Контрольні запитання

1. Як визначається ГДВ шкідливих речовин в атмосферне повітря?

2. Що таке мінімальний коефіцієнт метеорологічного розбавлення?

3. Які параметри визначають коефіцієнт метеорологічного розбавлення домішок в атмосфері?

4. Які роботи проводять та які дані збирають для встановлення ГДВ?

5. Що таке фонова концентрація речовини в атмосферному повітрі?

6. Як визначається фонова концентрація речовини в атмосферному повітрі?

7. В чому полягає різниця при встановленні ГДВ для одинокого джерела викиду та для групи джерел?

8. Як проводиться встановлення ГДВ шкідливих речовин в атмосферне повітря від низьких джерел?

9. Як знайти мінімальну висоту джерела викиду шкідливих речовин в атмосферне повітря?

Розділ 5. Розповсюдження шкідливих речовин у водному середовищі

При надходження шкідливих речовин у водойму під впливом природних факторів з ними відбувається ряд перебудов. Основними з них є розбавлення і розсіювання, переміщення та відкладення (рис. 5.1.).

§5.1. Особливості міграції шкідливих речовин у водному середовищі

Процеси, що визначають поведінку речовин у водоймі є достатньо складними і різноманітними. Разом з тим, роль кожного з них для водойми є досить значною. Від того, чи буде ця речовина, при надходженні її зі стічними водами, осаджуватися або міцно фіксуватися на днищі у місцях випуску або, навпаки, залишатися у рідкій фазі, і, тому, переноситися з масою води, залежить концентрація її у воді на різних ділянках водойми.

Достатньо суттєве значення набуває здатність речовин, що надходять у водойму, інтенсивно брати участь в обмінних процесах між твердою та рідкою фазами водойми (ґрунтом та водою), а також між живим організмом та оточуючим його середовищем (гідробіонти та вода), тобто здібність цих речовин включатися в біологічні цикли.

До числа основних факторів, які є відповідальними за поведінку речовин у водоймах, що до них скидаються, відносяться гідрологічні, кліматичні, фізико-хімічні, хімічні, біологічні [26]. Шкідливі речовини, при надходженні їх у поверхневі водойми з рідкими скидами або зі змивами з поверхні, переміщуються у складі забруднених потоків, при цьому поступово розсіюються в масі річкової води. Ефективність цього процесу залежить, насамперед, від впливу комплексу природних факторів, з яких головну роль відіграють гідрологічні.

Вплив гідрологічного фактору. Важливим механізмом змішування потоку вод, що надходить, з водами водойми є турбулентна дифузія, інтенсивність якої залежить від топографії днища (рельєф, схили), наявності порогів, форми русла, наявності гідротехнічних споруд (греблі). В залежності від місцевих умов протяжність ділянки, в межах якої змішуються забруднені потоки з усією масою води річки, а також час, протягом якого завершується цей процес, можуть бути різними.

Рис. 5.1. Схема поведінки суміші при її скиді у водойму

На річках з високою турбулентністю потоку перемішування відбувається на відрізку річки від одного до десятків метрів (за декілька хвилин). Для малих річок рівнинного типу (площею водозбору 1-2 тис. км²) повне перемішування закінчується на відстані від 200 до 500 м нижче випуску стічних вод. В умовах середніх і великих річок рівнинного типу, з рухом потоків паралельно берегу, повне розбавлення відбувається на нескінченно великій відстані (до декількох десятків кілометрів) від місця випуску стічних вод у річку, а тривалість цього процесу вимірюється годинами

На процеси перемішування впливає співвідношення між кількістю скидних вод, які надходять у річку, та дебітом річки. Зрозуміло, що чим більше це співвідношення, тим більш швидко відбувається перемішування.

Формування забруднених потоків у руслі річки визначається, головним чином, гідродинамічними умовами, різницею в щільності річкової води і стічних вод та ін. При істотній різниці між щільністю стічних вод і річкової води, що може бути обумовлено різницею температур або ступенем їх мінералізації, відповідно розподіляються забруднені течії у потоці. В першому випадку теплі стічні води рухаються в поверховому потоці. При високій степені мінералізації стічні води, які відводяться у річку, опускаються у нижні шари і при спокійному рельєфі днища переміщуються в придонному шарі на значні відстані.

В глибоких озерах на протязі теплого періоду року верхній прогрітий шар води (до кількох метрів) є менш щільним і не змішується з нижнім. Якщо ж температура верхнього шару знижується до температури нижніх шарів і нижче, що відбувається, наприклад, перед льодоставом, то в цьому випадку можливо як би “перевертання” озера. Це явище також сприяє перемішуванню забруднених течій з основними масами озерної води. В мілких непроточних водоймах основну роль в розбавленні забруднених течій відіграє хвильовий режим та дифузія; в проточних цьому сприяє ще й течія.

