ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Обзор учебно-методических пособий по экологическим проблемам гидросферы

Глава 2. Современные экологические проблемы, связанные с гидросферой

2.1 Круговорот воды

2.2 Поверхностные воды

2.3 Грунтовые воды

2.4 Вода в жизни человека

2.5 Проблемы с водой

2.6 Особая тема: пресная вода и ее дефицит

2.6.1 Общие объемы водопотребления

2.6.2 Водопотребление промышленными предприятиями

2.6.3 Водопотребление в сельском хозяйстве

2.6.4 Водопотребление в жилищно-коммунальном хозяйстве

2.6.5 Техногенное загрязнение поверхностных вод

2.6.6 Контроль уровня загрязнения водного бассейна

2.6.7 Пути преодоления дефицита пресных водных ресурсов

Глава 3. Методические особенности освещения экологической проблематики темы «Гидросфера»

3.1 О способах формирования интереса к процессу познания

3.2 Использование средств наглядности при изучении воды и растворов

3.3 Интегрированный урок на тему: «Вода - уникальное вещество природы»

3.4 Урок на тему: «Вода - основа жизни на Земле»

3.5 Внеклассное мероприятие на тему: «Где вода, там и жизнь»

Обсуждение результатов. Выводы

Введение

Еще 350 лет назад английский писатель Томас Фуллер с грустью заметил: «Воду мы начинаем ценить не раньше, чем высохнет колодец». Неоценима роль воды в жизни и деятельности человека. Существуя в трех агрегатных состояниях, вода является основой развития геологической истории планеты, возникновения и продолжения биологической жизни на Земле. Чистая вода-необходимое условие благополучного существования всего живого.

Актуальность. Тема гидросфера для человека будет актуальна всегда, тем более в современных условиях ухудшения ее качества, что связанно с экологической безграмотностью.

И следовательно целью работы является возможность экологического воспитания учащихся в рамках темы «Гидросфера», в школьных курсах естественнонаучного цикла.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- анализ школьных программ и учебников, а также другой литературы отражающей экологические и прикладные аспекты темы «Гидросфера», в курсах естественнонаучных дисциплин

- обзор современных экологических проблем связанных с гидросферой.

- составление и реализация планов-конспектов учебно-воспитательных мероприятий на тему «Гидросфера» с экологической составляющей.

- апробировать среди учащихся 10-х классов МОУ СОШ №32 г. Нальчика некоторые формы организации элективных занятий;

Объект исследования Учебно-воспитательная работа по теме «Гидросфера» с учениками 8 класса РДЭБЦ и 10-11 МОУ СОШ № 32.

Предмет исследования. Возможности экологизации темы «Гидросфера» в школьных курсах естественнонаучного цикла.

Гипотеза. Внедрение экологических аспектов при изучении темы «Гидросфера» поможет повысить качество образования и уровень экологической образованности учащихся.

ГЛАВА 1.

ОБЗОР УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИХ ПОСОБИЙ ПО ЭКОЛОГИЧЕСКИМ ПРОБЛЕМАМ ГИДРОСФЕРЫ

В школьном учебнике Г.Е. Рудзитиса и Ф.Г. Фельдмана «Гидросфера» [1] рассматривается в рамках темы: «Вода. Растворы», на изучение которой отводится четыре часа, внимание уделяется составу воды, распространенности в природе, физическим и химическим свойствам, поверхностно рассмотрены стадии очистки сточных вод.

Согласно тематическому планированию по учебнику Л.С. Гузея, В.В. Сорокина и Р.П. Суровцевой [2] на изучение темы «Вода. Водные растворы», отводится шесть часов. Здесь затрагиваются такие аспекты как: Вода в природе, получение воды, физические свойства воды, вода-растворитель, растворение - физико-химический процесс, способы выражения количественного состава раствора, приготовление растворов с определенной массовой долей растворенного вещества и заданной молярной концентрацией, растворимость веществ, химические свойства воды, кратко рассмотрены стадии очистки сточных вод.

В учебнике О.С.Габриеляна [3] вода вообще не обособляется в отдельную тему, зато приводится практическая работа: «Анализ почвы и воды», где производится определение прозрачности воды и интенсивности запаха.

Данные учебные пособия соответствуют программе учебной дисциплины «Химия» Минобразования Российской Федерации, предназначены для учащихся 8 классов.

Дополнительная образовательная программа «Основы гидробиологии», рассчитанная на учащихся 8-9 классов, является разработкой А.М. Хатухова и А.В. Якимова [4]. В ней на краеведческом материале даются общие сведения о гидросфере, процессах, связанных с водой, а также водных обитателях и аспектах мониторинга качества воды.

Учебник Н.М. Черновой, В.М. Галушина и В.М. Константинова «Экология» [5] для 10-11 классов является специализированным пособием по экологии, здесь излагаются основные закономерности функционирования экологических систем и биосферы в целом. Вода рассматривается, как одна из сред жизни, особое внимание уделено рациональному использованию и охране водных ресурсов, в частности, причинам дефицита пресной воды, основным мерам по охране водных ресурсов, очистке сточных вод. Учебное пособие соответствует программе учебной дисциплины «Экология» Минобразования Российской Федерации, предназначено для студентов и школьников старших классов, но, на мой взгляд, имеет некоторые недостатки - уделяется всего 2 часа на изучение этой темы, чего явно не хватает для формирования целостного представления о гидросфере, учащимися. Целесообразней было бы сопровождать каждый раздел данной темы экспериментом, который проводили сами ученики.

Комплексная дополнительная образовательная программа «Общая биология», рассчитанная на учащихся 10-11 классов и составленная на основе учебника Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор Биология Т.1-3 [6], включает в себя тему «Транспорт у растений», на изучение которой отводится пять часов. В ней рассматриваются такие разделы, как «Водный режим растений», «Транспирация и передвижение воды в листьях», «Подъем воды по ксилеме», «Поглощение воды и минеральных веществ корнями и их транспорт».

Таким образом, в представленной литературе хорошо рассматривается вопрос о собственно гидросфере и месте воды в жизнедеятельности организмов. В то же время в ней крайне мало дается материала об охране воды. Поэтому возникает потребность изложения во второй главе современных экологических проблем, связанных с гидросферой.

Исходя из литературного обзора в первой главе, можно сделать вывод, что каждая дисциплина рассматривает воду подробно, но экологические проблемы освещены плохо, поэтому возникла потребность изложения современных экологических проблем связанных с гидросферой.

ГЛАВА 2.

СОВРЕМЕНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С ГИДРОСФЕРОЙ

2.1 Круговорот воды

Как мы помним из школьных уроков природоведения, вода находится в постоянном движении (рис. 1). Испаряясь с поверхности водоемов, почвы, растений, вода накапливается в атмосфере и, рано или поздно, выпадает в виде осадков, пополняя запасы в океанах, реках, озерах и т.п.

Рис. 1. Схема круговорота воды в природе

Таким образом, количество воды на Земле не изменяется, она только меняет свои формы - это и есть круговорот воды в природе. Из всех выпадающих осадков 80 % попадает непосредственно в океан. Для нас же наибольший интерес представляют оставшиеся 20 %, выпадающие на суше, так как большинство используемых человеком источников воды пополняется именно за счет этого вида осадков. Упрощенно говоря, у воды, выпавшей на суше, есть два пути. Либо она, собираясь в ручейки, речушки и реки, попадает в результате в озера и водохранилища - так называемые открытые (или поверхностные) источники водозабора. Либо вода, просачиваясь через почву и подпочвенные слои, пополняет запасы грунтовых вод. Поверхностные и грунтовые воды и составляют два основных источника водоснабжения. Оба этих водных ресурса взаимосвязаны и имеют как свои преимущества, так и недостатки в качестве источника питьевой воды [1-5].

2.2 Поверхностные воды

Качество поверхностных вод зависит от сочетания климатических и геологических факторов.

Основным климатическим фактором является количество и частота осадков, а также экологическая ситуация в регионе. Выпадающие осадки несут с собой определенное количество нерастворенных частиц, таких как пыль, вулканический пепел, пыльца растений, бактерии, грибковые споры, а иногда и более крупные микроорганизмы. Океан является источником разных солей, растворенных в дождевой воде. В ней можно обнаружить ионы хлорида, сульфата, натрия, магния, кальция и калия. Промышленные выбросы в атмосферу также «обогащают» химическую палитру, в основном за счет органических растворителей и оксидов азота и серы, являющихся причиной выпадения «кислотных дождей». Вносят свою лепту и химикаты, применяемые в сельском хозяйстве.

К числу геологических факторов относится структура русла рек. Если русло образовано известняковыми породами, то вода в реке, как правило, прозрачная и жесткая. Если же русло из непроницаемых пород, например гранита, то вода будет мягкой, но мутной за счет большого количества взвешенных частиц органического и неорганического происхождения.

В целом поверхностные воды характеризуются относительной мягкостью, высоким содержанием органики и наличием микроорганизмов.

