Розробка елективного курсу на тему Екологічний моніторинг водних об`єктів

2.2 Поверхневі води
Якість поверхневих вод залежить від поєднання кліматичних і геологічних факторів. Основним кліматичним фактором є кількість і частота опадів, а також екологічна ситуація в регіоні. Випадають опади несуть з собою певну кількість нерозчинених частинок, таких як пил, вулканічний попіл, пилок рослин, бактерії, грибкові спори, а іноді і більш великі мікроорганізми. Океан є джерелом різних солей, розчинених у дощовій воді. У ній можна виявити іони хлориду, сульфату, натрію, магнію, кальцію і калію. Промислові викиди в атмосферу також «збагачують» хімічну палітру, в основному за рахунок органічних розчинників і оксидів азоту і сірки, що є причиною випадання «кислотних дощів». Вносять свою лепту і хімікати, вживані в сільському господарстві. До числа геологічних чинників належить структура русла річок. Якщо русло утворене вапняковими породами, то вода в річці, як правило, прозора і жорстка. Якщо ж русло з непроникних порід, наприклад граніту, то вода буде м'якою, але каламутною за рахунок великої кількості зважених часток органічного та неорганічного походження. У цілому поверхневі води характеризуються відносною м'якістю, високим вмістом органіки і наявністю мікроорганізмів.
2.3 Грунтові води
Значна частина випадає дощової води, а також тала вода, просочується в грунт. Там вона розчиняє містяться в грунтовому шарі органічні речовини і насичується киснем. Глибше знаходяться піщані, глинисті, вапнякові шари. У них органічні речовини здебільшого фільтруються, але вода починає насичуватися солями та мікроелементами. У загальному випадку, на якість грунтових вод впливають кілька факторів.
1) Якість дощової води (кислотність, насиченість солями і т.д.).
2) Якість води в підводному резервуарі. Вік такої води може досягати десятків тисяч років.
3) Характер шарів, через які проходить вода.
4) Геологічна природа водоносного шару.
У найбільш значних кількостях у грунтових водах міститися, як правило, кальцій, магній, натрій, калій, залізо і в меншій мірі марганець (катіони). Разом з поширеними у воді аніонами - карбонатами, гідрокарбонатами, сульфатами і хлоридами - вони утворюють солі. Концентрація солей залежить від глибини. У найбільш «старих» глибоких водах концентрації солей настільки велика, що вони мають виразно солонуватим смаком. До цього типу відносяться більшість відомих мінеральних вод. Найбільш якісну воду отримують з вапнякових шарів, але глибина їх залягання може бути досить великий і добуріться до них - задоволення не з дешевих. Грунтові води характеризуються досить високою мінералізацією, жорсткістю, низьким вмістом органіки і практично повною відсутністю мікроорганізмів.
2.4 Проблеми водопостачання
Запаси прісної води являють собою єдиний ресурс. Розраховане на тривалу перспективу освоєння світових ресурсів прісної води вимагає цілісного підходу до використання цих ресурсів і визнання взаємозалежності між елементами, що складають запаси прісної води і визначають її якість. У світі існує мало регіонів, не порушених проблемами втрати потенційних джерел постачання прісною водою, погіршення якості води і забруднення поверхневих і підземних джерел. Основні проблеми, що негативно впливають на якість води річок і озер, виникають, в залежності від обставин, з різним ступенем гостроти в результаті невідповідної очищення побутових стічних вод, слабкого контролю за скиданням промислових стічних вод, втрати і руйнування водозбірних площ, нераціонального розміщення промислових підприємств, збезлісення, безконтрольною залежний системи землеробства і нераціональних методів ведення сільського господарства. Це призводить до вимивання поживних речовин і пестицидів. Порушується природний баланс водних екосистем, і виникає загроза для живих прісноводних ресурсів. У різних обставин на водні екосистеми впливають також проекти освоєння водних ресурсів з метою розвитку сільського господарства, такі, як греблі, схеми перекидання річкових стоків, водогосподарські споруди та іригаційні проекти. Ерозія, замулення, збезлісення і опустелення приводять до зростання деградації земель, а створення водосховищ у деяких випадках негативно позначається на екосистемах. Багато з цих проблем виникають внаслідок екологічно руйнівних моделей розвитку і відсутності розуміння проблем громадськістю та відповідних знань про охорону ресурсів поверхневих і підземних вод.
Ступінь впливу на навколишнє середовище та здоров'я людини піддається вимірюванню, хоча в багатьох країнах методи здійснення такого контролю є вельми неадекватними або взагалі не розроблені. Широко поширене нерозуміння взаємозв'язків між освоєнням, управлінням, раціональним використанням і очищенням водних ресурсів і водними екосистемами. Там, де це можливо, винятково важливо здійснювати профілактичні заходи, з тим щоб уникнути згодом дорогих заходів з відновлення, очищення та освоєння нових водних ресурсів. У більшості випадків вода, що надходить із свердловини, а часто і з муніципальної водопровідної системи, потребує попередньої обробки, метою якої є доведення якості води до діючих нормативів. Судити про якість води та її відповідність або невідповідність встановленим нормам можна тільки на підставі максимально повного хімічного і бактеріологічного аналізу. Тільки на основі аналізу можна робити остаточний висновок про ту проблему чи комплексі проблем, з якими доведеться мати справу.
Основні неприємності c водою, з якими доводиться стикатися користувачам наступні:
Наявність у воді нерозчинених механічних частинок, піску, суспензій, іржі, а також колоїдних речовин. Їх присутність у воді призводить до прискореного абразивного зносу сантехніки і труб, а також до їх засмічення. Присутність у воді розчиненого заліза і марганцю. Така вода спочатку прозора, але при відстоюванні або нагріві набуває жовтувато-бурого забарвлення, що є причиною іржавих патьоків на сантехніці. При підвищеному вмісті заліза вода також набуває характерного «залізистий» присмак. Жорсткість, яка визначається кількістю розчинених у воді солей кальцію і магнію. При їх високому вмісті можливі випадання осаду і поява білястих розлучень на поверхні ванни, миття і т.д. Солі кальцію і магнію, звані також солями жорсткості, є причиною виникнення всім добре відомої накипу. Порівняно нешкідлива в чайнику, накип, відкладаючись на стінках водонагрівальних пристроїв (бойлерів, колонок тощо), а також на стінках труб в лінії гарячої води, порушує процес теплообміну. Це призводить до перегріву нагрівальних елементів, перевитрати електроенергії і газу. Відкладення накипу є причиною до 90% аварій водонагрівачів. Наявність у воді неприємного присмаку, запаху і кольору. На ці три параметри, які прийнято називати органолептичними показниками, можуть впливати знаходяться у воді органічні речовини, залишковий хлор, сірководень. Бактеріологічна забрудненість. Викликана наявністю у воді різних мікробів або бактерій. Деякі з них можуть становити безпосередню загрозу здоров'ю і життю людини, але навіть порівняно безпечні бактерії в процесі своєї життєдіяльності виділяють органічні речовини, які не тільки впливають на органолептичні показники води, але і, вступаючи в хімічні реакції (наприклад з хлором), здатні створювати отруйні і канцерогенні сполуки. Природно, що наведений вище список не вичерпує всього різноманіття проблем, що виникають з водою, проте знайомить нас з основними з них.
