорганизмы окислять не могут или окисляют очень медленно. Поэтому величина бихроматной окисляемости является косвенным показателем суммарного содержания органических веществ.

Единицы в которых выражается ХПК, те же, что и единицы БПК, а именно мг О₂/л.

Азот и фосфор. Азот и фосфор относятся к числу важнейших биогенных элементов, концентрация которых в значительной степени определяет продуктивность водных объектов. Поэтому их содержание может служить одним из главных показателей настоящей и потенциальной эвтрофикации водоёмов и водотоков.

Значительная часть азотсодержащих органических соединений поступает в воду в процессе лизиса и автолиза клеток отмерших организмов, главным образом фитопланктона. Их количество определяется величинами биомассы гидробионтов и скоростью их отмирания и распада. Другим важным источником азотсодержащих соединений являются прижизненные их выделения водными организмами (водоросли, зоопланктон и другие гидробионты). К числу существенных источников азотсодержащих соединений относятся атмосферные осадки. Значительные повышения содержания азотистых соединений нередко связаны с загрязнением их сельскохозяйственными, промышленными и бытовыми стоками. Главными факторами понижения содержания азотистых соединений являются потребление их водными организмами, в основном фитопланктоном и бактериями, и процессы денитрификации.

Азот в поверхностных водах содержится в виде ряда неорганических и разнообразных органических соединений: растворённый молекулярный азот; минеральные формы азота – нитратные (NO₃), нитритные (NO₂) и аммонийные ионы (NH₄); органические соединения азота (протеины, протеиды, полипептиды, аминокислоты, амины, амиды, мочевина и др.).

Рис. 1. Сезонный ход гидрохимических параметров в воде реки Дон.

Соединения фосфора поступают в поверхностные воды в результате процессов жизнедеятельности и посмертного распада организмов, выветривания и растворения пород, содержащих ортофосфаты, обмена с донными отложениями, поступления с поверхности водосбора. Важным фактором повышения содержания соединений фосфора в поверхностных водах, нередко приводящим к значительной эвтрофикации водоёмов, является хозяйственная деятельность человека (применение фосфорных удобрений, полифосфатов – моющие средства, при биологической переработке бытовых сточных вод и пищевых остатков и др.).

В природных водах соединения фосфора находятся в растворённом, коллоидном и взвешенном состоянии. Концентрация фосфатов в поверхностных водах составляет сотые и тысячные доли мг Р/л, в загрязненных водах она может достигать нескольких мг Р/л.

Задание к практической работе № 1

Проанализировать сезонный ход гидрохимических параметров в воде р. Дон, водозабор г. Ростов-Н/Д (рис. 1): 1) Описать особенности и закономерности сезонных изменений гидрохимических параметров в воде р. Дон. 2) Дать объяснение установленным особенностям и закономерностям сезонных изменений гидрохимических параметров.

Практическая работа № 2

Комплексная оценка качества поверхностных вод по индексу загрязнённости воды (ИЗВ)

Для оценки загрязнения крупных водных объектов очень широко используется такой интегральный показатель как индекс загрязнённости воды (ИЗВ₆), который рассчитывается как сумма приведённых к ПДК фактических значений шести основных показателей качества воды:

ИЗВ₆ = Σ ( С_i / ПДК _i )

где С_i – концентрация загрязняющего вещества, мг/л; ПДК_i – предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества, мг/л.

Классификация качества поверхностных вод по значению ИЗВ₆ производится согласно табл. 1.

Таблица 1 – Классификация качества поверхностных вод по ИЗВ₆

Ход работы.

1. В начале подсчитывается отношение С_i / ПДК_i для каждого ингредиента и показателя в каждом створе (без учёта О₂, БПК₅ и минерализации).

2. По вышеприведённой формуле рассчитывают ИЗВ₆ в каждом пункте наблюдения. Для этого рассчитывают среднее арифметическое шести наибольших значений отношения С_i / ПДК_i.

3. По значению ИЗВ₆ согласно таблице 1 по семибалльной шкале определяют класс чистоты воды для всех станций опробования.

Задание к практической работе № 2

1. Рассчитайте комплексный индекс загрязнения воды (ИЗВ₆) для всех станций опробования (табл. 2)

2. Установите класс чистоты (по ИЗВ₆) для каждой станции отбора проб.

3. Дайте сравнительную характеристику степени загрязнения воды станций опробования. Выделить самые загрязнённые и самые чистые участки, с указанием перечня приоритетных загрязнителей каждой станции опробования.

4. Какие источники могут определять высокие уровни загрязнения воды в рассматриваемых створах?

5. Дайте характеристику вод каждой станции опробования по минерализации, содержанию О₂, БПК₅ и биогенных элементов.

Таблица 2 – Загрязнённость поверхностных вод р. Дон и её притоков

Поиск по сайту: