Управління якістю поверхневих водойм на прикладі басейну річки Ворскла

Рис.1.4. Середній вміст сульфат-іонів у воді річок Америки (у дужках - кількість досліджених річкових басейнів), мг/дм3

Сульфат-іон (SO/') надходить у природні води за рахунок процесів розчинення сірковмісних мінералів (гіпс), а також шляхом окислення сірки та сульфідів. Значні кількості S0₄ надходять за рахунок процесів відмирання живих рослинних і тваринних організмів та зі стічними водами.

Підвищений вміст сульфатів погіршує смакові якості води, здійснює вплив на шлунково-кишковий тракт. Сульфати погано всмоктуються у кишечнику. Вміст S0₄ у водах для питного споживання обмежується величиною 500 мг/дм , а для рибогосподарського використання - 100 мг/дм3.

Іон кальцію (Са1*). Первинним джерелом надходження його у поверхневі води є мінерали з вмістом кальцію (всього понад 700 мінералів). Найчастіше кальцій зустрічається у формі карбонату - у кальциті, мармурі, вапняку, доломітах, мергелі, крейді, а також у формі сульфату - у гіпсі, ангідриді. Великі кількості кальцію надходять зі стічними водами силікатних, металургійних, скловарних та хімічних підприємств, а також з сільськогосподарських угідь, особливо при застосуванні мінеральних добрив, що містять кальцій.

У річкових водах концентрація Са²⁺ рідко перевищує 1000 мг/дм", але звичайно вона набагато нижча. Гранично допустима концентрація Са²⁺ становить 180 мг/дм³.

Кальцій має дуже важливе значення для людини. Він потрібен для формування кісткових тканин (до 1 кг кальцію), зубів, стінок клітин, мускулів і кровотворення. Від вмісту кальцію залежить величина важливого показника якості води - жорсткості.

Рис.1.5. Вміст кальцію у воді річок світу, мг/дм3

Іон магнію (Mg2+) надходить у поверхневі води за рахунок процесів хімічного вивітрювання та розчинення доломітів та інших мінералів, зі стічними водами металургійних, силікатних та інших підприємств.

Гранично допустима концентрація Mg2+ складає 40 мг/дм3.

Сумарний вміст іонів кальцію та магнію у воді формує її загальну жорсткість. Жорсткість води - один з важливих критеріїв, який визначає придатність води для пиття та інших видів водокористування. Вода з жорсткістю до 4 ммоль/дм3 - м'яка, 4-8 ммоль/дм3 - середньої жорсткості, 8-12 ммоль/дм3 - жорстка, більше 12 ммоль/дм3 - дуже жорстка.

У жорсткій воді погано милиться мило, її використання у парових котлах, у теплопроводах призводить до відкладення солей у трубах, їх закупорення і навіть до вибухів парових установок.

Натрій-іон (Na+) та калій-іон (К*). Первинним джерелом надходження Na+ та К+ у поверхневі води є вивержені та осадові породи. Крім того, вони надходять зі стічними водами, з сільськогосподарських угідь, зі зрошуваних полів. Калій знаходиться у значно нижчих концентраціях, ніж натрій. Його концентрація у річковій воді рідко перевищує 25 мг/дм3 (рис.1.6).

Рис.1.6. Середній вміст калію у воді річок Європи, мг/дм3

Натрій і, калій мають важливе значення для живих організмів. Вони відповідають за транспорт поживних речовин на клітинному рівні.

1.2 Біогенні речовини

До біогенних належать мінеральні речовини, які найбільш активно беруть участь у життєдіяльності водних організмів: це сполуки, фосфору, кремнію, заліза та деяких мікроелементів.

У природні води біогенні речовини попадають головним чином при розпаді тваринних і рослинних організмів, життєдіяльність яких протікає у водному середовищі, з поверхні водозбору та зі скидними кодами. Концентрація біогенних речовин у воді незначна, але саме ці елементи визначають рівень біопродуктивності водних об'єктів і таким чином обумовлюють якість їх води.

Однак внаслідок широкого застосування мінеральних добрив у багатьох районах світу почалися випадки забруднення ґрунтових і поверхневих вод нітратами понад ГДК. Небезпека вживання води з підвищеним вмістом NO₃ полягає в тому, що нітрати, попадаючи з водою в організм людини, відновлюються мікрофлорою травного тракту і тканинними ферментами до нітритів, токсичність яких у 10-20 разів вища, ніж у NO3 і реагують з амінокислотами, утворюючи канцерогенні сполуки нітрозоаміни. Негативна дія нітратів, які надходять з питною водою, проявляється сильніше порівняно з нітратами, що потрапляють з овочами, внаслідок надходження із останніми аскорбінової кислоти, яка частково нормалізує порушення білкового, вітамінного, мікро-мінерального обмінів у організмі.Токсична доза для людини становить від 18 до 68 мг N-N03 ha 1 кг ваги чи 600 мг для однієї дорослої людини на добу.

Важливе значення для оцінки якості води має знання вмісту іонів амонію (NH4+) та нітрит-іону (NO₂). Іон амонію з'являється у воді внаслідок розчинення у ній аміаку - продукту розкладу органічних азотовмісних речовин.

Фосфор є одним із найважливіших біогенних елементів, регулятором продуктивності водойм. Він надходить у води в результаті процесів життєдіяльності і посмертного розкладу водних організмів, вивітрювання і розчинення порід і мінералів. Забрудненню поверхневих вод фосфором сприяє надходження комунальних стічних вод, що містять поліфосфати як компоненти миючих засобів, фотореагенти та пом'якшувачі води. Важливим фактором є змив фосфорних добрив з сільськогосподарських угідь.

Оцінка вмісту фосфору у природних водах має велике значення для визначення існуючої та потенційної продуктивності водойм. Зростання біопродуктивності водойм через надходження фосфору веде до їх евтрофікації та різкого погіршення якості води.

1.3 Важкі метали

Важкі метали (As, Cd, Cr, Co, Fe, Pb, Mn, Hg, Ni, Se, Ag, Zn) у вітчизняній гідрохімічній літературі відносяться до групи мікроелементів, враховуючи їх низькі концентрації у природних водах.

У природних водах важкі метали зустрічаються у вигляді завислих речовин, колоїдів (гідрооксиди металів), у формі комплексів, утворених з гуміновими та іншими органічними кислотами.

Важкі метали входять до складу сполук зі специфічними функціями: ферментів, вітамінів, гормонів. Ці сполуки активно впливають на зміну активності процесів обміну речовин у живих організмах. Саме через це вміст важких металів у воді нормується, адже збільшення їх концентрацій може викликати порушення біологічних процесів у живих організмах і призвести до їх захворювань, часто хронічних, а то й до загибелі.

Нижче подано характеристику деяких представників групи важких металів з огляду на їх важливість для формування якості води.

Свинець належить до малопоширених елементів. Розчинення цих мінералів є одним із джерел надходження свинцю у поверхневі води. Одним із значних джерел забруднення поверхневих вод сполуками свинцю є спалення вугілля, застосування тетраетилсвинцю у моторному паливі, а також винесення у водойми зі стічними водами рудозбагачувальних фабрик, металургійних підприємств, хімічних виробництв і шахт. Свинець легко утворює комплексні сполуки з більшістю сірчано-, фосфор-, кисень- і азотовмісних лігандів, що приводять потім до його акумуляції в живих і неживих органічних компонентах. Свинцеві отруєння призводять до підвищення кров'яного тиску, порушень кровотворної функції та порушень роботи мозку. Ртуть характеризується меншим вмістом у земній корі, ніж свинець чи інші метали. Це єдиний метал, який при нормальній температурі навколишнього середовища знаходиться у рідкому стані. її густина в 13,6 разів вища від густини води. У той же час вона дуже летка. При температурі повітря 20°С рівноважна концентрація ртуті у повітрі досягає 14 мг/м3.

Ртуть потрапляє в організми риб та інших водних істот у формі метилртуті. Якщо людина вживає рибу з певним вмістом ртуті, то 90% ЇЇ акумулюється людським організмом і не виводиться з нього.

Мікроорганізми можуть утворювати метилртуть за різних умов, причому аеробні умови більш ефективні для цього. Утворення метилртуті у річках і озерах досить легко відбувається при низьких значеннях рН води.

Цинк. Основним джерелом надходження цинку в природні води є мінерал сфалерит (ZnS). Цей мінерал розчиняється у воді краще, ніж інші сульфіди. Майже всі сполуки цинку, крім ZnF, добре розчинні у воді. Внаслідок цього, на відміну від міді й свинцю, цинк поширений у йодах. Максимальні концентрації цинку характерні для слабокислих вод рудних тіл (рН = 5,5-6,5).

Цинк - необхідний елемент як для людини і тварин, так і для рослин. В організмі цинк зменшує токсичність кадмію та міді. При нестачі цинку в рослинних організмах порушується обмін вуглеводів і білків, зменшується вміст хлорофілу.

Мідь. Різна валентність міді Сu+ і Сu2+ зумовлює великий вплив окисно-відновних умов на міграцію цього елемента. Сполуки одновалентної міді нерозчинні, а серед солей двовалентної міді є як легкорозчинні (CuS04), так і важкорозчинні у воді. Мідь легко сорбується негативно зарядженими колоїдами, що також обмежує міграцію цього елемента. Кількість міді у водах лімітується значенням рН.

Найважливішими джерелами надходження міді вважаються гірські породи, стічні води хімічних і металургійних виробництв, шахтні веди, різні реагенти, що містять мідь, а також стічні води з сільськогосподарських угідь.

Марганець. Найвідомішими сполуками марганцю є його оксиди і гідроксиди, такі як мінерали піролюзит і псиломелан.

Основним джерелом надходження марганцю у поверхневі води є залізомарганцеві руди та деякі мінерали, які містять марганець, стічні води марганцевих збагачувальних фабрик, металургійних заводів, підприємств хімічної промисловості, шахтні води тощо. У природних водах вміст марганцю коливається від одиниць до десятків і навіть сотень мікрограмів в 1 дм3. Він належить до поживних елементів для рослин і тварин, бере участь у процесах фотосинтезу, реакціях фотолізу води й виділення кисню.

Нікель міститься у природних водах у мікрограмових дозах: у річкових водах звичайно близько 3 мкг/дм3; коливається в межах 0,8-10,0 мкг/дм3. У підземних водах, які омивають гірські породи, що містять нікель, вміст нікелю може зростати до 20 мг/дм3. Найважливішим джерелом забруднення нікелем є стічні води цехів нікелювання, збагачувальних фабрик.

Кобальт. Завдяки меншій міграційній здатності і низькому вмісту у гірських породах кобальт у природних водах виявляється рідше, ніж нікель. Кобальт і його сполуки потрапляють у природні води при вилуговуванні мідно-колчеданових руд, екзогенних мінералів і порід, з ґрунтів при розкладанні організмів і рослин тощо. Особливо небезпечним джерелом надходження сполук кобальту стають стічні води металургійних, металообробних, нафтопереробних, хімічних та інших виробництв.

Стронцій - лужноземельний елемент групи кальцію. Має низькі концентрації у природних водах, що пояснюється слабкою розчинністю його сірчанокислих сполук, які вважаються основним джерелом надходження стронцію. Джерелом стронцію в природних водах є гірські породи, найбільшу кількість його містять гіпсоносні відклади. Інше, не менш важливе джерело надходження стронцію у наш час антропогенне.

1.4 Радіоактивні елементи

Головні джерела радіоактивності поверхневих вод - гірські породи та підземні води. Другорядним джерелом є атмосферні опади. Основні процеси, які зумовлюють появу та вміст радіоактивних елементів у воді:

а) розчинення сполук, які перебувають у твердому стані і містять радіоактивні ізотопи;

б) виділення радіоактивних ізотопів з розчину у вигляді осадів;

в) поглинання або видалення з води радіоактивних газів.

До процесів, які впливають лише на вміст радіоактивних ізотопів у воді, належать:

а) випаровування та утворення льоду, що підвищують концентрації радіоактивних ізотопів у воді;

б) випадіння опадів, танення льоду, конденсація пари, які зменшують радіоактивність води;

в) змішування вод різної радіоактивності;

г) змінення температури і тиску.

Найбільший внесок у сумарну радіоактивність річкових вод дає ⁴⁰К, тому радіоактивність річкових вод прямо залежить від вмісту у них калію (табл.1.2).

Таблиця 1.2. Природна радіоактивність води деяких річок земної кулі, зумовлена К [1]

Значний вплив на радіоактивність річкової води мають завислі тверді частинки, які збільшують сумарну радіоактивність води.

Ступінь радіоактивності річкових вод залежить від їхньої мінералізації, радіоактивності порід та деяких фізико-хімічних властивостей води. Річкова вода пересічно має меншу сумарну радіоактивність, ніж морська. Лише концентрація радію у річках наближається до його концентрації у морях.

Найбільший внесок у радіоактивне забруднення природних вод дають ізотопи штучного походження - 90Sr і l37Cs. Транзитний стік цезію Дніпровським каскадом водосховищ у Чорне море в перші роки після аварії відносно до його надходження в Київське водосховище становив 20%, а стронцію - близько 70%. Це підтверджує значні сорбційні можливості донних відкладів водосховищ.

Важливим процесом самоочищення вод є седиментація. Отже, у донні відклади переходить цілий ряд радіонуклідів, які адсорбуються на завислих частинках. Розподіл радіонуклідів у воді водосховищ Дніпра, за даними В. Канівця (Укр-НДІ Гідрометкому), подано на рис.1.7.

Рис.1.7. Розподіл радіонуклідів у воді водосховищ Дніпра

1.5 Синтетичні поверхнево-активні речовини, феноли та нафтопродукти

Синтетичні поверхнево-активні речовини (СПАР) - речовини, здатні адсорбуватися на поверхнях розподілу фаз і знижувати внаслідок цього їх поверхневу енергію (поверхневий натяг). У водні об'єкти СПАР потрапляють з побутовими та промисловими стічними водами.

Потрапляючи у водойми, водотоки, СПАР значно впливають на їх фізико-біологічний стан, погіршуючи кисневий режим і органолептичні властивості, які визначають за допомогою органів чуття - смаку, запаху тощо, і зберігаються там протягом тривалого часу, оскільки розчиняються повільно.

Гранично допустима концентрація СПАР у воді питного водопостачання та культурно-побутового водокористування становить 0,5 мг/дм3, у воді водойм рибогосподарського використання - 0,1 мг/дм3.

Феноли є ароматичними сполуками, які мають у молекулі гідроксильні групи, безпосередньо пов'язані з атомами вуглецю ядра.

У природних умовах феноли утворюються при процесах метаболізму водних організмів, при біохімічному окисленні та трансформації органічних речовин, які проходять як у водній товщі, так і в донних відкладах. Вони є однією з найпоширеніших забруднювальних речовин, які надходять у природні води зі стічними водами нафтопереробних, лісохімічних, коксохімічних, лакофарбових, фармацевтичних та інших підприємств. Концентрація фенолів у стічних водах може перевищувати 10-20 г/дм3.

Нафтопродукти - суміші газоподібних, рідких і твердих вуглеводнів різних класів, які видобуваються з нафти і нафтових супутніх газів.

Значні кількості нафтопродуктів потрапляють у природні води при перевезенні нафти водним шляхом, зі стічними водами промислових підприємств, особливо нафтодобувної та нафтопереробної промисловості, з господарсько-побутовими стічними водами.

Нафтопродукти несприятливо впливають на організм людини і тварин, водну рослинність, фізичний, хімічний і біологічний стан водного об'єкта. Низькомолекулярні аліфатичні, нафтенові й особливо ароматичні вуглеводні мають токсичний і деякою мірою наркотичний вплив на організм, вражаючи серцево-судинну та нервову систему. ГДК нафтопродуктів у воді питного водопостачання дорівнює 0,3 мг/дм3, у воді водойм рибогосподарського використання - 0,05 мг/дм.

1.6 Хімічні речовини канцерогенної дії

Хімічні речовини канцерогенної дії належать до різних класів хімічних речовин. За характером впливу на організми вони можуть бути розділені на 2 групи:

1. Генотоксичні речовини, які вступають у реакції з дезоксирибонуклеїновими кислотами.

2. Епігенетичні, негенотоксичні речовини, до яких належить чверть відомих канцерогенів.

Генотоксичні речовини мають електрофільні властивості і утворюють з нуклефільними субстанціями, такими як дезоксирибонуклеїнові кислоти, ковалентні сполуки. До генотоксичних речовин належать важкі метали (Cr(VI), Ni(II), Cd(II), As(V)) і алкалоїдні сполуки (наприклад, нітросечовина), які безпосередньо впливають на ДНК.

Епігенетичні канцерогени діють через різноманітні негенотокси-чні механізми. Поряд з гормонами та волокнами до цієї групи належать також цитотоксично діючі субстанції та пухлинні промотори. До найсильніших органічних сполук, що викликають пухлини, належать діоксини, які сьогодні поширені в навколишньому середовищі. Такі речовини значно підвищують кількість пухлинних захворювань, але самі не є канцерогенами. На відміну від генотоксичних речовин ці речовини починають свою негативну дію на клітинний поділ тільки після метаболічної активації. Якщо цей вплив постійний і починаються хронічні процеси, то виникають різні захворювання.

1.7 Органічні мікрозабруднювачі природних вод

Доведено, що синтетичні органічні хімічні речовини у багатьох випадках стають причиною токсичності сполук природного походження. На жаль, речовини природного походження рідко перевіряються на токсичність за тими ж критеріями, що і синтетичні сполуки.

Діоксини складаються із двох груп речовин, які виникають при синтезі деяких хлорорганічних сполук, якщо вони спалюються при відносно низьких температурах (<1000°С). До цих двох груп належать:

а) поліхлоровані дибензо-(р)-діоксини (PCDD);

б) поліхлоровані дибензофурани (PCDF).

У загальних випадках під діоксинами розуміють перш за все поліхлоровані дибензодіоксини, PCDD та поліхлоровані дибензофурани, PCDF.

PCDD-rpyпa включає 75 речовин, а PCDF-rpyna - 135 речовин. Один з представників PCDD-групи - 2,3,7,8-тетрахлордибензолдюксин має загальновживану назву «діоксин».

Різні види діоксинів мають різну токсичність. Для розрізнення діоксинів використовується еквівалент токсичності (ЕТ). Кожен із діоксинів має свій фактор токсичності (ФТ). Значення ФТ коливається від 0 до 1.

Спеціалістами Федеральної служби охорони здоров'я м.Берліна (ФРН).було розраховано надходження діоксинів у людський організм з продуктами харчування (табл.1.3).

Таблиця 1.3. Середньоденне надходження 2,3,7,8-СІДЮ та суми 17 діоксинів і фурантенів (середньозважена сума) в pg ЕТ/день з продуктами харчування

Пестициди - це хімічні препарати, органічно синтезовані сполуки, які використовуються у сільському господарстві для захисту рослин від хвороб і шкідників з метою збереження урожаю сільськогосподарських культур. Класифікація існуючих пестицидів, їх хімічні властивості добре описані у спеціальній та учбовій літературі [17].