Крім цього, роль гідрологічного фактору в розсіюванні шкідливих речовин полягає також у наявності та характері твердого стоку, тобто переміщення з потоком в річковому руслі наносів. Розрізняють два види наносів: зважені – які є піднятими водою і переміщуються завдяки їй, а також донні – які переміщуються по днищу. Перші створені переважно з глинистих або мулових часток, інші, головним чином, з піску. У водному середовищі шкідливі речовини адсорбуються переважно на поверхні тонкодисперсних глинистих та мулових частинок. Тому з числа твердих компонентів ці фракції краще за все акумулюють хімічні та радіоактивні речовини. Із-за малих розмірів швидкість осідання тонко дисперсних глинистих часток є невеликою. Так, у стоячій воді при температурі 10⁰С глинисті частинки розміром 0,01 мм осаджуються зі швидкістю 1 см в 2,2 хв., а розміром 0,001 мм – на протязі 4 годин. В умовах річок, особливо під час паводку, з-за підвищення швидкостей і турбулентності потоку час осідання зважених часток зростає. Тому переміщення сорбованих на них речовин можливо на великих відстанях. Частинки накопичуються примусово в заводях, біля дамб, а також на мілководних, особливо заболочених, ділянках річки, які багаті на водну рослинність. Саме в таких місцях, де відлягають зважені наноси, можливі підвищені концентрації забруднюючих речовин.

Донні наноси переважно складаються з піску, які рухаються по днищу при великих швидкостях води. Із-за того, що сорбційна спроможність і поглинальна ємність піску значно нижчі за глинисті або мулові частинки, практичне значення їх як носіїв хімічних та радіоактивних речовин не може йти ні в яке порівняння з водою річки.

Вплив фізико-хімічних факторів. Поведінка шкідливих речовин у водоймі в значній мірі залежить від складу води та її властивостей. Вода поверхневих прісноводних водойм частіше за все має нейтральну або слабо лужну реакцію. Виключення складають деякі водойми, головним чином, озерного типу, де через присутність у воді мінеральних кислот pH води є низьким. До цих вод, в основному, відносяться гумінові води гідрокарбонатного класу болотного походження. В річкових водах pH переважно коливається в межах 6 - 9. Нерідко істотну роль у зміні вказаних властивостей води водойм відіграють продукти життєдіяльності людини у вигляді побутових та каналізаційних стоків.

У всіх випадках зміни лужно-кислотних та окислювально-відновлювальних умов у водоймі визначають поведінку різних хімічних елементів. Так, в природних водах, pH яких є здвигнутим у кислу сторону, легко мігрують Ca, Sr, Ba, Ra, Zn, Fe, Co, Ni та інші елементи, які є слабо рухомими у лужних водах. У водах з лужною реакцією рухомими є Vn, Cr, U, Se та інші елементи.

При надходженні стічних вод з низькими значеннями pH у водойму, вода якої загалом має нейтральну або слабо лужну реакцію, частина хімічних речовин з розчину переходить у тверду фазу і буде осаджуватися на днищі. Ці явища в значній мірі залежать від ряду обставин: форми, в якій знаходяться хімічні речовини, що визначає ступінь їх розчинності, хімічного складу природних вод т. ін.

Через те, що шкідливі речовини, які надходять у водойми, знаходяться переважно в сильно розчиненому вигляді, вони можуть знаходитися тут у різних станах: монодисперсному, молекулярному, істинно колоїдному та псевдоколоїдному (адсорбція на колоїдних забрудненнях). При цьому існують загальні закономірності:

• лужні елементи (Na, K, Li, Rb, Cs) не створюють в широкому інтервалі pH ні істинних, ні псевдоколоїдів; вони знаходяться у розчинах у вигляді позитивно заряджених іонів;

• лужноземельні елементи (Mg, Ca, Sr, Ra) можуть знаходитися в іонному стані і утворювати лише псевдоколоїди;

• трьох -, чотирьох - і п’ятивалентні елементи можуть знаходитися в іонному, молекулярному станах і створювати різні продукти гідролізу, в тому числі і нерозчинні, тому вони можуть створювати як істинні, так і псевдоколоїди [26].

Істотний вплив на поведінку шкідливих речовин у водоймі здійснює присутність у воді дисперсних, переважно глинистих та мулових частинок, на поверхні яких фіксується частина речовин. Цей вид міграції тісно пов’язаний з донними відкладеннями.