2.5 Забруднення водних ресурсів
Під забрудненням водойм розуміється зниження їх біосферних функцій і економічного значення в результаті вступу до них шкідливих речовин. Одним з видів забруднення водойм є теплове забруднення. Електростанції, промислові підприємства часто скидають підігріту воду у водойму. Це призводить до підвищення в ньому температури води. З підвищенням температури у водоймі зменшується кількість кисню, збільшується токсичність забруднюючих воду домішок, порушується біологічна рівновага. У забрудненій воді з підвищенням температури починають бурхливо розмножуватися хвороботворні мікроорганізми і віруси. Потрапивши в питну воду, вони можуть викликати спалахи різних захворювань. У ряді регіонів важливим джерелом прісної води були підземні води. Раніше вони вважалися найбільш чистими. Але в даний час в результаті господарської діяльності людини багато джерел підземної води також піддаються забрудненню. Нерідко це забруднення настільки велике, що вода з них стала непридатною для пиття. Людство споживає на свої потреби величезна кількість прісної води. Основними її споживачами є промисловість і сільське господарство. Найбільш водоємні галузі промисловості - гірничодобувна, сталеливарна, хімічна, нафтохімічна, целюлозно-паперова і харчова. На них іде до 70% всієї води, що витрачається у промисловості. Головний же споживач прісної води - сільське господарство: на нього іде 60-80% усієї прісної води.
У сучасних умовах сильно збільшуються потреби людини у воді на комунально-побутові потреби. Обсяг споживаної води для цих цілей залежить від регіону і рівня життя, становив від 3 до 700 л на одну людину. З аналізу водокористування за 5-6 минулих десятиліть випливає, що щорічний приріст безповоротного водоспоживання, при якому використана вода безповоротно втрачається для природи, становить 4-5%. Перспективні розрахунки показують, що при збереженні таких темпів споживання та з урахуванням приросту населення та обсягів виробництва до 2100 р. людство може вичерпати всі запаси прісної води. Вже в даний час недолік прісної води відчувають не тільки території, які природа обділила водними ресурсами, а й багато регіонів, ще недавно вважалися благополучними в цьому відношенні. В даний час потреба у прісній воді не задовольняється в 20% міського і 75% сільського населення планети. Втручання людини у природні процеси торкнувся навіть великі річки (такі, як Волга, Дон, Дніпро), змінивши у бік зменшення обсяги переносимих водних мас (стік річок). Використовувана в сільському господарстві вода здебільшого витрачається на випар і утворення рослинної біомаси і, отже, не повертається у річки. Вже зараз у найбільш обжитих районах країни стік річок скоротився на 8%, а в таких рік, як Дон, Терек, Урал - на 11-20%. Дуже драматична доля Аральського моря, по суті, припинив існування через надмірне забору вод річок Сирдар'ї та Амудар'ї на зрошення. Обмежені запаси прісної води ще більше скорочуються через їх забруднення. Головну небезпеку представляють стічні води (промислові, сільськогосподарські та побутові), оскільки значна частина використаної води повертається у водні басейни у ​​вигляді стічних вод.
2.5.1 Забруднення поверхневих вод
Якість води більшості водних об'єктів не відповідає нормативним вимогам. Багаторічні спостереження за динамікою якості поверхневих вод виявляють тенденцію збільшення числа створів з високим рівнем забрудненості (більше 10 ГДК) і числа випадків екстремально високого вмісту (Понад 100 ГДК) забруднюючих речовин у водних об'єктах. Стан водних джерел та систем централізованого водопостачання не може гарантувати необхідної якості питної води, а в ряді регіонів (Південний Урал, Кузбас, деякі території Півночі) це стан досяг небезпечного рівня для здоров'я людини. Служби санітарно-епідеміологічного нагляду постійно відзначають високий рівень забруднення поверхневих вод. Близько 1 / 3 всієї маси забруднюючих речовин вноситься до вододжерела з поверхневим і зливовим стоком з територій санітарно невпорядкованих місць, сільськогосподарських об'єктів і угідь, що впливає на сезонне, у період весняного паводку, погіршення якості питної води, щорічно відзначається у великих містах, у тому числі і в Новосибірську. У зв'язку з цим проводиться гіперхлорування води, що, однак небезпечно для здоров'я населення у зв'язку з утворенням хлорорганічних сполук. Одним з основних забруднювачів поверхневих вод є нафта і нафтопродукти. Нафта може потрапляти у воду в результаті природних її виходів у районах залягання. Але основні джерела забруднення пов'язані з людською діяльністю: нафтовидобутком, транспортуванням, переробкою та використанням нафти як палива і промислової сировини. Серед продуктів промислового виробництва особливе місце по своєму негативному впливу на водне середовище та живі організми займають токсичні синтетичні речовини. Вони знаходять все більш широке застосування в промисловості, на транспорті, в комунально-побутовому господарстві. Концентрація цих сполук у стічних водах, як правило, становить 5-15 мг / л при ГДК - 0,1 мг / л. Ці речовини можуть утворювати у водоймах шар піни, особливо добре помітний на порогах, перекатах, шлюзах. Здатність до піноутворення у цих речовин з'являється вже при концентрації 1-2 мг / л.
Найбільш поширеними забруднюючими речовинами в поверхневих водах є феноли, легко окислюються органічні речовини, сполуки міді, цинку, а в окремих регіонах країни - амонійний та нітритний азот, лігнін, ксантогенатом, анілін, метил меркаптан, формальдегід і ін Величезна кількість забруднюючих речовин вноситься до поверхневі води зі стічними водами підприємств чорної і кольорової металургії, хімічної, нафтохімічної, нафтової, газової, вугільної, лісової, целюлозно-паперової промисловості, підприємств сільського та комунального господарства, поверхневим стоком з прилеглих територій.