Контролювати таку кількість речовин у воді не здатна жодна з країн світу. Для більшості з цих речовин не існує токсикологічно обґрунтованих ГДК. Так, в Європейському співтоваристві встановлені "підготовчі" ГДК (0,1 мкг/дм3), щоб попередити небажане забруднення пестицидами питних і поверхневих вод.

Значну небезпеку для поверхневих та ґрунтових вод становлять пестициди, які вносяться в кількостях від І до 10 кг/га, добре розчиняються у воді (>10-50 мг/дм³) і дуже повільно біологічно розкладаються. До таких пестицидів належать триазинові деривати (атразин, симазин, тербутилазин), феноксикарбонові кислоти та їх похідні (бентазон, бромазил, гексазинон).

В останні роки у воді річок, озер та водосховищ було знайдено цілий ряд різноманітних пестицидів, які попали у воду внаслідок їх застосування у сільському та лісовому господарстві. Найчастіше у поверхневих водах зустрічаються пестициди:

а) з високою імовірністю вмісту у пробах води (атразин, симазин,тербутилазин, хлортолурон, діурон, ізопротурон);

б) з імовірністю визначення в окремих пробах (бентазон,.2,4Б,мекопроп, метазахлор, метрібузін).

Гербіцидом, який найчастіше використовується в Україні, є трихлорацетат натрію, який звичайно позначають скороченням TCA-N. Для TCA-N вказується невелика токсичність для організмів акватичного довкілля та польовий період напіврозпаду порядку під днів до тижнів, ця речовина має низьку тривалість дії на середовище.

Широко використовується також гербіцид раундап, загальновідомий як гліфосат. Гліфосат показує незначну тривалість впливу у ґрунтах з встановленим періодом польового напіврозпаду порядку від днів до кількох тижнів залежно від умов ґрунтів.

Трефлан, загальновідомий як трифлуралін, є похідним динітроа-ніліну, практично нетоксичним для пацюків та інших тестових тварин, але з високою токсичністю для риб та акватичних організмів.

Триаллат є карбаматним пестицидом, що, як вважають, є легкото-ксичним для лабораторних тварин, через всмоктування, але високотоксичний для риб та акватичних організмів. Вважають, що речовина має помірну тривалість впливу у ґрунтах, що складає в середньому кілька місяців.

Ліндан є інсектицидом хлорорганічного типу. Вказується, що він помірно токсичний для лабораторних тварин, але також вважається, що він знижує розмноження птахів через потоншення яєчної шкаралупи. Він є високотоксичним для риб та організмів акватичного середовища.

Органофосфати, що використовуються як інсектициди, виявляють загалом помірну-дуже високу токсичність для риб та іншої флори і фауни.

Для оцінки ризику складено узагальнюючу таблицю для деяких найбільш вживаних речовин (табл.1.4). Скорочення Т та Р у стовпчику профілю впливу стосуються узагальненої інформації щодо таких характеристик речовини, як тривалість впливу у ґрунтовому середовищі та швидкості розподілу у ґрунтовому середовищі.

ДДТ та споріднені органічні сполуки. 1,1,1-трихлор-2,2-ди-(4-хлорфенил)-етан, який раніше називався дихлордифенілтрихлорета-ном (ДДТ), почали застосовувати ще в 40-х роках цього століття як інсектицид. Механізм дії ДДТ на інсектів полягає в його проникненні через шкіру комах і впливу на нервову систему внаслідок поширення балансу натрію в мембранах нервових клітин.

ДДТ відносно стабільний у навколишньому середовищі. Він зберігає свою дію впродовж двох років, хоча під впливом ензимів може перетворюватись в ДДЕ, який є малотоксичним для комах.

Таблиця 1.4. Оцінка реакції на дозу речовини та профілі впливу загальновживаних пестицидів

· + відноситься до низького;

· ++ до помірного і високого

Поліхлоровані біфеніли (англ. - РСВ) - це група сполук, у яких від 1 до 10 станів хлору зв'язані з атомами вуглецю в молекулі біфе-нілу. РСВ - хімічно стабільна сполука, має високий електричний опір. Використовується часто як наповнювач та ізолятор у трансформаторах, конденсаторах; як мастило у процесі обробки металів, в системах теплотранспорту тощо.

Поліциклічні ароматичні вуглеводні (від англ. polynuclear aromatic hidrocarbon - РАН) містять дві або декілька поєднані між собою ароматичні кільцеві системи. Вісім продуктів синтезуються під час процесів неповного згорання як супутні продукти і вважаються збудниками ракових захворювань. РАН, характеризуються гострою токсичністю, мають тривалу токсичну дію. Одноразові великі дози РАН не мають негативних наслідків, проте, діючи в малих дозах тривалий час, є канцерогенними речовинами.

Для порівняння наводяться дані про вміст деяких форм РСВ та РАН у різних компонентах водних екосистем (табл.1.5).

Таблиця 1.5. Вміст окремих форм РСВ у природних водах, донних осадах та деяких гідробіонтах

*Дані "Equipe Cousteau " (1993 p.).

*Дані Міжнародної комісії захисту Рейну (IKSR), річний звіт 1994р. ***Дані Українсько-Канадської експедиції по Дніпру в 1994 р.

* * *Дані Міжнародної комісії з захисту Ельби, річний звіт 1997р.

Легколеткі хлоровані вуглеводні. Ще в 70-ті роки нашого століття було помічено, що при хлоруванні води під час підготовки питної води в останній з'являлися нові органічні сполуки - тригалогенметани. У природних середовищах ці речовини мігрують досить швидко і на великі відстані. Однією з причин цього є їх стійкість; навіть в аеробних умовах не відбувається, як правило, ніякого біологічного розкладу цих речовин. Надходження легколетких хлорованих вуглеводнів у компоненти навколишнього середовища може провокувати там синтез нових речовин. Так, наприклад, три- та тетрахлоретан в ґрунтових водах перетворюється спочатку в 1,2-дихлоретан, потім у вінілхлорид. Розклад останнього призводить до появи у воді сполук етану і метану.

Результати впливу хлорування на вміст легколетких хлорорганічних сполук у водопровідній воді деяких міст України за даними М.Гофмана [23] подано на рис.2.20, вміст легколетких хлорованих вуглеводнів у поверхневих водних об'єктах - у табл.1.6.

Таблиця 1.6. Вміст легколетких хлорованих вуглеводнів у поверхневих водах, мкг/дм3

*Дані М.Гоффман, В.Мшаїїленко (1993 p.).

**Дані Міжнародної комісії захисту Рейну (IKSR), річний звіт 1994р.

***Дані Міжнародної комісії захисту Ельби, річний звіт 1997р.

Розділ 2. Принципи оцінки якості води

У розділі розглядаються суть поняття "якість води" та принципи його оцінки. Оцінка якості води проводиться відповідно до загальних принципів і систем загальноприйнятих критеріїв, вироблених світовим науковим співавторством з метою захисту і задоволення потреб різних категорій водоспоживачів і, зрештою, збереження якості природних вод.

2.1 Поняття про якість води

Природні води являють собою складні розчини, що містять у своєму складі всі відомі хімічні елементи у вигляді простих та складних іонів, комплексних сполук, розчинених та газоподібних молекул, стабільних та радіоактивних ізотопів. Мінеральні речовини, що знаходяться в природних водах у розчиненому стані в різних формах (іони, комплексні іони, недисоційовані сполуки, колоїди), умовно діляться на дві групи: макро- та мікрокомпоненти. До макрокомпонентів належать речовини, які постійно присутні у природних водах усіх типів і мають концентрацію не менше 1 мг/дм³. Мікрокомпоненти - це речовини, що зустрічаються у природних водах лише в малих концентраціях (менше 1 мг/дм³). Сукупність хімічних речовин, розчинених у воді, надає природним водам певних властивостей. Від величини вмісту тих чи інших речовин залежать такі властивості води, як солоність, жорсткість, лужність, кислотність, агресивність, її корозійна здатність. Відповідність хімічного складу і властивостей води вимогам конкретних водоспоживачів і становить суть поняття "якість води". Якість води для того чи іншого водокористування встановлюється за критеріями якості води - спеціальними ознаками (показниками), величина (концентрація) яких у воді науково обґрунтована і гарантує той чи інший рівень якості води відповідно до вимог конкретного споживача.

2.2 Фактори формування якості води

Формування якості природних вод являє собою складну сукупність процесів обміну хімічними речовинами природних вод з іншими природними середовищами в різних географічних умовах та при різному антропогенному навантаженні. Тому досить коректним є подання загальної сукупності процесів формування якості води як результату впливу складного комплексу природних і антропогенних факторів. Багатофакторність процесу формування якості води обумовлює складність його вивчення, а відсутність надійних теоретичних та методичних розробок знецінює спроби розкриття механізму формування якості води, перешкоджає розробці науково обґрунтованих підходів до управління та регулювання якості води.

Генетичну структуру причинно-наслідкових зв'язків процесу формування якості води характеризує рис.2.1.

Комплекс факторів, що регулюють якість води, складають 5 основних блоків: гідрометеорологічний, гідрохімічний, гідробіологічний, фізико-географічний, антропогенний. їх можна назвати блоками регулювання якості води. Кожен із цих блоків характеризується великим переліком різноманітних показників, які відображають внутрішню структуру та специфічні властивості даного фактора. Важливий блок регулювання якості води - антропогенний. Його роль і ступінь участі у загальних процесах формування якості води визначаються такими ознаками: розораність, скид стічних вод, внесення добрив, меліорованість, густота населення, питома вага поголів'я великої рогатої худоби, інших тварин, зарегульованість стоку та ін. Кількість ознак, що характеризують кожен із блоків факторів, може змінюватись залежно від складності поставленого завдання, можливості інструментального визначення ряду ознак, наявності тих чи інших видів господарської діяльності, фізико-географічних особливостей території.

Рис.2.2.Фактори і показники формування якості води

2.3 Критерії якості води

Критерії якості води характеризують якість води, необхідну для збереження і захисту окремих видів водокористування. Вони групуються на чисельних параметрах, які описують якість води.

Більшість критеріїв якості води встановлюють максимальний рівень концентрації речовини у воді, за яким не завдаються збитки в умовах безперервного водокористування для конкретного водоспо-живача, наприклад, питне водопостачання, водопостачання сільського господарства, рекреаційне водокористування. Різні види водокористування мають свої вимоги до якості води, тому можуть існувати різні критерії якості води для кожного з них. Критерії якості води були розроблені для широкого ряду традиційних параметрів якості води.

Надзвичайно актуальною у наш час є розробка критеріїв якості води для найбільш небезпечних речовин. Завдяки успіхам сучасної хімії органічного синтезу їх кількість (перелік) збільшується набагато швидше, ніж розробляються методи їх визначення у природних водах. До цієї категорії небезпечних речовин у розвинутих країнах відносять також генетичний матеріал, рекомбінований in vitro різними способами генної інженерії.

2.4 Принципи оцінки шкідливих характеристик забруднювачів води

Багато з розчинених у воді речовин здійснюють або можуть здійснювати негативний вилив на якість води та умови у водних екосистемах. Деякі речовини, наприклад ртуть, кадмій та пестициди, вже давно вважаються небезпечними. Інші речовини визнані такими лише нещодавно.

Під час відбору речовин широко використовуються такі параметри токсичності:

гостра водна токсичність;

хронічна водна токсичність.

Для визначення гострої водної токсичності звичайно використовуються два показники:

концентрація речовини, при якій 50% досліджуваних організмів (риб або дафній) існують протягом 96 год.;

концентрація, яка веде до іммобілізації 50% досліджуваних організмів (дафній) протягом 48 год.

При визначенні хронічної водної токсичності на досліджувані організми протягом всього їх життєвого циклу впливають тією чи іншою речовиною зі змінною концентрацією, щоб встановити рівень концентрацій, який шкідливо не впливає на живий організм.

Стійкість речовини у водному середовищі безпосередньо характеризує небезпеку, яку може становити для нього дана речовина. Чим триваліша присутність даної речовини у воді, тим вища імовірність її впливу на контрольні об'єкти.

Біоакумуляція описує наслідки поглинання якої-небудь речовини із навколишнього середовища контрольним організмом. Подібно до стійкості, біоакумуляція може створювати загрозу лише в сукупності з іншими параметрами, такими як токсичність.

Для екстраполяції даних лабораторних досліджень на фактичне положення у водоймі і для компенсації відсутньої інформації застосовуються компенсаційні коефіцієнти. Чим нижчий рівень знань про шкідливий вплив, особливо щодо тривалого впливу низьких концентрацій, тим ширший допуск на безпечність, що встановлюється між даними про вплив і обґрунтованими на їх основі критеріями якості.

Критерії якості води для одного і того ж показника можуть суттєво відрізнятися залежно від виду використання води. Залежно від рівня вимог до якості води водокористувачів можна розділити на 3 категорії:

Категорія 1: Використання води без дотримання стандартів

Види використання:

навігація (судноводіння);

транспортні системи (лісосплав, скид стічних вод, інші);

добування копалин (пісок, гравій, природний газ, нафта);

виробництво електроенергії (ГЕС, ГАЕС).

Категорія 2: Водокористування з визначеними стандартами

Види використання:

побутове водопостачання;

промислове виробництво з водним охолодженням;

іригація;

риборозведення;

рекреація і туризм.

Категорія 3: Використання води з "фоновою якістю"

Вид використання - життєдіяльність екосистем. Баланс між усіма видами водокористування, особливо в умовах обмеженості водних ресурсів, знайти дуже важко. Єдиний вихід використання багатофункціонального підходу до водних ресурсів конкретної території, регіону чи країни. Завдяки цьому запроваджується ієрархія водокористування і забезпечується гнучкість у розвитку політики управління водними ресурсами на різних рівнях і вибір пріоритетів їх використання у часі.

2.5 Критерії якості питної води

Ці критерії описують вимоги, які пред'являються до якості природних водних об'єктів, з яких здійснюється забір води для питного водопостачання.

Дані критерії встановлюють мікробіологічні та біологічні вимоги до води, регламентують неорганічні й органічні речовини, що має велике значення для здоров'я людини.

