Гідробіологія океанів і морів

У морях і океанах життя рослинних і тваринних організмів залежить від умов середовища, з яких досить важливими є гідрометеорологічні фактори. Проникнення світла в товщу води пов'язане з прозорістю її, а від цього залежить життєдіяльність рослинних організмів. Для життя рослин необхідні деякі поживні солі — нітрати (сполуки азотної кислоти), нітрити (солі азотистої кислоти) і фосфати (солі фосфорної кислоти), що знаходяться в морській воді у відносно малій кількості. Ці солі надходять у поверхневі шари океану частково з береговим стоком, але головна їх маса піднімається на поверхню разом з глибинними водами в результаті осінньо-зимової конвекції і турбулентних рухів у гідросфері.

У свою чергу, життєдіяльність організмів дуже впливає на фізико-хімічні властивості води океанів і морів. Організми забирають з морської води велику кількість вуглекислого кальцію, кремнію, які витрачаються на побудову своїх скелетів, у результаті чого ці речовини, що надходять у морську воду з річковим стоком, перебувають у стійкій рівновазі.

Всі живі організми Світового океану поділяються на три великі групи: планктон, нектон і бентос. Основну масу планктону складають одноклітинні водорості (фітопланктон), одноклітинні або дрібні багатоклітинні тварини —інфузорії, дрібні ракоподібні (зоопланктон). Живі організми заселяють Світовий океан від поверхні до самого дна. Тільки рослини, яким потрібне світло, живуть у верхньому 150 — 200-метровому шарі, а тваринні організми поширені в усій товщі води.

Найхарактернішою особливістю морських організмів є здатність їх до розмноження і разом з тим величезна загибель їх, причому і те й інше тим більше, чим менші розміри організмів. Відмирання морських організмів відбувається приблизно з такою самою інтенсивністю, як і розмноження, завдяки чому встановлюється життєва рівновага.

Серед морських рослин основна роль належить одноклітинним. Кількість їх у морській воді дуже велика, близько 2000 видів. З багатоклітинних рослин в океані досить поширені великі за розмірами бурі і червоні водорості ламінарії (морська капуста), саргасуми, лесонії та ін. Деякі види можуть досягати гігантських розмірів (до 120 м, а іноді до 200 м завдовжки). Бурі водорості переважають у помірних і холодних морях, де біля берегів вони утворюють величезні зарості; у теплих водах поширені саргасуми, особливо в Саргасовому морі.

У Світовому океані зустрічаються також вищі квіткові рослини (близько 30 видів). З них найбільш поширена зостера (морська трава) біля узбережжя північної частини Атлантичного океану, де ведеться її промисел.

Тваринні організми, що живуть на Землі, поділяються на 11 типів, останні, в свою чергу, поділяються на 65 класів. Більшість із них—корінні жителі моря. Тільки 8 класів живуть виключно на суші.

З найпростіших тваринних організмів найбільш поширені корененіжки, форамініфери та радіолярії. Близько 65% дна Світового океану вкрито глобігериновим (складається з черепашок форамініфер) і радіолярієвим мулом.

Серед багатоклітинних організмів найбільш численними за кількістю видів (більше 62 тис.) є молюски. З двостулкових молюсків промислове значення мають устриці, морські гребінці і мідії. Двостулкові молюски є кормом для риб.

У теплих водах досить поширені головоногі молюски, представлені кальмарами, каракатицями, восьминогами, аргонавтами та ін. Серед найпростіших багатоклітинних організмів в океанах найбільш поширені губки, морські черви тощо.

Широко представлений клас ракоподібних (до 20 тис. видів). З них близько 750 видів — це планктонні організми, які за масою складають 80—90% усього зоопланктону Світового океану і є основним кормом для багатьох морських риб і вусатих китів. До ракоподібних належать також краби, які мають велике промислове значення.

До вищих хордових належать риби. Найбільшою рибою в океані є китова акула, її довжина досягає 16 м. Довжина кулеподібного ската 15 м, вага 2 т.

У Світовому океані налічується близько 16 тис. видів риб. Найбільш різноманітна фауна риб у прибережній зоні тропічних частин океану. Тут живуть окуневі, оселедцеві, вугрі, камбала, скати та ін. Для відкритих частин тропічних вод характерне поширення летючої риби, меча-риби, тунця, акул. У помірних і високих широтах живуть сайра, камбала, окуневі, тріскові, лососеві та ін.

З класу ссавців у морі зустрічаюся китоподібні і ластоногі. В свою чергу, кити поділяються на вусатих (беззубих), які живляться зоопланктоном (переважно ракоподібними) і дрібною рибою (гренландський кит, синій кит, фінвал, сейвал та ін.), і зубастих (кашалот). До зубастих китів належать дельфіни, в тому числі білуха і касатка. Кити, які живляться планктоном, досягають гігантських розмірів, деякі з них мають довжину 34 м і вагу 150 т. Це найбільші тварини на Землі. У водах високих і помірних широт поширені представники ластоногих: морський лев, тюлень, морж, морський котик.

Велика кількість морських організмів використовується як їжа і технічна сировина. Це насамперед риби, китоподібні, тюлені, а також молюски, водорості, раки тощо. Основні райони вилову знаходяться в зонах зустрічі теплих та холодних течій і обмежені глибинами 200—300 м.

Біологічні запаси Світового океану дуже потужні, поки що людство їх практично не використовує (використовується менше 1% загальної біомаси). В перспективі з збільшенням населення на Землі роль Світового океану у задоволенні навіть їстівних потреб буде набувати провідної ролі.

Лекція № 12 Хімічний склад і класифікації природних вод

Коротко про будову та аномальні властивості води

Молекула води складається з атомів водню і кисню, між якими існує ковалентний зв’язок. Кут H-OH складає 104,3⁰, а не 109,5⁰, як в правильному тетраедрі. Два з шести валентних електронів атома кисню пов’язані з атомами водню. Молекула води має полярну будову (диполь). Аномальні властивості води визначають незвичайно високу її стійкість до впливу зовнішніх факторів, що викликано наявністю додаткових сил між молекулами, які отримали назву водневих зв’язків.

Сутність водневих зв’язків зводиться до того, що іон водню, пов’язаний з іоном другого елементу, спроможний електростатично притягувати до себе іон того ж елемента з другої молекули. Кожна молекула води спроможна утворювати чотири водневих зв’язки: за рахунок двох пар неподілених електронів кисню і двох позитивно заряджених атомів водню.

Рідка вода за хімічною будовою займає проміжне положення між парою та льодом. Неможливість точно визначити структуру рідкої води за допомогою сучасних методів досліджень привела до виникнення багатьох теорій її будови. В більшості теорій в якості вихідного пункту використовується структура льоду.

Властивість води зберігати свій структурний стан на протязі деякого часу після зміни зовнішніх умов Блок називає структурною пам’яттю води.

Під аномаліями води прийнято розуміти ряд її властивостей, які відрізняють чисту воду від її хімічних аналогів (гідратів елементів шостої групи періодичної системи Д.Менделєєва) і інших рідин. Вода – це одна з самих дивовижних речовин на землі – вона аномальна по багатьох фізичних властивостях: їй притаманна висока (відносно розрахункової) температура плавлення (для льоду) та кипіння, розширення при замерзанні, сильні розчинні властивості, виключно висока діелектрична проникність, надзвичайні залежності її в’язкості від тиску, висока питома теплота випаровування та плавлення, високий поверхневий натяг, низька електролітична дисоціація, висока термічна стійкість і багато іншого.

Хімічний склад природних вод

Природні води гідросфери являють собою складні розчини, які містять в своєму складі всі відомі хімічні елементи у вигляді простих та складних іонів, комплексних сполук, розчинених елементів, розчинених або газоподібних молекул, стабільних і радіоактивних ізотопів. Ще В.Г. Вернадський вказував на те, що в кожній краплині, як в мікроскопі, відображається увесь склад космосу. В останні роки це положення підтверджується: з 87 стабільних елементів, відомих в земній корі, 80 знайдені в природних водах. Немає сумнівів у тому, що всі решта елементи також будуть встановленні при підвищенні чутливості аналітичних методів.

Вміст більшості основних елементів в океанічних водах відносно постійний. Для елементів, які зустрічаються у дуже низьких концентраціях (мікроелементів), спостерігаються значні розходження. Не дивлячись на досить велику різноманітність хімічного складу атмосферних опадів, вони, як правило, відрізняються низькою мінералізацією, яка не перевищує в районах гумідного клімату 50 мг/дм³, а часто і 20 мг/дм³. Дані, які публікуються по геохімії прісних підземних вод і розсолів, термальних, мулових, порових та інших видів вод не дають можливості зробити висновки про середні концентрації хімічних елементів в підземних водах.

В цілому склад природних вод визначається не тільки присутністю в них великої кількості хімічних елементів, але й різним вмістом кожного з них, який до того ж змінюється в різних типах вод, а також різноманітністю кожного елементу.

Хімічний склад природних вод є складним комплексом розчинних газів, різних мінеральних солей та органічних сполук. У природних водах розчинені майже всі відомі на Землі хімічні елементи. Із і збільшенням порядкового номеру в таблиці Менделєєва спостерігається зменшення концентрації елементів у природних водах. Хімічний склад природних вод ділять на 6 груп:

1. головні іони (макрокомпоненти) – K⁺, Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^-, SO₄^2-, HCO₃^-, CO₃^2-;

2. розчинені гази – кисень, азот, сірководень, вуглецю оксид тощо;

3. біогенні речовини – сполуки азоту, фосфору, заліза та кремнію;

4. органічні речовини – різноманітні сполуки, які належать до органічних кислот, складних ефірів, фенолів, гумусових речовин, азотовмісних сполук (білки, амінокислоти, аміни) та багато інших;

5. мікроелементи - всі метали, крім головних іонів, а також деякі інші компоненти, які містяться у водах у невеликих кількостях (наприклад, радіоактивні елементи);

6. забруднюючі речовини (пестициди, нафтопродукти, феноли, детергенти).

Форми вираження результатів аналізу проб

У гідрохімічній практиці широко використовується термін мінералізації води, під яким розуміють загальний вміст у воді всіх знайдених під час аналізу мінералів речовин. Близьким до нього є поняття сума іонів, тобто арифметична сума кількостей всіх іонів у міліграмах чи грамах на літр досліджуваної води, концентрація яких перевищує 0,1 мг/л.

В океанології для характеристики мінералізації води користуються солоністю, значення якої близьке до суми всіх основних іонів. Солоність – це сумарний вміст у грамах всіх твердих мінеральних розчинених речовин, які містяться в 1 кг морської води за умови, що бром та йод заміщенні еквівалентною кількістю хлору, всі вуглекислі солі переведені в оксиди, всі тверді речовини висушені, а органічні речовини спалені при температурі 480⁰С.

Для вираження концентрації та форми результатів аналізу проб у гідрохімії використовують різні способи:

1. Головні іони за загальної мінералізації води понад 1 г/л, як правило, виражаються в ⁰/₀₀, чи г/кг, менше ніж 1 г/л - в мг/л, оскільки за даних умов 1 л дорівнює 1 кг;

2. Розчинені гази та біогенні речовини – в мг/л, а інколи у мкг/л;

3. Мікроелементи в мг/л, мкг/л або у вигляді ступеневого виразу (наприклад 510^-6 г/л).

Концентрації розчинів виражають кількома способами:

- масова концентрація – відношення маси якогось компоненту, що міститься в розчині, до загального об’єму розчину. Вона виражається в г/л чи г/дм³ (і в кратних одиницях - г/л, мг/л, мг/мл);

• молярна концентрація чи молярність – відношення кількості речовини, що міститься в розчині, до об’єму розчину. Вираження молярної концентрації - моль/л;

• моляльна концентрація чи моляльність – відношення кількості речовини, що міститься в розчині, до маси розчинника. Вираження моляльної концентрації - моль/кг;

• - молярна концентрація еквівалента – відношення кількості речовини еквівалента, що міститься в розчині, до загального об’єму розчину. Вираження молярної концентрації еквівалента – моль-екв./л;

Класифікації природних вод за мінералізацією

Існує багато класифікацій, які ґрунтуються на відмінних принципах і використовуються з різною метою. Існують класифікації природних вод за мінералізацією, та за хімічним складом.

На сьогодні серед дослідників немає єдиної думки щодо питання про принцип поділу природних вод за мінералізацією. Загальноприйнятим є тільки значення мінералізації, яке характеризує межу прісних вод: 1 г/дм³. Розійшлись думки по питанню про одну з дуже важливих меж - між розсолами і солоними водами. В.Г.Вернадський вважав цією межею значення 50⁰/₀₀, М.Г.Валяшко, а потім і Г.К.Зайцев – 35⁰/₀₀.

Розподіл розсолів на підгрупи практично для всіх сучасних класифікацій проводиться за таким принципом на 5 підгруп:

• дуже слабкі розсоли відповідають першій стадії океанічної води, коли з неї починає випадати доломіт;

• слабкі розсоли – верхня межа приблизно відповідає осаду гіпсу з океанічної води;

• міцні розсоли відповідають стадії згущення океанічної води, коли з неї близько верхньої межі випадає в осад галіт;

• дуже міцні розсоли характеризуються таким ступенем згущення, що відбувається осад карналіту;

• надтоміцні розсоли являють собою маточну рапу після осаду з неї карналіту.

Прикладом виділення підгруп в прісних і солоних водах на основі регіональних досліджень і використання природних вод в практичних цілях є детальна класифікація Н.І.Толстіхіна. Він відносить до прісних вод:

• надтопрісні води – сніг і льодовики Антарктиди;

• досить прісні води – атмосферні опади;

• дуже прісні води – води озер Ладозьке, Байкал, ґрунтові води тундри, високих гір;

• особливо прісними водами є ґрунтові води лісів, середніх гір;

• помірно прісними є ґрунтові води лісостепу, низьких гір;

• пріснуватими – ґрунтові води степу.

Солоні води розбиті Толстіхіним на підгрупи за наступними ознаками:

• слабо солонуваті – питні (за необхідністю), мінеральні питні;

• середньо солонуваті – питні для тварин;

• сильно солонуваті – питні для тварин за необхідністю;

• слабо солоні – нижня межа (25⁰/₀₀) обумовлена тим, що за даної мінералізації температура замерзання і температура максимальної густини рівні між собою;

• помірно солоні – вода опріснених морів;

• нормально солоні – вода Світового океану.

Межі підгруп в класифікації Толстіхіна виділені досить умовно.

Класифікація Вернадського:

• води прісні – мінералізація менше 1г/дм³;

• солонуваті – мінералізація 1-10 г/дм³;

• солоні - мінералізація 10-50 г/дм³;

• розсоли – мінералізація більше 50 г/дм³.

Класифікації О.А.Алєкіна за мінералізацією:

Води рік О.Алєкін поділив на

• дуже малої мінералізації – менше 0,1 г/дм³;

• малої мінералізації – 0,1 – 0,2 г/дм³

• середньої мінералізації 0,2 - 0,5 г/дм³;

• підвищеної мінералізації 0,5-1 г/дм³;

Всі поверхневі води О.Алєкін поділив на:

• води прісні – мінералізація менше 1г/дм³;

• солонуваті – мінералізація 1- 25 г/дм³;

• з морською солоністю - мінералізація 25-50 г/дм³;

• розсоли – мінералізація більше 50 г/дм³

Класифікації природних вод за хімічним складом

За хімічним складом на сьогодні нараховується декілька десятків класифікацій природних вод, в основу яких покладено різні принципи. Універсальної класифікації ще не створено. До найбільш розповсюджених належать класифікації О.А.Алєкіна, М.Г.Валяшко, В.А.Суліна. Вони базуються на врахуванні тільки головних іонів, які присутні у природних водах. Найбільш прийнятною для поверхневих вод є класифікація О.А.Алєкіна, в основу якої покладено два принципи: переважаючих іонів і співвідношення між ними. Переважаючими вважаються іони з найбільшим відносним вмістом у відсотках із перерахунком на кількість речовини еквівалента. Усі природні води за переважаючим аніоном поділяються на три класи:

- гідрокарбонатних вод (скорочене позначення - C);

- сульфатних вод (скорочене позначення - S);

- хлоридних вод (скорочене позначення - Cl).

Кожний клас поділяється за переважаючим катіоном на три групи:

• кальцієву (скорочене позначення - Cа);

• натрієву (скорочене позначення - Na);

• магнієву (скорочене позначення - Mg).

Кожна група, в свою чергу, поділяється на чотири типи вод, які визначаються співвідношенням між іонами в еквівалентах:

(І) - перший тип: HCO^->Ca²⁺+Mg²⁺.

Він формується при взаємодії розчинів з виверженими породами, які містять велику кількість натрію і калію. В окремих випадках води першого типу можуть утворюватись внаслідок обміну кальція на натрій, який міститься у ґрунтах або породах (наприклад, глауконітах, лужних глинах).

(ІІ) - другий тип: HCO^->Ca²⁺+Mg²⁺<HCO^-+SO^2-.

Формується при взаємодії з різними осадовими породами і продуктами вивітрювання корінних порід (більшість рік, озер і підземних вод помірної і малої мінералізації).

(ІІІ) - третій тип: HCO^-+SO^2-< Ca²⁺+Mg²⁺або Cl^->Na⁺.

Формується шляхом випаровування молекул води і катіонного обміну (звичайно йде обмін натрію розчину на кальцій і магній ґрунтів і порід). До цього типу належать води океанів, морів, лиманів, багатьох солених озер і більшості сильно мінералізованих підземних вод.

(IV) - четвертий тип: HCO^- = 0.

Формується на вивітрюванні і розробці сульфідних родовищ та багатих сульфідами вугільних покладів; при вулканічній діяльності (кратерні озера, гарячі джерела); при активних сульфатредуцируючих процесах (води грязьових вулканів та нафтових родовищ); в північних та вологих областях (тундрові води, води торфяників і лісів).

Приклад скороченого запису хімічного складу води за класифікацією Алєкіна – (C^Са_ІІ) - вода гідрокарбонатного класу, групи кальцію, другого типу; (S^Na_III) - вода сульфатного класу, групи натрію, третього типу. Крім того, для кількісної характеристики добавляють значення мінералізації води (записують знизу, з точністю до 0,1⁰/₀₀) і загальної твердості в перерахунку на молярну концентрацію еквівалента (записують зверху, з точністю до цілих мілімолей в 1 дм³).

Можливість існування в цій класифікації природних вод інших класів (нітратний, боратний) не включена, але малоймовірна. Більш реально переважання в деяких природних водах кремнієвої кислоти, але вона майже повністю недисоційована і не врівноважує катіонів. Виділення в окремий клас природних вод з переважанням органічної речовини неможливо, так як органічна речовина природних вод володіє дуже складним складом.

Наведена класифікація, як й всі існуючі на сьогодні, має певні недоліки, а саме: порушений принцип підпорядкованості, тому що тип є вищою таксономічною одиницею, яка об’єднує класи, а не навпаки; кислі води не зовсім вписуються в рамки класифікації, тому що в подібних природних водах присутні в відносно великих концентраціях іони важких металів. Але це найбільш вдала класифікація з існуючих для характеристики поверхневих маломінералізованих вод суходолу.

Класифікація природних вод за твердістю:

• дуже м’які – до 1.5 ммоль/л,

• м’які – 1,5 – 3 ммоль/л,

• середні – 3-6 ммоль/л,

• тверді – 6-10 ммоль/л,

• дуже тверді – більше 10 ммоль/л.

Формула Курлова

Хороше наочне зображення даних про хімічний склад природних вод дає формула Курлова. Формула - це псевдодріб, у чисельнику якого зліва направо записуються аніони (у відсотках кількості речовини еквівалента) в порядку зменшення. У знаменнику таким самим чином записуються катіони. Іони, вміст яких у воді менше 10% (при сумі аніонів і катіонів по 100% кожних), не записуються в формулу. Зліва від дробу подається загальна мінералізація в г/дм і приводиться вміст деяких мікроелементів або переважаючих газів в мг/дм³. Справа від дробу записується температура води в та дебіт або витрата води в дм³/с або м³/с. Скорочений варіант формули:

У формулі Курлова немає загально прийнятого принципу виділення головних іонів. Детальний варіант формули Курлова:

Лекція 13. Чинники формування хімічного складу природних вод

У гідрохімії серед чинників, які визначають формування хімічного складу природних вод, виділяють головні та другорядні, а також прямі та опосередковані. До основних (головних) чинників належать ті, які визначають склад вод, тобто сприяють формуванню вод конкретного гідрохімічного типу (хлоридного, сульфатного, тощо). Другорядні сприяють появі у воді компонентів, які надають певному типові води деяких особливостей, але тип води при цьому залишається незмінним. Прямі – це ті, які безпосередньо впливають на склад води (грунти, гірські породи); опосередковані – ті, які діють опосередковано, тобто через інші (прямі) чинники, і визначають умови, в яких протікає взаємодія речовини з водою: клімат, водний режим, рослинність, гідрогеологічні і гідродинамічні умови і т.д.

За своїм впливом чинники, які визначають формування хімічного складу природних вод, поділяють на такі групи:

1) фізико-географічні (рельєф, клімат, вивітрювання , грунтовий покрив );

2) геологічні (склад гірських порід, тектонічна будова, гідрогеологічні умови);

3) фізико-хімічні (хімічні властивості елементів, кислотно-лужні та окисно-відновні умови, змішування вод і катіонний обмін);

4) біологічні (життєдіяльність живих організмів і рослин);

5) антропогенні (штучні) – всі чинники, пов’язані з діяльністю людини.

Умови формування природних вод залежать від співвідношення та послідовності прояву вказаних чинників. Їхня роль для поверхневих і підземних вод неоднакова. Наприклад, фізико-географічні та біологічні чинники найбільшою мірою впливають на склад поверхневих вод і є другорядними в процесі формування підземних вод. Розглянемо детально кожен з чинників.

Фізико – географічні чинники

Рельєф є опосередкованим чинником формування хімічного складу води. Він впливає на умови водообміну, від яких залежать мінералізація та хімічний склад природних вод. Ступінь розчленованості рельєфу визначає розміри поверхневого стоку і дренованість підземних вод. Гори, з однієї сторони, безпосередньо впливають на мінералізацію води завдяки збільшенню поверхневого контакту води з породами, а з другої – обумовлюють вертикальну кліматичну зональність, напрям повітряних мас та різну освітленість схилів. В областях з арідним кліматом рельєф виступає в якості одного з ведучих факторів формування хімічного складу природних вод. Позитивні форми рельєфу тут є місцями розсолення, а негативні – засолення.

Клімат передусім визначає метеорологічні чинники, від яких залежить водний режим поверхневих і підземних вод. Основними метеорологічними елементами, які впливають на хімічний склад природних вод, є атмосферні опади, температура повітря і випаровування.

Перша стадія формування хімічного складу природних вод відбувається в атмосфері. Серед усіх природних вод найшвидші зміни мінералізації і складу в часі і просторі спостерігаються в атмосферних опадах. Проте, незважаючи на таку мінливість, склад опадів у цілому є характерним для даної місцевості, відображаючи тип її географічного ландшафту. Мінералізація атмосферних опадів, як правило, нижча від мінералізації річкових і озерних вод. Опади, звичайно, зменшують мінералізацію поверхневих вод.

Вплив температури повітря може виявитися у хімічному складі вод як самоосадових озер, так і прісних поверхневих вод. У останньому випадку зміна складу води відбувається внаслідок випадіння з неї кальцію карбонатів при підвищенні температури. Тому влітку в умовах жаркого клімату може відбуватися осад кальциту в мілководних, добре прогрітих водоймах. Як відомо, швидкість хімічних реакцій змінюється в два-три рази, при зміні температури на 10⁰С.

Хімічний склад вод змінюється також під впливом низьких температур в процесі промерзання. Під час кристалізації льоду виділяються важкорозчинні сполуки, а в розчинах зберігаються найбільш легкорозчинні при низьких температурах сполуки, до яких належать хлориди кальцію, магнію і натрію.

Випаровування. Цей чинник найбільше проявляє себе в районах, де відношення сумарного випаровування до суми атмосферних опадів є найбільшим, тобто в пустелях, напівпустелях і сухих степах. У засолених під впливом випаровування поверхневих водоймах відбувається випадіння солей (мінералоутворення), спочатку менше, а потім більш розчинних. Води гідрокарбонатні перетворюються спочатку у сульфатні, а потім у сульфатно-хлоридні і навіть в хлоридні.

Вивітрювання. Суттєве значення в формуванні хімічного складу природних вод має фізичне (механічне), хімічне та біологічне вивітрювання гірських порід. Хімічне вивітрювання гірських порід складається з таких процесів: розчинення, гідролізу, гідратації, окислення. Ці процеси є екзотермічними. Розрізняють два типи хімічного вивітрювання: вуглекислотне і сірчанокислотне. Інтенсивність першого визначається концентрацією CO у водах. Однак здатна взаємодіяти з породою лише та частинка CO, яка називається агресивною, тобто є надлишковою відносно рівноважного вмісту кальцію.

Найважливішим реагентом сірчанокислотного вивітрювання є сірчана кислота, яка утворюється в процесі окислення сульфідів.

Біологічне вивітрювання особливо інтенсивно відбувається там, де кількість атмосферних опадів перевищує випаровуваність, а температура достатньо висока.

Ґрунтовий покрив. Ґрунти збагачують води іонами, газами, органічною речовиною. Вплив ґрунтового покриву на формування вод підвідний: з одного боку, ґрунти можуть збільшувати мінералізацію атмосферних опадів, які фільтруються через них, а з іншого – змінювати хімічний склад ґрунтових вод, які вступають у взаємодію з ґрунтами. Кількісна сторона цих процесів визначається типом ґрунтів. У процесі взаємодії води з ґрунтами відбувається вилуговування солей, зміна складу розчинених газів, зміна складу води під впливом іонного обміну, процесів мінералоутворення чи заміщення мінералів, які вже є в ґрунті, іншими. Інтенсивність перетворень залежить від типу ґрунту, вмісту в ньому колоїдів, які мають здатність адсорбувати іони, а також обмінювати поглинуті іони на іони водних розчинів.

Геологічні чинники

Гірські породи є провідним чинником формування мінералізації та хімічного складу природних вод. Головними розчиненими мінералами, які визначають, в основному, хімію природних вод, є галіт (NaCl), гіпс (CaSO₄ 2H₂O), кальцит (CaCO₃), доломіт (CaMg(CO₃)₂). Такі мінерали як мірабіліт, астраханіт, глауберіт мають вузьке локальне поширення.