Невелику небезпеку для водного середовища з металів представляють ртуть, свинець і їх з'єднання. Розширене виробництво (без очисних споруд) та застосування отрутохімікатів на полях призводять до сильного забруднення водойм шкідливими сполуками. Забруднення водного середовища відбувається в результаті прямого внесення отрутохімікатів при обробці водойм для боротьби з шкідниками, надходження у водойми води, що стікає з поверхні оброблених сільськогосподарських угідь, при скидання у водойми відходів підприємств-виробників, а також в результаті втрат при транспортуванні, зберіганні і частково з атмосферними опадами. Поряд з отрутохімікатами сільськогосподарські стоки містять значну кількість залишків добрив (азоту, фосфору, калію), внесених на поля. Крім того, великі кількості органічних сполук азоту та фосфору потрапляють зі стоками від тваринницьких ферм, а також з каналізаційними стоками. Підвищення концентрації поживних речовин у грунті призводить до порушення біологічної рівноваги в водоймі. Спочатку в такому водоймищі різко збільшується кількість мікроскопічних водоростей. Зі збільшенням кормової бази зростає кількість ракоподібних, риб та інших водних організмів. Потім відбувається відмирання величезної кількості організмів. Воно призводить до витрачання всіх запасів кисню, що міститься у воді, і накопичення сірководню. Обстановка у водоймі змінюється настільки, що він стає непридатним для існування будь-яких форм організмів. Водоймище поступово «вмирає».
Сучасний рівень очищення стічних вод такий, що навіть у водах, що пройшли біологічне очищення, вміст нітратів і фосфатів достатньо для інтенсивного евтрофування водойм. Евтрофізація - збагачення водойми біогенами, стимулюючий зростання фітопланктону. Від цього вода каламутніє, гинуть бентосні рослини, скорочується концентрація розчиненого кисню, задихаються мешкають на глибині риби й молюски.
У багатьох водних об'єктах концентрації забруднюючих речовин перевищують ГДК, встановлені санітарними і рибоохоронних правилами.
2.5.2 Забруднення підземних вод
Забруднення піддаються не тільки поверхневі, але й підземні води. В цілому стан підземних вод оцінюється як критичний і має небезпечну тенденцію подальшого погіршення. Підземні води (особливо верхніх, неглибоко залягають, водоносних горизонтів) слідом за іншими елементами навколишнього середовища відчувають забруднююча вплив господарської діяльності людини. Підземні води страждають від забруднень нафтових промислів, підприємств гірничодобувної промисловості, полів фільтрації, шламонакопичувачів і відвалів металургійних заводів, сховищ хімічних відходів і добрив, звалищ, тваринницьких комплексів, не каналізованих населених пунктів. Відбувається погіршення якості води в результаті підтягування некондиційних природних вод при порушенні режиму експлуатації водозаборів. Площі осередків забруднення підземних вод досягають сотень квадратних кілометрів. З забруднюючих підземні води речовин переважають: нафтопродукти, феноли, важкі метали (мідь, цинк, свинець, кадмій, нікель, ртуть), сульфати, хлориди, сполуки азоту. Перелік речовин контрольованих в підземних водах не регламентований, тому не можна скласти точну картину про забруднення підземних вод.
Комплексний та взаємопов'язаний характер прісноводних систем вимагає цілісного підходу до управління ресурсами прісної води (що передбачає господарську діяльність в межах водозбірного басейну) на основі збалансованого обліку потреб населення і навколишнього середовища. Ще в прийнятому в Мар-дель-Плата Плані дій було вказано на внутрішній зв'язок між водогосподарськими проектами і серйозними наслідками їх здійснення, які носять фізичний, хімічний, біологічний і соціально-економічний характер. У галузі оздоровлення навколишнього середовища була поставлена ​​наступна спільна мета: «робити оцінку наслідків різних видів водокористування для навколишнього середовища, підтримувати заходи, спрямовані на боротьбу з переданими за допомогою води захворюваннями, а також охороняти екосистеми». Масштаби та ступінь забруднення зон аерації і водоносних горизонтів завжди недооцінювалися в силу відносної недоступності водоносних горизонтів і відсутності інформації про водоносних системах. У зв'язку з цим охорона підземних вод є одним з найважливіших елементів раціонального використання водних ресурсів.
Для включення елементів регулювання якості водних ресурсів у водогосподарську діяльність необхідно одночасно прагнути до досягнення наступних трьох цілей:
1. збереження цілісності екосистеми завдяки веденню господарської діяльності на основі принципу, що передбачає охорону водних екосистем, включаючи живі ресурси, і їх ефективний захист від будь-яких видів деградації в межах водозбірного басейну;
2. охорона здоров'я населення, що передбачає не тільки постачання питною водою, яка не містить патогенних мікроорганізмів, але і боротьбу з переносниками інфекції у водному середовищі;
3. розвиток людських ресурсів, що є запорукою формування потенціалу і необхідною умовою для налагодження діяльності щодо регулювання якості води.
Всі держави, залежно від своїх можливостей і наявних ресурсів і через двостороннє або багатостороннє співробітництво, у тому числі з Організацією Об'єднаних Націй і, при необхідності, з іншими відповідними організаціями, змогли б встановити наступні цілі:
1. визначити ті ресурси поверхневих і підземних вод, які можна було б освоїти для використання на стійкій основі, і інші основні залежать від води ресурси, які можуть бути освоєні, і одночасно почати здійснення програм з охорони, збереження та раціонального використання цих ресурсів на стійкій основі;
2. визначити всі потенційні джерела водопостачання і підготувати проекти їх захисту, збереження та раціонального використання;
3. приступити до здійснення ефективних і адекватних з рівнем їх соціально-економічного розвитку програм по боротьбі з забрудненням вод, відповідним чином поєднуючи реалізацію стратегій скорочення забруднення у джерела з проведенням екологічних експертиз і застосуванням практично здійсненних норм для викидів з великих точкових джерел і неточечних джерел з високим ступенем ризику;
4. приймати, наскільки це можливо, участь у здійсненні міжнародних програм моніторингу та регулювання якості води, наприклад, таких, як Глобальна програма моніторингу якості води (ДСМД-ВОДА), Програма ЮНЕП по екологічно обгрунтованого використання внутрішніх водних ресурсів (ЕМІНВА), Програма ФАО з регіональним внутрішніх водойм, що використовуються для рибного промислу, і Конвенція про водно-болотні угіддя, що мають міжнародне значення головним чином як середовища існування водоплавних птахів (Конвенція Рамсар);
5. зменшити поширеність передаються через воду захворювань, починаючи з ліквідації дракункул за (ришта) і онхоцеркозе (річкова сліпота) до 2000 року;
6. встановити, згідно своїх можливостей і потреб, біологічні, санітарно-гігієнічні, фізичні та хімічні критерії якості води щодо всіх видів водойм (поверхневі і підземні води) з метою постійного поліпшення якості води;
7. здійснювати комплексний підхід до екологічно безпечного керування водними ресурсами, включаючи захист водних екосистем і живих прісноводних ресурсів;
8. розробити стратегії щодо екологічно безпечного управління запасами прісної води та відповідними прибережними екосистемами, включаючи розгляд проблем, пов'язаних з рибальством, аквакультурою, пасовищним господарством, сільськогосподарською діяльністю і біологічною різноманітністю [24, 25].