В країнах - членах Європейського співтовариства національні критерії якості сирої води, що використовується для питного водопостачання, також орієнтуються на Директиву Ради ЄЕС від 16 червня 1975 р. (75/440/ЄЕС) про якість поверхневих вод, призначених для забору питної води в державах співтовариства. У цій директиві представлено 45 критеріїв для параметрів:

- пов'язаних безпосередньо зі здоров'ям населення (мікробіологічні характеристики, токсичні сполуки та інші речовини, шкідливі для людини);

- що характеризують смак і запах води (наприклад, феноли);

що опосередковано впливають на якість води (наприклад, колір, амоній);

що мають загальне відношення до якості води (наприклад, температура).

Водогосподарські органи України при вирішенні проблем питного водопостачання керуються відповідними документами колишнього СРСР. Основними з них є:

ГОСТ 2761-84. Джерела централізованого господарсько-питного водопостачання.

СанПіН 4630-88. Санітарні правила і норми охорони поверхневих вод від забруднення.

Правила охорони поверхневих вод (1991 p.).

Державні санітарні правила та норми України "Питна вода, гігієнічні вимоги до якості води централізованого господарсько-питного водопостачання" від 23 грудня 1996 р.

Згідно з цими нормативними документами водним об'єктам, що використовуються як джерела централізованого або нецентралізованого господарсько-питного водопостачання, надається перша категорія водокористування. Відповідно до категорії водокористування встановлюються гігієнічні вимоги і нормативи складу і властивостей води водних об'єктів, які повинні бути забезпечені в них при їх використанні для питного водопостачання. Так, наприклад, за вимогами ГОСТ 2761-84 до якості поверхневих вод пред'являються вимоги, подані в табл.2.1.

Таблиця 2.1. Показники якості води поверхневих джерел водопостачання (по ГОСТ 2761-84)*

2.6 Критерії якості води для зрошення

Зрошення є одним із основних напрямків водоспоживання у сільському господарстві. Погана якість води може позначитися на зрошуваних культурах та фунтах в результаті накопичення солей у кореневій зоні, зниження проникності ґрунту внаслідок надмірного впливу натрію і кальцію або в результаті переносу хвороботворних організмів чи забруднюючих елементів, що є безпосередньою токсичною небезпекою для рослин.

Забруднюючі речовини у зрошуваній воді можуть накопичуватися у ґрунті і зробити його через декілька років непридатним для сільського господарства. Але навіть у випадках, коли наявність пестицидів у зрошуваній воді безпосередньо не впливає на розвиток рослин, вона може потенційно вплинути на якість сільськогосподарської продукції. Критерії якості води для зрошення звичайно враховують такі характеристики, як солестійкість культури рослин, концентрації натрію і фітотоксичні мікроелементи.

Для зрошення сільськогосподарських земель використовуються поверхневі, підземні, стічні та оборотні води. Якість іригаційних вод оцінюється за кількістю завислих у воді часток, мінералізацією, хімічним складом, температурою. М.М. Углановим зроблено спробу узагальнити і зіставити основні показники по оцінці сольового складу іригаційних вод з метою знайти те загальне, що характерне для кожного з показників. При цьому перш за все враховується вплив зрошуваної води даного хімічного складу на розвиток рослин, процеси засолення і осолонцювання ґрунтів і порід.

А.М. Костяков характеризує іригаційні властивості вод залежно від їх мінералізації так:

Вода, яка містить не більше 400 мг/дм³ розчинених солей, - хороша зрошувана вода.

Вода, яка містить від 400 до 1000 мг/дм³ розчинених солей, потребує обережного підходу, із врахуванням всього комплексу умов її використання.

Вода, яка містить від 1000 до 3000 мг/дм³ розчинених солей, засолює грунт.

Найбільш шкідливими для рослин солями в поливних водах є солі натрію; при цьому допустима концентрація окремих солей у воді така: Na₂C0₃ - до 1, NaCI - до 2, Na₂S0₄ - до 5 г/дм³.

Подібні обмеження пов'язані не з токсичністю таких концентрацій соди для рослин, а з можливістю осолонцювання ґрунтів, які бідні гіпсом чи іншими солями кальцію, під впливом зрошуваних вод.

При зрошенні водами високої мінералізації особливу небезпеку має осолонцювання ґрунтів, суть якого полягає у заміні в обмінному комплексі грунтів двовалентних іонів на одновалентні. Осолонцювання знижує водопроникність ґрунту, збільшує його дисперсність, пластичність, набухання, що призводить до порушення структури ґрунту і втрати родючості.

Критерії якості води для зрошення значно відрізняються у різних країнах у зв'язку із різною інтенсивністю зрошення. Наприклад, в Канаді критерії якості поливних вод встановлюють таким чином (табл.2.3), щоб забезпечити можливість зрошення земель впродовж як мінімум 100 років з річною нормою використання поливних вод в об'ємі 1000 мм, перш ніж концентрація забруднювачів у ґрунті досягне граничної фітотоксичності.