2.3 Грунтовые воды

Значительная часть выпадающей дождевой воды, а также талая вода, просачивается в почву. Там она растворяет содержащиеся в почвенном слое органические вещества и насыщается кислородом. Глубже находятся песчаные, глинистые, известняковые слои. В них органические вещества по большей части отфильтровываются, но вода начинает насыщаться солями и микроэлементами. В общем случае, на качество грунтовых вод влияют несколько факторов:

1) Качество дождевой воды (кислотность, насыщенность солями и т.д.).

2) Качество воды в подводном резервуаре. Возраст такой воды может достигать десятков тысяч лет.

3) Характер слоев, через которые проходит вода.

4) Геологическая природа водоносного слоя.

В наиболее значительных количествах в грунтовых водах содержаться, как правило, кальций, магний, натрий, калий, железо и в меньшей степени марганец (катионы). Вместе с распространенными в воде анионами - карбонатами, гидрокарбонатами, сульфатами и хлоридами - они образуют соли. Концентрация солей зависит от глубины. В наиболее «старых» глубоких водах концентрации солей настолько велика, что они обладают явственно солоноватым вкусом. К этому типу относится большинство известных минеральных вод. Наиболее качественную воду получают из известняковых слоев, но глубина их залегания может быть достаточно большой, и добуриться до них - дорого. Грунтовые воды характеризуются достаточно высокой минерализацией, жесткостью, низким содержанием органики и практически полным отсутствием микроорганизмов.

2.4 Вода в жизни человека

Вода - на первый взгляд простейшее химическое соединение двух атомов водорода и одного атома кислорода - является, без всякого преувеличения, основой жизни на Земле. Не случайно ученые в поисках форм жизни на других планетах солнечной системы столько усилий направляют на обнаружение следов воды.

Сама по себе вода не имеет питательной ценности, но она является непременной составной частью всего живого. В растениях содержится до 90 % воды, в теле же взрослого человека ее 60-65 %, но это «усреднено» от общей массы тела. Если же говорить более детально, то кости - это всего 22 % воды, однако мозг - это уже 75 %, мускулы - тоже 75 % воды (в них находится около половины всей воды тела), кровь состоит из воды на 92 %.

Первостепенная роль воды в жизни всех живых существ, и человека в том числе, связана с тем, что она является универсальным растворителем огромного количества химических веществ, т.е. фактически является той средой, в которой и протекают все процессы жизнедеятельности.

Вот лишь небольшой и далеко не полный перечень «обязанностей» воды в нашем организме.

Вода:

Регулирует температуру тела.

Увлажняет воздух при дыхании.

Обеспечивает доставку питательных веществ и кислорода ко всем клеткам тела.

Защищает и буферизирует жизненно важные органы.

Помогает преобразовывать пищу в энергию.

Помогает питательным веществам усваиваться органами.

Выводит шлаки и отходы процессов жизнедеятельности.

Определенное и постоянное содержание воды - вот необходимое условие существования живого организма. При изменении количества потребляемой воды и ее солевого состава нарушаются процессы пищеварения и усвоения пищи, кроветворения и пр. Без воды невозможна регуляция теплообмена организма с окружающей средой и поддержание температуры тела.

Человек чрезвычайно остро ощущает изменение содержания воды в своем организме и может прожить без нее всего несколько суток. При потере воды в количестве менее 2 % веса тела (1-1,5 л) появляется чувство жажды, при утрате 6-8 % наступает полуобморочное состояние, при 10 % -- галлюцинации, нарушение глотания. Потеря 10-20 % воды опасна для жизни. Животные погибают при потере 20-25 % воды.

В зависимости от интенсивности работы, внешних условий (в т.ч. климата), культурных традиций человек суммарно (вместе с пищей) употребляет от 2 до 4 л воды в сутки. Среднесуточное же потребление составляет около 2-2.5 л. Именно из этих цифр исходит Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) при разработке рекомендаций по качеству воды.

2.5 Проблемы с водой

Запасы пресной воды представляют собой единый ресурс. Рассчитанное на длительную перспективу освоение мировых ресурсов пресной воды требует целостного подхода к использованию этих ресурсов и признания взаимозависимости между элементами, составляющими запасы пресной воды и определяющими ее качество.

В мире существует мало регионов, не затронутых проблемами потери потенциальных источников снабжения пресной водой, ухудшения качества воды и загрязнения поверхностных и подземных источников. Основные проблемы, отрицательно влияющие на качество воды рек и озер, возникают, в зависимости от обстоятельств, с разной степенью остроты в результате несоответствующей очистки бытовых сточных вод, слабого контроля за сбросом промышленных сточных вод, утраты и разрушения водосборных площадей, нерационального размещения промышленных предприятий, обезлесения, бесконтрольной залежной системы земледелия и нерациональных методов ведения сельского хозяйства. Это приводит к вымыванию питательных веществ и пестицидов. Нарушается естественный баланс водных экосистем, и возникает угроза для живых пресноводных ресурсов.

В различных обстоятельствах на водные экосистемы влияют также проекты освоения водных ресурсов в целях развития сельского хозяйства, такие, как плотины, схемы переброски речных стоков, водохозяйственные сооружения и ирригационные проекты. Эрозия, заиление, обезлесение и опустынивание приводят к возрастанию деградации земель, а создание водохранилищ в некоторых случаях отрицательно сказывается на экосистемах. Многие из этих проблем возникают вследствие экологически разрушительных моделей развития и отсутствия понимания проблем общественностью и соответствующих знаний об охране ресурсов поверхностных и подземных вод.

Степень воздействия на окружающую среду и здоровье человека поддается измерению, хотя во многих странах методы осуществления такого контроля являются весьма неадекватными или вообще не разработаны. Широко распространено недопонимание взаимосвязей между освоением, управлением, рациональным использованием и очисткой водных ресурсов и водными экосистемами. Там, где это возможно, исключительно важно осуществлять профилактические меры, с тем чтобы избежать впоследствии дорогостоящих мероприятий по восстановлению, очистке и освоению новых водных ресурсов.

В большинстве случаев вода, поступающая из скважины, а зачастую и из муниципальной водопроводной системы, нуждается в предварительной обработке, целью которой является доведение качества воды до действующих нормативов.

Судить о качестве воды и ее соответствии или несоответствии установленным нормам можно только на основании максимально полного химического и бактериологического анализа. Только на основе анализа можно делать окончательный вывод о той проблеме или комплексе проблем, с которыми придется иметь дело.

Основные неприятности с водой, с которыми приходится сталкиваться пользователям, следующие.

Наличие в воде нерастворенных механических частиц, песка, взвесей, ржавчины, а также коллоидных веществ. Их присутствие в воде приводит к ускоренному абразивному износу сантехники и труб, а также к их засорению.

Присутствие в воде растворенного железа и марганца. Такая вода первоначально прозрачна, но при отстаивании или нагреве приобретает желтовато-бурую окраску, что является причиной ржавых подтеков на сантехнике. При повышенном содержании железа вода также приобретает характерный «железистый» привкус.

Жесткость, которая определяется количеством растворенных в воде солей кальция и магния. При их высоком содержании возможны выпадение осадка и появление белесых разводов на поверхности ванны, мойки и т.д. Соли кальция и магния, называемые также солями жесткости, являются причиной возникновения всем хорошо известной накипи.

Сравнительно безобидная в чайнике, накипь, откладываясь на стенках водонагревательных устройств (бойлеров, колонок и т.п.), а также на стенках труб в линии горячей воды, нарушает процесс теплообмена. Это приводит к перегреву нагревательных элементов, перерасходу электроэнергии и газа. Отложение накипи является причиной до 90 % аварий водонагревателей.

Наличие в воде неприятного привкуса, запаха и цветности. На эти три параметра, которые принято называть органолептическими показателями, могут оказывать влияние находящиеся в воде органические вещества, остаточный хлор, сероводород.

Бактериологическая загрязненность. Вызвана наличием в воде различных микробов или бактерий. Некоторые из них могут представлять непосредственную угрозу здоровью и жизни человека, но даже сравнительно безопасные бактерии в процессе своей жизнедеятельности выделяют органические вещества, которые не только влияют на органолептические показатели воды, но и, вступая в химические реакции (например, с хлором), способны создавать ядовитые и канцерогенные соединения.

Естественно, что приведенный выше список не исчерпывает всего многообразия проблем, возникающих с водой, однако знакомит нас с основными из них.

2.6 Особая тема: пресная вода и ее дефицит

Проблемы, связанные с водой как важнейшим природным ресурсом, обусловлены не только неравномерным характером распределения речного стока по отдельным регионам и странам, но и ростом населения Земли и, следовательно, ростом потребления пресной воды населением, промышленностью, сельским хозяйством и сопровождающим его антропогенным и техногенным загрязнением всех компонентов гидросферы [5, 9-11]. Это привело к серьезной мировой экологической проблеме - дефициту чистой пресной воды.