3. Методичні розробки
На жаль, провести весь курс занять, логічно пов'язаних між собою, виявилося неможливим, і були апробовані тільки деякі форми організації елективних курсів з вивчення теми «Екологічний моніторинг водних об'єктів».
Заняття № 1. Водні ресурси планети
У ході еволюції вода створила навколишнє нас природу, живий світ, та й самої людини: саме водне середовище (світовий океан) могла забезпечити всі вимоги до виникнення і розвитку життя. Вона стала тим «живильним бульйоном», в якому 3,5 млрд років тому при специфічних зовнішніх умовах зародилося життя на Землі.
Чи є вода в нашому організмі і чи багато її? Як ви вважаєте, чому це?
Вода забезпечує існування життя на нашій планеті: найскладніші біохімічні реакції в клітинах тварин і рослинних організмів можуть протікати тільки при наявності води. Всі живі істоти на Землі містять воду в більшій чи меншій кількості, в середньому близько 70-80%, тобто на 3 / 4 складаються з води. З хімічної точки зору жива речовина - це водний розчин, і майже всі процеси, що забезпечують його життєдіяльність, зводяться до хімічних реакцій у водному розчині.
На що схожа кров? Така солона? Про що це може свідчити?
За сольовим складом кров людини і морська вода дуже близькі. Кров людини становить десяту частину від всієї рідини в його тілі (в середньому 5 л крові, з них 3,5 л - рідка складова - плазма) і забезпечує можливість обміну речовин в організмі. Одна з її головних функцій, як і вода в природі, - транспортна (перенесення кисню, поживних речовин, шлаків). Для підтримки життя людина повинна отримувати близько 2,5 л води на добу (безпосередньо і з їжею).
Спробуйте здогадатися, скільки всього людина за життя споживає і виділяє води?
У середньому за все життя людина споживає і виділяє близько 75 т води, а все людство - майже четверту частину річного стоку всіх річок світу.
А скільки людина може прожити без води? Не висохне він як трава без дощу?
Без води людина не проживе і тижня, загине від спраги. Зневоднення організму призводить до серйозних порушень функціонування різних органів. Людина важко переносить втрату 5% води, а зневоднення на 15-20% призводить до незворотних змін в організмі і до смерті.
Як відомо, кисень атмосфери, який грає виключно важливу роль у функціонуванні всіх аеробних живих організмів, у тому числі і людини, - біогенного походження.
А наші організми виділяють кисень? Що це за процес?
Понад 150 млрд. тонн кисню поставляють щороку в атмосферу фітопланктон і наземні рослини за рахунок фотосинтезу - найважливішого біохімічного процесу на нашій планеті. За допомогою мас-спектрометрії та використанням ізотопної різновиди води H ₂ ¹⁸ O було доведено, що джерелом кисню при фотосинтезі служить вода. Спробуйте написати цю реакцію самі, а потім запишемо її разом.
nCO ₂ + n H ^{₁₈ лютого} O [CH ₂ O] + n ¹⁸ O ₂
(Формула [CH ₂ O] _n відображає не реальна речовина, а склад вуглеводу).
Було також встановлено, що більш точне підсумкове рівняння фотосинтезу має вигляд:

nCO ₂ + ₂ n H _{^лютий 1918} O [CH ₂ O] _n + n H _{^лютий 1918} O + n ¹⁸ O _2,
звідки випливає, що в процесі фотосинтезу вода не тільки використовується, а й утворюється.
Коли кисню стало дуже багато він став перетворюватися на озон. Що сталося потім?
У свою чергу, кисень, що утворюється як побічний продукт фотосинтезу, під дією потужного сонячного ультрафіолетового випромінювання утворив в стратосфері озоновий шар, що захищає білкові сполуки від жорсткої радіації, що дозволило живим організмам вийти зі Світового океану на сушу.
Тепер, коли всі наблизилося майже до сучасних умов, встановилися кругообіг речовин і енергії.
Опишіть кругообіг води в місті?
Одночасно з утворенням первинних гідросфери та атмосфери на землі зародився геологічний кругообіг води. Цей планетарний кругообіг води продовжується до цих пір, в ньому бере участь і жива природа, тепер він має геобіохіміческій характер. «Будь-який прояв природної води - глетчерний лід, безмірний океан, грунтовий розчин, гейзер, мінеральне джерело - становить єдине ціле, прямо або побічно, але глибоко пов'язане між собою», - вважав В.І. Вернадський.
Спробуйте дати визначення круговороту. Це дуже важливе поняття - необхідно усвідомити що в нашій крові є вода, наприклад, з давніх льодовиків Антарктиди ... Отже ...
Кругообіг води в природі - це безперервний процес руху й обміну водою між різними складовими гідросфери. Приблизно за 3000 років вся сучасна маса гідросфери випаровується, тобто інтенсивність відновлення води досить велика. Володіючи в мільйон разів меншою масою води, ніж маса гідросфери, живі організми, головним чином рослини, пропускають її через себе (за час порядку 1 млн. років). Таким чином, природна вода - це теж продукт життєдіяльності живих організмів. У кругообігу води на суші домінуюча роль належить рослинам, 2 / 3 опадів утворюються за рахунок транспірації - випаровування з поверхні листя рослин. «Вся маса води, - писав В.І. Вернадський, - і в рідкій, і в газоподібному, і у твердій формі знаходиться в безперервному русі, переповнена дієвої енергією, сама вічно змінюється і змінює все навколишнє ... Картина видимої природи визначається водою ... ».
Чи важлива була вода для древніх? Як вони ставилися до неї?
Велика роль води в історії людської цивілізації. Вся практична (господарська) діяльність людини з самої глибокої давнини пов'язана з використанням води. Вода - найцінніший природний ресурс, і немає жодної галузі господарства, де вона не використовувалася б.
Як можна отримати енергію з води? Намалюйте схему добування енергії з води в домашніх умовах.
Вода - один з найважливіших техногенних джерел отримання енергії, перш за все електричної. В даний час п'ята частина вироблюваної в світі електроенергії припадає на гідроелектростанції, при цьому слід зауважити, що й на теплових електростанціях (у тому числі і на АЕС) саме вода, перетворена в пару, обертає турбіни та пов'язані з ними електрогенератори.
Обсяги води в складових гідросфери
Близько 70% поверхні Землі (361,2 млн. км ²⁾ покрито водою морів і океанів. Вся ж гідросфера займає помітно більшу поверхню, якщо враховувати льодовики (16,3 млн. км ^2, або 11% суші), озера і річки (2,3 млн. км ^2, або 1,6%), а також болота і сильно зволожені землі (близько 3 млн. км ^2, або 2%). Таким чином, гідросфера на нашій планеті - це основна частина її поверхні: понад 380 млн. км ^2, або понад 75% площі поверхні Землі.
Гідросфера Землі містить близько 1,4 млрд. км ³ води. Дані про вміст води в окремих складових гідросфери наведені в таблиці.
Коли відзначають, що 3 / 4 планети вкриті водою, то мають на увазі лише нижня межа цього значення, так як насправді поверхню, займана гідросферою, істотно змінюється. Щорічно сніговий покрив взимку в Північному та Південному півкулях закриває величезні простори суші. Особливо велику територію - понад 42 млн. км ² в середньому - сніговий покрив займає на суші в зиму Північної півкулі. Таким чином, у цей період площа, зайнята гідросферою, становить понад 83% поверхні Землі.
Загальна кількість води в гідросфері постійно, принаймні, протягом останнього геологічного періоду. Витік води в космос через фотодиссоціації молекул водяної пари в екзосфера компенсується приходом води на Землю за рахунок метеоритної речовини космічного простору (близько 0,5 км ³ на рік) і первозданної (ювенільної) води, що викидається підводними вулканами і вигляді пари та гарячих розчинів (близько 1 км ³ на рік). Враховуючи вищесказане і маючи на увазі планетарний кругообіг води, можна віднести воду до невичерпних поновлюваних природних ресурсів.
Загальні ресурси прісної води
Велике значення для життя на Землі та господарської діяльності людини має водний баланс прісної гілки планетарного кругообігу води. Прісної вважається вода, в 1 л якої міститься не більше 1 г . розчинених речовин (солей). Іншими словами, прісна вода - це вода з солоністю не більше 1% _о (однієї проміле). Для порівняння: середня солоність морської води становить 35% _о.
Як ви думаєте пов'язані між собою солона і прісна вода?
Відзначимо найважливіший момент походження прісної води - випаровування і випадання атмосферних опадів у системі «океан-атмосфера». Таким чином, солона вода Світового океану забезпечує Землю прісною водою!
Де можна знайти прісну воду? Багато міст розташовані по берегах річок, про що це говорить?
Основні запаси прісної води на землі зосереджені в сніжно-льодових утвореннях і в підземних водах - близько 35 млн. км ^3, або 2,5% від усього обсягу води в гідросфері. Хоча сніжно-льодові освіти і підземні води і грають істотну роль у водопостачанні деяких районів, все ж вони важкодоступні, і в світовому масштабі їх використання поки не має практичного значення. Крім того, прісні підземні води розташовуються лише до глибини активного водообміну, що формується за рахунок атмосферних опадів, тобто до глибини 200-1500 м.
Велика частина підземних вод, що знаходяться на нижніх горизонтах, - солоні води.
Безпосередньо доступні прісні води (прісні озера, що містять 91 тис. км ³ води, і річки) становлять лише 0,007% від всієї води на землі, або 0,26% від загального запасу прісних вод на Землі. Найбільше у світі за запасами прісної води оз. Байкал містить 23 тис. км ³ води, стільки ж - Великі американські озера. Таким чином, на ці озера припадає половина запасів води прісних озер всього світу.
Структура водного фонду Росії така:
Світовий океан - 93,6%;
підземні води - 4%;
льодовики, сніговий покрив - 2%;
річки, озера та інші джерела прісної води - 0,4%.
За даними Атласу світового водного балансу, з поверхні суші щорічно випаровується і знову повертається на сушу приблизно 70 тис. км ³ води; з поверхні Світового океану щорічно випаровується близько 500 тис. км ³ води, велика частина цієї випарувалася води повертається назад в океан у вигляді опадів, а приблизно 1 / 10 частина випадає над сушею, поповнюючи через поверхневий і підземний стоки водні запаси річок. Це різниця між опадами і випарами визначає значення річкового стоку. Крім цього, річковий стік у прихованому вигляді містить в собі частину ресурсів підземних вод, які також належать до джерел живлення річок і підтримують їх водний режим.