Розвиток хлоридних, натрієвих високомінералізованих вод і розсолів збігається з поширенням соленосних фацій, при вилуговуванні яких вони й утворюються. Наявність у надрах гіпсоносних фацій є причиною появи сульфатних кальцієвих вод з мінералізацією 2 – 3 г/л. Розчинність карбонатів лужних металів (які утворюють гідрокарбонатно-кальцієві води) різко зростає при наявності у воді CO.

Фізико – хімічні чинники

Хімічні властивості елементів. Динаміку хімічних елементів у природних водах визначає поєднання внутрішніх і зовнішніх чинників. До внутрішніх чинників належать такі характеристики елементів, як валентність, іонні радіуси, іонні потенціали; до зовнішніх – енергетика Землі, склад атмосфери, біогенні умови і клімат. Чим більша валентність для багатьох металів, тим менше розчинні сполуки вони утворюють, тим відповідно нижча їхня міграційна здатність. Рухливість гідратованих іонів тим більша, чим більші іонний радіус і валентність. Однак, залежно від характеру середовища рухливість іонів різко змінюється.

Окисно – відновні процеси мають суттєвий вплив на міграційну здатність елементів, їх розсіювання та концентрацію. Головним критерієм окисних процесів є наявність вільного кисню у водах. Показником його відсутності є трьохвалентне залізо. Важливими реагентами відновних реакцій у природних водах є мікроорганізми, що розкладають органічну речовину. А головними критеріями відновних процесів є наявність двохвалентного заліза і відсутність кисню. Здатність до окислення і відновлення характеризується окисно-відновним потенціалом (Eh) атомів та іонів, який вимірюється вольтами, відносно певної стандартної окисно-відновної реакції, потенціал якої дорівнює нулю. У природних водах Eh коливається від +700 до –500 мВ.

Гідроліз солей. Гідроліз – це хімічна взаємодія іонів розчинної солі з водою, що супроводжується зміною реакції середовища.

Катіонний обмін. Інтенсивність його залежить, головним чином, від ступеню дисперсності породи, природи катіонів, що обмінюються, середовища, концентрації електронів у розчині. Чим вища валентність, тим сильніше катіони поглинаються і утримуються породою за інших однакових умов. Коли катіони мають однакову валентність, поглинання збільшується із зростанням відносної атомної маси.

Надзвичайна роль у реакціях катіонного обміну належить водню. Його енергія обміну перевищує енергію обміну не тільки одновалентних, але й двохвалентних катіонів. Обмінна властивість ґрунту підвищується із збільшенням розчину, з яким грунт перебуває у рівновазі. Спостереження показують, що із збільшенням концентрації елементів обмінна властивість також зростає.

У природних водах відбувається, головним чином, катіонний, а не аніонний обмін.

Біологічні чинники

До цих чинників належать життєдіяльність рослин і тваринних організмів. Вони зумовлюють, з одного боку, біогенну метаморфізацію природних вод, а з іншого – збагачують у деяких випадках води мікрокомпонентами.

Рослини мають вибіркову здатність нагромаджувати хімічні елементи шляхом поглинання їх з розчину. Серед рослин виділено, так звану групу, фреатофітів, до якої належать: осоки, очерет, рогози, а також цілий ряд видів дерев’янистої рослинності і кущів. Усі види фреатофітів мають добре розвинуту кореневу систему, яка проникає на глибину до 20 – 30 м. До цієї групи належать соленакопичувальні види рослин – галофіти (нагромадження іонів NaCl), серед них найбільш відома – полин.

Рослинність впливає на характер ґрунтових реакцій. Хвойні ліси сприяють збільшенню кислотності через кислі властивості їх органічних решток. Трав’яниста рослинність, навпаки, сприяє нагромадженню лугів у ґрунтових розчинах. Водні рослини змінюють газовий і хімічний склад водойм. У ході фотосинтезу йде збагачення води киснем і зменшення концентрації вуглекислого газу, а також створюється органічна речовина.

Мікроорганізми відіграють особливо важливу роль у процесах зміни хімічного складу природних вод. Існують аеробні та анаеробні бактерії. Перші живуть за рахунок вільного кисню, другі його беруть з кисневмісних сполук чи мінеральних солей. Перші характерні для поверхневих вод суходолу, річкових і озерних водойм, неглибоких морів. Другі – для застійних водних басейнів, боліт, лиманів, дна глибоких морів, ґрунтових водах нижче зони аерації.

Десульфатизуючі бактерії сприяють відновленню сульфатів та утворенню сірководню (належать до анаеробних).

Сіркобактерії відкладають сірку на своєму тілі і за сприятливих умов можуть утворювати промислові скупчення.

Амінофікатори – продукують аміак за рахунок розкладу органічних речовин, що містять у своєму складі білок.

Нітрофікатори окислюють аміак до нітритів і нітратів.

Денітрифікатори розкладають нітрити і нітрати з виділенням вільного азоту.

Залізобактерії здатні відкладати гідроксид заліза, а також манган. Вони найбільш активні у холодних водах (5–10⁰C). Інколи утворюють великі скупчення.

Мікроорганізми впливають на газовий режим водойм і хімічний склад води. Під час дихання поглинають кисень і виділяють вуглекислий газ. У водоймах розкладають залишки відмерлих рослинних і тваринних організмів. Така діяльність має дуже серйозне значення для природного очищення вод.

Антропогенні (штучні) чинники

До антропогенних чинників належать усі чинники, що впливають на формування складу вод внаслідок діяльності людини. За характером впливу поділяють на хімічні і фізичні.

