Круговорот воды
Вода находится в постоянном движении. Испаряясь с поверхности водоемов, почвы, растений, вода накапливается в атмосфере и, рано или поздно, выпадает в виде осадков, пополняя запасы в океанах, реках, озерах и т.п. Таким образом, количество воды
на Земле не изменяется, она только меняет свои формы - это и есть круговорот воды в природе (рис.8).
Рис.8. Круговорот воды
Из всех выпадающих осадков 80% попадает непосредственно в океан. Для нас же наибольший интерес представляют оставшиеся 20%, выпадающие на суше, так как большинство используемых человеком источников воды пополняется именно за счет этого вида осадков. Упрощенно говоря, у воды, выпавшей на суше, есть два пути.
Либо она, собираясь в ручейки, речушки и реки, попадает в результате в озера и водохранилища - так называемые открытые (или поверхностные) источники водозабора.
Либо вода, просачиваясь через почву и подпочвенные слои, пополняет запасы грунтовых вод.
Поверхностные и грунтовые воды и составляют два основных источника водоснабжения. Оба этих водных ресурса взаимосвязаны и имеют как свои преимущества, так и недостатки в качестве источника питьевой воды.
Круговорот воды является одним из грандиозных процессов на поверхности земного шара. Он играет главную роль в связывании геологического и биотического круговоротов. В биосфере вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана образуют малый круговорот. Если же водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот становится значительно сложнее. В этом случае часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая - питает реки и водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая тем самым большой круговорот.
Важное свойство круговорота воды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу.
Вода - важнейший компонент всего живого. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растения в процессе транспирации, привносят минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений. Наиболее замедленной частью круговорота воды является деятельность полярных ледников, что отражают медленное движение и скорейшее таяние ледниковых масс. Наибольшей активностью обмена после атмосферной влаги отличаются речные воды, которые сменяются в среднем каждые 11 дней. Чрезвычайно быстрая возобновляемость основных источников пресных вод и опреснение вод в процессе круговорота являются отражением глобального процесса динамики вод на земном шаре.
Самоочищение водоемов.
Водоемы обладают свойством под влиянием естественных факторов постепенно очищаться от попавших в них загрязнений: взвешенных частиц, бактерий, растворенных органических и неорганических веществ.
Факторы самоочищения водоемов можно условно разделить на три группы: физические, химические, биологические.
Среди физических факторов первостепенное значение имеет разбавление, растворение и перемешивание поступающих загрязнений. Хорошее перемешивание и снижение концентраций взвешенных частиц обеспечивается быстрым течением рек. Способствует самоочищению водоемов оседание на дно нерастворимых осадков, а также отстаивание загрязненных вод. В зонах с умеренным климатом река самоочищается через 200-300 км от места загрязнения, а на Крайнем Севере – через 2 тыс. км.
Обеззараживание воды происходит под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца. Эффект обеззараживания достигается прямым губительным воздействием ультрафиолетовых лучей на белковые коллоиды и ферменты протоплазмы микробных клеток, а также споровые организмы и вирусы.
Из химических факторов самоочищения водоемов следует отметить окисление органических и неорганических веществ. Часто дают оценку самоочищения водоема по отношению к легко окисляемому органическому веществу (определяемому по биохимической потребности кислорода — БПК) или по общему содержанию органических веществ (определяемому по химическому потреблению кислорода — ХПК.
Санитарный режим водоема характеризуется прежде всего количеством растворенного в нем кислорода. Его должно быть не менее 4 мг на 1 л воды в любой период года для водоемов первого и второго видов. К первому виду относят водоемы, используемые для хозяйственно-питьевого водоснабжения, ко второму – используемые для купания, спортивных мероприятий, а также находящихся в черте населенных пунктов.
К биологическим факторам самоочищения водоема относятся:
Совокупность беспозвоночных гидробионтов-фильтраторов, зоопланктон;
Сообщества макрофитов (прикреплённые или плавающие водные растения крупных размеров), которые задерживают часть биогенов (белковые тельца, от которых зависит жизнедеятельность клетки) и загрязняющих веществ, поступающих в экосистему с прилегающей территории;
Бентос, задерживающий и поглощающий часть биогенов и поллютантов(химические вещества, которые в высоких концентрациях могут вызывать ухудшение здоровья человека и животных), мигрирующих на границе раздела вода/донные осадки;
Микроорганизмы, сорбированные на взвешенных частицах, перемещающихся относительно водной массы вследствие гравитационного оседания под действием сил тяжести; в результате водная масса и микроорганизмы перемещаются относительно друг друга, что эквивалентно ситуации, когда вода профильтровывается через зернистый субстрат с прикрепленными микроорганизмами; последние извлекают из воды растворенные органические вещества и биогены;
Водоросли и фитопланктон;
Механизм самоочищения от органических загрязнений складывается из:
1) сортировки твердых частиц по их удельному весу (оседание их на дно),
2) распределения загрязнения в массе воды водоема, что ведет к более тесному соприкосновению загрязнения с растворенным в воде 02, который является одним из существенных агентов в процессе минерализации органического вещества,
3) биохимических процессов разрушения органических веществ в результате жизнедеятельности бактерий и прочих представителей флоры и фауны водоема, главным образом, их низших форм,
4) хим. процессов обмена и окисления продуктов распада органического вешества.