До цього значення можна додати крижаної сток Антарктиди - 2,5 тис. км ³ / рік і Гренландії - 0,5 км ³ / рік, виходячи з цих цифр, можна оцінювати екологічну ситуацію з ресурсами прісної води на Землі.
Забезпеченість водними ресурсами регіонів та країн
Для визначення ступеня забезпеченості регіонів водними ресурсами необхідно розраховувати питомі характеристики - об'єм води, що припадає на одиницю території або на одну людину.
У середньому на одного жителя Землі припадає 8 тис. м ³ прісної води на рік, на одного жителя Європи - 4,6 тис. м ³ / рік, для Азіатського контингенту ця величина дорівнює 5,2 тис. м ³ / рік. За останні 20 років відбулося істотне зменшення водозабезпеченості Азії, Африки і Південної Америки у зв'язку з демографічним вибухом в цих районах.
Якщо розглядати окремі країни, то більше за інших забезпечена прісною водою Бразилія (понад 140 тис. м ³ / рік), де розташовується басейн найбільшої річки світу - Амазонки, на другому місці за сумарним стоку (близько 30 тис. м ³ / рік) коштує Росія .
Уявіть собі конфлікт через зменшення кількості прісної води.
Середні показники по материках і навіть по країнам не можуть дати справжнього уявлення про забезпечення водою. Це пояснюється нерівномірним розподілом водних ресурсів по території. Нерівномірність розподілу ресурсів поверхневих прісних вод характерна для всього світу, і вона стала першопричиною напруженої ситуації в ряді регіонів і країн. За даними Всесвітньої організації охорони здоров'я (ВООЗ), в даний час труднощі, пов'язані із забезпеченням питною водою, відчувають близько 2 млрд. людей - третина населення земної кулі.
Наочний приклад - ситуація з водними ресурсами, що склалася в Росії. У цілому Росія багата водними ресурсами: середньобагаторічний сумарний річковий стік в Російській Федерації становить 4270 км ³ / рік. Розподіл річкового стоку по території Росії вкрай нерівномірно і не відповідає розселення жителів, а також розміщення продуктивних сил.
Близько 90% загального поверхневого річного стоку припадає на східні райони країни, де проживає лише близько 25% населення країни. На європейську частину, де зосереджено основний промисловий та сільськогосподарський потенціал країни, знаходяться великі міста і живе велика частина населення, припадає лише 10% від загального річного річкового стоку. Таким чином, господарсько освоєні регіони Російської Федерації відчувають нестачу прісних водних ресурсів вже в силу тільки географічних причин.
Одна з головних причин забруднення водної оболонки Землі, що приводить до дефіциту чистої прісної води, - скидання в поверхневі (а через грунт і в підземні) водойми неочищених або недостатньо очищених води, що містить забруднюючі речовини.
Забруднення навколишнього природного середовища - це надходження в неї речовин (твердих, рідких, газоподібних), біологічних агентів, енергії в кількостях або концентраціях, що перевищують природний для даної екосистеми рівень.
Як наголошується в Декларації ООН «Про навколишньому середовищу», будь-яка речовина вважається забруднювачем, якщо воно зустрічається в неналежному місці, в неналежному кількості і в неналежне час. І ці місце, кількість і час «призначає» вже не природа - розпорядниця життя на Землі, а індустрія, що створює свої незамкнуті техногенні кругообіг речовин, що призводить до антропогенного забруднення всіх компонентів біосфери.
Стічними водами називають води, використані на побутові та виробничі потреби і забруднені при цьому додатковими домішками, що змінили їх первісний хімічний склад і фізичні властивості.
Водний басейн забруднюється атмосферними опадами, вимиваються з повітря шкідливі техногенні викиди, а також зливовими стоками з міської території. Інтенсивне забруднення водних об'єктів - поверхневих і грунтових вод - дає сучасне сільське господарство з його масовим утриманням худоби, інтенсивним внесенням у грунт добрив і використанням хімічних засобів захисту рослин від шкідників.
Значна кількість забруднень надходить у водойми від промислових підприємств, а також від підприємств комунального міського господарства. Наприклад, скидання промислових стічних вод у поверхневі водойми Московського басейну становить значну частину водокористування на території Москви і суттєво позначається на стані водних екосистем і ресурсів Московського басейну. За даними Департаменту природокористування і охорони навколишнього середовища Уряду Москви, частка стічних вод становить майже 90% від усього обсягу води, що надходить в річки Московського басейну. З цієї причини очищення стічних вод промислових підприємств, розташованих у місті, до встановлених санітарних норм - пріоритетний напрямок забезпечення нормальної екологічної ситуації в цьому мегаполісі.
Для знешкодження забруднених вод, головним чином їх розведення після очищення, щорічно в світі витрачається близько 9000 км ³ чистої води, що становить 20% стійкого стоку всіх річок земної кулі, прийнятого за запаси чистої прісної води на Землі.
У Росії в даний час у поверхневі водойми щорічно скидається понад 70 км ³ стічних вод, 30% з яких - неочищені або недостатньо очищені. При повному очищенні сучасними методами стічні води в кращому випадку бувають очищені лише на 90%, і вони вносять до водойм не менше забруднень, ніж всі неочищені стічні води 50 років тому.
Необхідність очищення стічних вод (стоків) виникла у зв'язку з безперервним збільшенням водоспоживання і, відповідно, з утворенням значної кількості стічних вод. На жаль, незважаючи на високу ефективність роботи очисних споруд, багато стоки "нормативно очищених вод» несуть велику кількість залишкових забруднень, що перевищують природне самоочіщаемость водойм.
Екологічні дослідження вказали на тісний зв'язок між виживанням окремих представників водної біоти - флори і фауни - і ступенем забруднення води. Зміна складу водної флори відзначено навіть при короткочасному збільшенні забрудненості води. На жаль, такі тонкі біоіндикатори не дають кількісної оцінки забрудненості води, але можуть служити сигналом про наявність несприятливих екологічних умов. Кількісна оцінка забруднення води можлива лише в тому випадку, якщо ступінь забруднення досить велика і можливе порушення нормального стану водної екосистеми. Такий кількісний аналіз необхідно робити перед тим, як вода буде скинута в грунт і поверхневі водойми.
Давайте тепер візьмемо карту нашого міста і знайдемо там нашу школу і довколишні джерела забруднення води.
Завод, що знаходиться на захід напевно забруднює воду, яку ми п'ємо.
Здається, біля нього є хвостосховище. А чому б нам не зробити в лабораторії аналіз цієї води?