Процеси депонування шкідливих речовин донними відкладеннями водойми. Надходження шкідливих речовин у водойму поступово забруднює дно водойми, що відбувається внаслідок декількох процесів: речовини сорбуються поверхнею дна; дифундують з водою у товщу ґрунтів, з яких складається дно; з води зважені частинки, які несуть сорбовані речовини, осаджуються на дні. В подальшому на дно опускаються залишки відмерлих гідробіонтів, які теж можуть вміщувати відповідні речовини. Наприкінці дно водойми може перетворитися місцями у своєрідний накопичувач хімічних чи радіоактивних речовин.

Рівні накопичення і характер розподілу шкідливих речовин у ґрунтах, які складають днище, залежать від ряду умов. Головна роль належить концентрації цих речовин у воді, формі хімічних з’єднань, а також механічному, мінералогічному і хімічному складу ґрунтів, які складають дно водойми, що визначає їх поглинальну ємність і фільтраційну спроможність.

Найбільшу сорбційну спроможність і поглинальну ємність мають ґрунти, які складаються переважно з мілко дисперсних глинистих або мулових частинок. Тому в місцях, де на дні є потужні відкладення мулу, спостерігається, в більшості випадків, накопичення шкідливих речовин, ніж у руслі річок, дно яких сформовано з чистих, добре промитих пісків або скельних порід.

У тому випадку, коли дно є муловим, найбільше забруднення донних відкладень спостерігається в місці випуску стічних вод у водойму. З відстанню від місця скиду забруднених вод концентрація речовин у донних відкладеннях зменшується. Для радіаційного забруднення, наприклад, процес його зменшення з відстанню r змінюється , як [19]. Однак при зарегульованості річок ця закономірність порушується, бо створюються умови, які сприяють осадженню і накопиченню зважених речовин.

Поряд з накопиченням речовин, сорбованих на поверхні мулових частинок, в донних відкладеннях, які виникають перед дамбами, в заводях і т.п., дно забруднюється ще іншими шляхами. Крім сорбції поверхнею днища, частина речовин при сприятливих умовах приникає у шари ґрунтів, які находяться на великій глибині водойми, і складає небезпеку забруднення підруслових вод. Глибина проникнення речовин в ці ґрунти залежить від структури і властивостей ґрунту, гідрогеологічних умов та інших факторів, про які вказано вище.

Позначимо через “ефективний” шар ґрунтів дна водойми h – шар донних відкладень, в якому відбувається акумуляція шкідливих речовин, що надходять зі скидними водами. Існують загальні закономірності щодо величини ефективного шару ґрунтів дна водойми h:

для елементів та їх радіоізотопів Cs, Po, Co, Zn, Cd, I для Sr, Ru, Zr, Nb т. ін. ін.[28]: на потужних глинистих ґрунтах на ділянках з піщаним дном

h=0,1 м h=0,3 м h=1,5 м

(5.1.1.)

Властивості донних відкладень і ґрунтів, які складають дно слабко проточних водойм, а також малих річок з повільним рухом та муловим дном, до накопичування значних кількостей шкідливих речовин можуть створювати істотне навантаження на водну екосистему. При інтенсивному забрудненні таких водойм і встановленні рівноважного стану між дном і водою на достатньо високому рівні наступне припинення нових надходжень забруднювачів не може швидко змінити становище, і водойма може стати непридатною на тривалий час.

Одним з головних факторів, що впливає на інтенсивність і повноту сорбції забруднювачів ґрунтами і міцність їх фіксації в твердій фазі, є реакція середовища. У водоймах з низьким значенням pH, що характерно для непроточних заболочених водойм, із-за слабкого перемішування течій, придонні шари звичайно збіднені на кисень та збагачені на вуглекислоту. Тут створюються умови, що спричиняють зворотний перехід речовин з донних відкладень у воду. Це може створювати вторинне забруднення води водойми.

Таким чином, при надходженні стічних вод у проточні водойми деяка частина шкідливих речовин фіксується днищем, біотою та на зважених частинках, які при сприятливих гідрологічних умовах також осаджується на днищі. Однак основна кількість забруднювачів переноситься у розчиненому стані з водою. Степінь їх розбавлення є функцією відстані і часу. Значення дна, як місця накопичення забруднювачів водойми, може бути різним. В умовах великих і середніх річок, де великі витрати води забезпечують значне розбавлення, забруднення донних відкладень є невеликим і може практично не впливати на рівень забруднення води. Однак на малих річках з повільною течією та муловим днищем та в слабо проточних та зовсім непроточних водоймах, донні відкладення можуть визвати вторинне забруднення води.