В результате биохимических процессов распада органическое вещество разрушается и дает ряд конечных соединений—свободную угольную кислоту и ее соли, азотистые, сернокислые и фосфорнокислые соединения, которые в дальнейшем вовлекаются в кругооборот веществ растениями и микробами водоема.
К факторам, понижающим содержание бактерий в воде, принадлежат:
1) седиментация их при осаждении взвешенных в воде частиц на дно;
2) разведение воды притекающими массами более чистых вод;
3) отмирание бактерий под воздействием на них прямого солнечного света;
4) общая убыль в воде питательных для бактерий органических веществ
5) пожирание бактерий Protozoa.
Выживаемость например холерного вибриона в речной воде колеблется от 5 до 20 дней, Bact. coli—от 6 до 18 дней.
Для определения степени самоочищения воды из бактериологических методов применяются определение общего количества микробов и титра кишечной палочки, а также Вас. proteus vulgar is и Streptococcus как спутников кишечной палочки
О роли Protozoa в бактериальном самоочищении воды говорят опыты Шепилевского, отмечающие наиболее интенсивное просветление бактериальных взвесей при размножении в них Protozoa. Из числа Protozoa в бактериальном самоочищении воды существенную роль играют бесцветные Flagellata, кривая развития которых в реках, после вноса в них загрязнений, повторяет кривую развития бактерий со сдвигом ее вниз по течению реки. Особенно интенсивно Protozoa поглощают те бактериальные виды, которые не принадлежат к нормальным обитателям воды, а именно патогенные микроорганизмы и из них холерный вибрион, тифозную, кишечную, синегнойную палочки и др.
При загрязнении водоема вода в нем изменяет свой состав, изменяется и флора и фауна водоема, в дальнейшем, в результате процессов самоочищения, нормальная картина водоема постепенно восстанавливается. Степень загрязненности водоема называется сапробностью и характеризует особенности водоема: определенная концентрация органических веществ, соответствующая стадия их минерализации, условия развития и состав микроорганизмов. Различают три основные зоны сапробности: полисапробная, мезосапробная, олигосапробная.
В полисапробной зоне (зона сильного загрязнения) река характеризуется большим содержанием свежих органических веществ, число микроорганизмов достигает нескольких миллионов в 1 мл, при этом преобладают кишечные и анаэробные гнилостные бактерии, обуславливающие процесс гниения и брожения. Эта зона бедна растворенным 02. Заселена она гетеротрофными организмами (питающимися растворенными и взвешенными в воде органическими веществами).
В мезосапробной зоне (зона умеренного загрязнения), содержится уже меньшее количество свежих органических веществ, за счет частичного их распада, с преобладанием окислительных процессов и выраженной нитрификацией. Количество бактерий в 1 мл воды составляет сотни тысяч, причем содержание коли-бактерий значительно уменьшается. В этой зоне присутствует ряд промежуточных продуктов распада органического вещества. Наряду с гетеротрофными организмами она заселена и миксотрофными организмами (способными к. усвоению как органических веществ, так и азотистых продуктов их распада) и аутотрофными (организмами с минеральным питанием).
Еще ниже по реке, в олигосапробной зоне (зона чистой воды), река является уже освободившейся от органических азотсодержащих веществ; ее растительный планктон представлен организмами с аутотрофным питанием, которые в силу малого уже содержания в воде азотистых продуктов распада органического вещества дают здесь меньшую продукцию сравнительно с мезосапробной зоной. Количество бактерий в 1 мл воды составляет десятки, сотни, преобладают серо-и железобактерии. Содержание растворенного 02 в этой зоне отвечает его поглощению водой из воздуха.
Эффективность процессов естественного самоочищения водоема находится в прямой зависимости от растворенного в воде 02 и степени заселенности водоема растительными и животными организмами, включая сюда и микробов. При спуске сточных вод в общественные водоемы с расчетом на их естественное самоочищение необходимо учитывать емкость водоема, соотношение количества и качества воды в водоеме с количеством и качеством спускаемых сточных вод, в особенности потребность в кислороде для биохимического расщепления органических веществ сточной жидкости и содержание растворенного 02 в воде водоема.