Заняття № 2. Дослідження якості води

Органічні показники води

1. Вміст зважених часток
Цей показник якості води визначають фільтруванням певного об'єму води через паперовий фільтр і подальшим висушуванням осаду на фільтрі в сушильній шафі до постійної маси.
Для аналізу беруть 500-1000 мл. води. Фільтр перед роботою зважують. Після фільтрування осад з фільтром висушують до постійної маси при 105 ⁰ С, охолоджують у ексикаторі і зважують. Ваги повинні володіти високою чутливістю, краще використовувати аналітичні ваги.
Вміст зважених речовин в мг / л у випробуваної воді визначають за формулою
(M ₁ - m ₂₎ × 1000 / V,
де m ₁ - маса паперового фільтра з осадом зважених часток, г; m ₂ - маса паперового фільтра до досвіду, г; V - об'єм води для аналізу, л.
ГДК = 10 мг / л.
2. Колір (забарвлення)
При забрудненні водойми стоками промислових підприємств вода може мати забарвлення, не властиву кольоровості природних вод. Для джерел господарсько-питного водопостачання забарвлення не повинна виявлятися в стовпчику висотою 20 см, для водойм культурно-побутового призначення - 10 см.
Діагностика кольору - один з показників стану водойми. Для визначення кольоровості води потрібні скляну посудину і аркуш білого паперу. У посудину набирають воду і на білому фоні папери визначають колір води (блакитний, зелений, сірий, жовтий, коричневий) - показник певного виду забруднення.
3. Прозорість
Прозорість води залежить від декількох факторів: кількості зважених часток мулу, глини, піску, мікроорганізмів, вміст хімічних сполук.
Для визначення прозорості води використовують прозорий мірний циліндр з плоским дном, в який наливають воду, підкладають під циліндр на відстані 4 см. від його дна шрифт, висота літер якого 2 мм, а товщина ліній букв - 0,5 мм, і зливають воду до тих пір, поки зверху через шар води не буде видно цей шрифт. Вимірюють висоту стовпа води, що залишилася лінійкою і виражають ступінь прозорості в сантиметрах. При прозорості води менше 3 см. водоспоживання обмежується. Зменшення прозорості природних вод свідчить про їх забруднення.
4. Запах
Запах води обумовлений наявністю в ній речовин з різкими, які потрапляють до неї природним шляхом і зі стічними водами. Запах води водойм, виявляється безпосередньо у воді або (водойм господарсько-питного призначення) після її хлорування, не повинен перевищувати 2 балів. Визначення грунтується на органолептичних досліджень характеру та інтенсивності запахів води при 20 і 60 ⁰ С. Характер та інтенсивність запаху визначають за пропонованою методикою (табл. 2,3).
Таблиця 2. Характер і рід запаху води природного походження

Характер запаху	Приблизний рід запаху
Ароматичний	Огірковий, квітковий
Болотний	Мулистий, тінисті
Гнильний	Фекальний, стічної води
Деревне	Мокрої тріски, деревної кори
Землистий	Прілий, свежевспаханной землі, глинистий
Пліснявий	Затхлий, застійний
Рибний	Риби, риб'ячого жиру
Сірководневий	Тухлих яєць
Трав'янистий	Скошеної трави, сіна
Невизначений	Чи не підходить під попередні визначення

Таблиця 3. Інтенсивність запаху води

Бал	Інтенсивність запаху	Якісна характеристика
0	-	Відсутність відчутного запаху
1	Дуже слабка	Запах, що не піддається виявленню споживачем, але виявляється в лабораторії досвідченим дослідником
2	Слабка	Запах, який не привертає уваги споживача, але виявляється, якщо на нього звернути увагу
3	Помітна	Запах, легко виявляється і дає привід ставитися до води з несхваленням.
4	Чітка	Запах, що звертає на себе увагу і робить воду непридатною для пиття
5	Дуже сильна	Запах настільки сильний, що вода стає непридатною для пиття