Хімічний вплив – це надходження до водних об’єктів речовин із стічними водами, з атмосфери, а також з інших джерел, що викликає зміну природного хімічного складу вод.

Фізичний вплив – це зміна фізичних параметрів (температури, прозорості, Eh тощо). Ці впливи називають антропогенним забрудненням.

Внаслідок антропогенного впливу в природні води можуть надходити як іони, аналогічні тим, які входять звичайно до складу незабруднених вод (хлориди, сульфати, залізо та інші), так і компоненти, які в природних водах не зустрічаються (пестициди, синтетичні поверхнево-активні речовини, деякі важкі метали).

Таким чином, антропогенні чинники можуть викликати:

• підвищення (чи пониження) концентрації тих чи інших компонентів природних вод, наявних у незабруднених водах;

• зміну направленості природних гідрохімічних процесів;

• збагачення вод речовинами, чужорідними для природних вод.

Лекція 14. Поняття і критерії якості води

Джерела забруднення природних вод

Прийнято розрізняти три основні види стічних вод: промислові, господарсько-побутові та сільськогосподарські. Крім того, природні води можуть забруднюватись через атмосферу, внаслідок скидання теплих вод, які використовуються для охолодження на ТЕС і АЕС (теплове забруднення), міськими зливовими стоками, нафтопродуктами, хімікатами під час транспортування їх, водами шахт і рудників тощо. Безумовно, для України після аварії на Чорнобильській АЕС в 1986 році постало питання радіоактивного забруднення природних вод.

Промислові стічні води.

Головним джерелом надходження у природні води України токсичних речовин є стічні води промислових підприємств. Хоча на будівництво очисних споруд витрачаються значні кошти, стічні води деяких підприємств містять важкі метали, детергенти, нафтопродукти, феноли тощо. В незабруднених природних водах цих речовин немає або вони містяться у значно менших концентраціях. Найбільша кількість речовин, що забруднюють воду, надходить разом із стічними водами підприємств нафтопереробної, хімічної, металургійної, текстильної, целюлозно-паперової та деяких інших галузей промисловості. Об’єм і склад промислових стоків залежить від потужності кожного підприємства і ступеня очистки стічних вод.

Господарсько-побутові стічні води.

Суттєвим джерелом забруднення водойм і водотоків є господарсько-побутові стічні води. Вони утворюються внаслідок використання населенням водопровідної води для побутових і господарських потреб із наступним скиданням використаної води в каналізаційну мережу. Побутові стічні води містять фізіологічні виділення людей, відходи від миття посуду, прання білизни, а також тверді відходи (ганчір’я, папір тощо). За зовнішнім виглядом ці стічні води є рідиною з низькою прозорістю, сірого кольору, з неприємним запахом. Для цих вод характерна насиченість їх яйцями гельмінтів і бактеріальною флорою, значну частину якої становлять хвороботворні бактерії.

Сільськогосподарські стічні води.

Основні чинники впливу сільськогосподарського виробництва та хімічний склад природних вод - це внесення добрив і отрутохімікатів на сільськогосподарські угіддя, діяльність тваринницьких комплексів та ерозія ґрунтів. Стік із сільськогосподарських територій може бути поверхневим і ґрунтовим.

На сільгоспугіддя України вноситься щорічно близько 19 млн.т добрив (понад 5 млн.т чистої речовини) та близько 130 тис.т отрутохімікатів. Використовується близько 200 різних пестицидів. У країні під сільськогосподарськими удобрюваними землями зайнято 45 % площі. Доза внесення добрив становить у середньому 140 кг/га і залежить в основному від виду вирощуваних культур.

На території України діє понад 45 тис. ферм і комплексів тваринництва. Річний вихід гною становить близько 300 млн.м³, у перерахунку на нітратне забруднення - в навколишнє середовище щорічно надходить 450 тис.т. азотистих сполук.

За проведеною комплексною оцінкою впливу промислових і господарсько-побутових стічних вод на якість річкових вод України було виділено чотири класи якості річкових вод: 1 - слабо забруднена; 2- забруднена ; 3- брудна ; 4- дуже брудна (кафедра гідрохімії Київського національного університету).

У басейні Дністра зустрічаються води від слабозабруднених (р.Дністр - м.Самбір) до брудних (р.Дністер - м.Могилів-Подільський). Переважають створи з водою забрудненою. Серед забруднюючих речовин виділяються феноли, мідь і цинк. Невисокої якості води р. Прут, в основному внаслідок забруднень фенолами, міддю та цинком, особливо біля м.Чернівці. Тут в усі три сезони вода оцінювалась як брудна (3-й клас), біля м.Яремча 2-й клас. Для річок басейну р.Тиси виявляється чітка закономірність - погіршення якості води в меженний період внаслідок збільшення концентрації міді чи цинку, забруднення нафтопродуктами.

Порівняння класу якості води двох створів, розміщених на північ і на південь від міста, дало можливість прослідкувати загальну картину зміни якості на південь від 18 міст України. Практично для половини пунктів у створах нижче від міст погіршується якість води, причому в період зимової межені цей процес виражений більш яскраво.

Поняття і критерії якості води

Зростання водоспоживання міст, селищ, промислових підприємств нерозривно пов’язане із збільшенням кількості стічних вод, які утворюються після комунального, побутового і промислового використання води. В останній час все більше значення набувають також стічні води сільськогосподарського виробництва.