Запахи штучного походження (від промислових викидів, для питної води - від обробки води реагентами на водопровідних спорудах і т.п.) називаються за відповідними речовин: хлорфенольний, камфорний, бензиновий, хлорний і т.п.
Інтенсивність запаху також оцінюється при 20 і 60 ⁰ С по 5-бальній системі згідно з таблицею.
Запах води слід визначати у приміщенні, в якому повітря не має стороннього запаху. Бажано, щоб характер і інтенсивність запаху відзначали кілька дослідників.
Заняття № 3. Визначення якості води методами хімічного аналізу
Водневий показник (рН)
Питна вода повинна мати нейтральну реакцію (рН близько 7). Значення рН води водойм господарського, питного, культурно-побутового призначення регламентується в межах 6,5 - 8,5.
Оцінювати значення рН можна різними способами.
1.Прібліженное значення рН визначають наступним чином. У пробірку наливають 5 мл досліджуваної води, 0,1 мл універсального індикатора, перемішують і за забарвленням розчину визначають рН:
· Рожево-помаранчева - рН близько 5;
· Світло-жовта - 6;
· Зеленувато-блакитна - 8;
2.Можно визначити рН за допомогою універсального індикаторного паперу, порівнюючи її забарвлення з шкалою.
3.Наіболее точно значення рН можна визначити на рН-метрі або за шкалою набору Алямовского.
Жорсткість води
Розрізняють загальну, тимчасову і постійну жорсткість води, Загальна жорсткість обумовлена ​​головним чином присутністю розчинних сполук кальцію і магнію у воді. Тимчасову жорсткість інакше називається усувну або карбонатної. Вона зумовлена ​​наявністю гідрокарбонатів кальцію і магнію. Постійна (некабонатная) жорсткість викликана присутністю інших розчинних солей кальцію і магнію.
Загальна жорсткість варіюється в широких межах залежно від типу порід і грунтів, що складають басейн водозбору, а також від сезону року. Значення загальної жорсткості в джерелах централізованого водопостачання допускається до 7 ммоль × екв. / Л, в окремих випадках за погодженням з органами санітарно-епідеміологічної служби - до 10 ммоль × екв. / Л.
При жорсткості до 4 ммоль × екв. / Л - середньої жорсткості, 8-12 ммоль × екв. / Л - жорсткої, більше 12 ммоль × екв. / Л. - Дуже жорсткою.
Методами хімічного аналізу звичайно визначають жорсткість загальну (Ж ₀₎ і карбонатну (Ж _к), а некарбонатну (Ж _н) розраховують як різницю Ж ₀ - Ж _к.
Визначення карбонатної жорсткості води
Розрахунок концентрацій карбонат-і гідрокарбонат-іонів
У склянку наливають 10 мл аналізованої води, додають 5-6 крапель фенолфталеїну. Якщо при цьому забарвлення не з'являється, то вважається, що карбонат-іони в пробі відсутні. У разі виникнення рожевого забарвлення пробу титрують 0,05 н. Розчином соляної кислоти до знебарвлення. Концентрацію карбонат-іонів розраховують за формулою
C = ^{V (HCl) × 0,05 × 60 × 1000} = V (HCl) × 300
¹⁰
де з _до - концентрація карбонат-іона, мг / л; V (HCl) - об'єм соляної кислоти, витраченої на титрування, мл.
Потім в тій же пробі визначають концентрацію гідрокарбонат-іонів. До пробі додати 1-2 краплі метилового оранжевого. При цьому проба набуває жовтого забарвлення. Титруют пробу розчином 0,05 н. Соляної кислоти до переходу жовтого забарвлення в рожеву. Концентрацію гідрокарбонат-іонів розраховують за формулою:
C _гк = ^{V (HCl) × 0,05 × 61 × 1000} = V (HCl) × 305
де з _гк - концентрація гідрокарбонат-іона, мг / л; V (HCl) - об'єм соляної кислоти, витраченої на титрування, мл.
Карбонатну жорсткість Ж _до розраховують, підсумовуючи значення концентрацій карбонат-і гідрокарбонат-іонів за формулою

Ж _к = С _до × 0,0333 + С _гк × 0,0164,
де 0,0333 і 0,0164 - коефіцієнти, рівні значенням, зворотним еквівалентним масам цих аніонів.
Визначення нітратів і нітритів
Гранично допустима концентрація (ГДК) нітритів у питній воді водойм становить 3,3 мг / л, нітратів - 45 мг / л.
На годинне або предметне скло поміщають три краплі розчину дифеніламіном, приготованого на концентрованої сірчаної кислоти, і одну-дві краплі досліджуваної води. У присутності нітрат-і нітрит-іонів з'являється синє забарвлення, інтенсивність якого залежить від їх концентрації.
Таблиця 4. Орієнтовна сумарний вміст аміаку та іонів аміаку у воді

Фарбування при розгляді		Аміак і іони аміаку
збоку	зверху	мг азоту / л	мг ___ / л
Ні	Ні	0,04	0,05
Ні	Надзвичайно слабо-жовтувате	0,08	0,1
Надзвичайно слабо-жовтувате	Слабо-жовтувате	0,2	0,3
Дуже слабо-жовтувате	Жовтувате	0,4	0,5
Слабо-жовтувате	Світло-жовте	0,8	1,0
Жовте	Буро-жовте	2,0	2,5
Мутнувате, різко-жовте	Буре, розчин каламутний	4,0	5,0
Інтенсивно-буре, розчин каламутний	Буре, розчин каламутний	Більше 10,0	Більше 10,0

Визначення хлоридів і сульфатів
Концентрація хлоридів у водоймах - джерелах водопостачання допускається до 350 мг / л.
У водах річок північної частини Росії хлоридів міститься зазвичай небагато, не більше 10 мг / л, у південних районах - до десятків і сотень мг / л. Багато хлоридів потрапляє у водойми із скидами господарсько-побутових і промислових стічних вод. Цей показник дуже важливий при оцінці санітарного стану водойми.
Якісне визначення хлоридів з наближеною кількісною оцінкою проводять таким чином. У пробірку відбирають 5 мл. досліджуваної води і додають 3 краплі 10%-ного розчину нітрату срібла. Приблизна вміст хлоридів визначають за осідання або помутніння (табл. 5).
Таблиця 5. Визначення вмісту хлоридів

Осад або помутніння	Концентрація хлоридів, мг / л
Опалесценция або слабка каламуть	1-10
Сильна каламуть	10-50
Утворюються пластівці, але осідають не відразу	50-100
Білий об'ємистий осад	Більше 100

Якісне визначення хлоридів проводять титруванням проби аналізованої води нітратом срібла в присутності хромату калію як індикатора. Нітрат срібла дає з хлорид-іонами білий осад, а з хроматом калію - цегельно-червоний осад хромату срібла. З утворилися опадів меншою розчинністю володіє хлорид срібла. Тому лише після того, як хлорид-іони будуть пов'язані, починається утворення червоного хромату срібла. Поява слабо-оранжевого забарвлення свідчить про кінець реакції. Титрування можна проводити в нейтральній або слабощелочной середовищі. Кислу аналізовану воду нейтралізують гідрокарбонатом натрію.
У конічну колбу поміщають 100 мл води, додають 1 мл 5%-ного розчину хромату калію і титрують 0,05 н. Розчином нітрату срібла при постійному збовтуванні до появи слабо-червоного забарвлення.