Ріки є не тільки природними дренами для водного стоку, але й примусовими колекторами всіх стічних вод на водозборі. Особливо сильно забруднюються порівняно невеликі і навіть середні ріки, які знаходяться в промислових, густо населених районах. Забруднення водойм і водотоків не тільки відбивається на її санітарному стані але й пагубно впливає на життя населяючих їх водних організмів та погіршує якість води водних об’єктів.

В усьому світі приймаються і здійснюються програми охорони водних об’єктів, внаслідок цього концентрація деяких забруднюючих речовин або стабілізувалася або стала нижчою.

В Україні також реалізуються такі заходи. Це моніторинг якості природних вод, комплексні програми відновлення якості вод р.Дніпра і малих річок у різних регіонах. Україна співпрацює з придунайськими країнами щодо вивчення хімічного складу води р.Дунай і здійснення практичних заходів з охорони її вод від забруднення, а також у рамках угод країн Чорноморського басейну з екологічних проблем Чорного моря.

Об’єм водоспоживання в Україні становить 36,4 км³. Він розподіляється таким чином: промисловість – 46 %; житлово-комунальне господарство –11 %; сільське господарство – 13 %. Всього скидається у водні об’єкти близько 17,4 км³ стічних вод, в яких міститься 5273 тис.т розчинних речовин.

Якість води – це характеристика складу і властивостей води, яка визначає придатність її для конкретних видів водокористування та водоспоживання. Критерії якості води – ознаки за якими проводиться оцінка якості води по видах водокористування і водоспоживання.

Гігієнічним критерієм називають обмеження водокористування або водоспоживання, які обумовлені забрудненням, яке небезпечне для здоров’я або яке погіршує санітарні умови життя населення.

Водотоки і водоймища вважаються забрудненими, якщо показники складу і властивостей води в них змінилися під прямим або опосередкованим впливом виробничої діяльності та господарсько-побутового використання населенням і частково або повністю непридатні для одного з видів водокористування або водоспоживанням.

Критерієм забруднення води є погіршення їх якості внаслідок зміни органолептичних властивостей і появи речовин шкідливих для людини, звірів, пташок, риб, кормових і промислових організмів в залежності від виду водокористування або водоспоживання, а також підвищення температури води, яка змінює умови для нормальної життєдіяльності водних організмів.

Вимоги до складу та властивостей води водних об’єктів в пунктах господарсько-питного та культурно-побутового водокористування і водоспоживання.

Таблиця 14.1 - Загальні вимоги до складу та властивостей води водних об’єктів в пунктах господарсько-питного і культурно-побутового водокористування та водоспоживання

Показник складу або властивостей води водойми або водотоку	Критерії водокористування (водоспоживання)
	Централізоване або нецентралізоване господарсько-питне водопостачання, водопостачання харчових підприємств	Для купання, спорту та відпочинку населення, а також для водойм в межах населених пунктів
Завислі речовини	Вміст не повинен збільшуватись більше чим на 0,25 мг/дм3 0,75 мг/дм3 Для водойм, які містять в межень більше 30 мг/дм3 природних мінеральних речовин, допускається збільшення вмісту завислих речовин у воді в межах 5%.Скид завислих речовин зі швидкістю випадання більше 0,4 мм/с для проточних водойм і більше 0,2 мм/с для водосховищ заборонений.
Плаваючі речовини	На поверхні водойм не повинно бути плаваючих плівок, плям мінеральних масел і скупчень інших забруднюючих речовин і предметів.
Запахи	Вода не повинна набувати не властивих їй запахів інтенсивністю більше 1 бала, які визначаються безпосередньо або при послідуючому хлоруванні чи інших способах обробки.
Забарвлення	Не повинна спостерігатись у стовпчику висотою 20 см висотою 10 см.
Температура	Влітку внаслідок скиду стічних вод не повинна підвищуватись більше чим на 3С порівняно зі середньомісячною температурою води самого жаркого місяця року за останні 10 років.
Водневий показник (рН)	Не повинен виходити за межі 6,5-8,5
Мінеральний склад	Не повинен перевищувати за сухим залишком 1000 мг/дм3, в тому числі хлоридів 350 мг/дм3, сульфатів 500 мг/дм3
Розчинений кисень	Не повинен бути менше 4 мг/дм3 в будь-який період року в пробі, яка відібрана до 12 години дня.
Біохімічне споживання кисню (БСКпов)	Значення БПК повне при 20 С не повинно перевищувати 3,0 мг/дм3 6,0 мг/дм3
Хімічне споживання кисню (ХСК)	Не повинно перевищувати 15,0 мг О2/дм3 30 мг О2/дм3
Збудники захворювань	Вода не повинна вміщувати збудників захворювань.
Лактозопозитивні киш-кові палички (ЛКП)	Не більше 10 000 в дм3 Не більше 5 000 в дм3 (не розповсюджується на джерела децентралізованого господарсько-питного водопостачання.)
Колифаги (в бляшкоутворюючих одиницях)	Не більше 100 в дм3 Не більше 100 в дм3 (не розповсюджується на джерела децентралізованого господарсько-питного водопостачання.)
Життєздатні яйця гельмінтів	Не повинні міститись у одному дм3 життєздатні яйця гельмінтів (аскарид, власоглав, токсокар, фасциол), онкосфери теніїд і життєздатні цисти патогенних кишкових найпростіших.
Хімічні речовини	Неповинні міститися в концентраціях, які перевищують гранично допустимі концентрації (ГДК) або орієнтовно допустимі рівні (ОДР)