2.6.1 Общие объемы водопотребления

Объем мирового потребления пресной воды за последнее столетие увеличился на порядок, причем наибольший рост приходится на последнюю четверть столетия. В настоящее время ежегодное мировое потребление пресной воды составляет 5-6 тыс. км³, или более 10 % ресурсов пресной воды на Земле. В Российской Федерации в последние пять лет годовое потребление составляет 90-100 км³, или порядка 2 % мирового водопотребления. Напряженность с пресной водой возникает, прежде всего, в тех регионах и странах, где скорость потребления пресной воды выше скорости возобновления ее запасов. В ряде регионов России забор воды из водоисточников в средний по водности год достигает 50 % от ресурсов пресной воды данного региона и даже больше. Обобщенная структура водопотребления в России такова: промышленность - 54 %; сельское хозяйство - 23 %; коммунально-бытовое хозяйство - 23 %.

Пресную воду используют на промышленных предприятиях, много ее потребляет сельскохозяйственное производство, вода питьевого качества расходуется на коммунально-бытовые нужды населения. Потребление пресной воды в мире и в России показано на диаграмме (рис. 2).

2.6.2 Водопотребление промышленными предприятиями

Расход воды на нужды промышленного производства очень велик. Вода - компонент большинства промышленных технологий и энергетических установок. Например, для выплавки 1 т чугуна, переработки его в сталь и прокат потребляется до 300 м³ воды, а для получения цветных металлов - еще больше (например, для получения 1 т меди - 500 м³, 1 т никеля - почти 4000 м³ чистой пресной воды).

Высока водоемкость отраслей химической промышленности, производящих каучук, капрон и другие синтетические материалы.

Добыча нефти и подавляющее большинство нефтехимических процессов ее переработки связаны с использованием больших объемов воды. Известно, что всего 30 % нефти поступает в скважины самотеком, дальнейшая добыча возможна лишь при закачивании в соседнюю скважину пара или воды. Объем воды, используемой при российской технологии нефтедобычи, очень велик: более 1000 млн. м³ в год. Одновременно происходит значительное загрязнение поверхностных водоемов из-за сброса предприятиями нефтедобычи сточных вод, более половины которых не очищены. На нефтеперерабатывающих заводах, работающих по старой технологии, расходуется до 10-15 м³ воды на 1 т перерабатываемой нефти. По мере совершенствования технологических процессов этот расход воды сокращается: на заводах, построенных в 60-е гг., он достигает 1 м³/т, а на современных предприятиях - 0,5-0,8 м³/т.

Очень водоемки технологические процессы в угольной промышленности - гидродобыча угля в гидрошахтах и гидромеханизированные вскрышки на разрезах, а также мокрое обогащение угля на обогатительных фабриках. Средний объем водопотребления объектами угольной промышленности в России составляет более 3000 млн. м³ в год, при этом предприятия отрасли сбрасывают в поверхностные водоемы загрязненную воду (81 % всех промышленных сточных вод, требующих очистки) с большим содержанием вредных, в том числе и канцерогенных, веществ и элементов. Отметим, что сброс в поверхностные водоемы шахтных вод, которые также загрязнены, вообще не предусматривает их очистки.

Велик расход воды непосредственно на электроэнергетических установках - ТЭС и АЭС: в среднем для получения 1 кВт ч электроэнергии требуется до 200 м³ воды. Объемы используемой воды можно рассчитать, зная цифровое значение вырабатываемой в стране электроэнергии (например, ежегодная выработка электроэнергии в России составляет около 1000 мдрд кВтч). В целом расход воды при работе тепловых и атомных электростанций соответствует стокам крупных рек.

2.6.3 Водопотребление в сельском хозяйстве

Крупный потребитель пресной воды - сельское хозяйство. Орошение - одно из средств увеличения объема сельскохозяйственной продукции, поскольку для выращивания зеленой массы, цветения и плодоношения растениям требуется очень много воды. Так, для получения 1 кг зеленой массы растение расходует на транспирацию от 200 до 1000 м³ воды. Для орошения 1 га зерновых полей в среднем необходимо около 1000 м³ воды, 1 га рисовых полей - от 8000 до 12000 м³ воды. В связи с ростом населения в тех регионах, в которых рис - основная сельскохозяйственная культура, там расширяются площади орошаемых земель. В настоящее время во всем мире орошается почти 300 млн. га земли и 60 % мирового водозабора затрачивается на орошение.

Еще одна из причин сокращения запасов пресной воды - уменьшение водоносности рек, связанное с вырубкой лесов и осушением болот.

Строительство плотин на равнинных реках и водохранилищ при ГЭС приводит к итоге не к пополнению запасов воды, а к их уменьшению. Вода водохранилищ заболачивается, прилегающие к ним земли засоляются, снижается их плодородность, и как следствие возрастают расходы воды на производство сельскохозяйственной продукции и затраты на восстановление почвы.

2.6.4 Водопотребление в жилищно-коммунальном хозяйстве

Как следует из диаграммы (рис. 3), расходы на хозяйственно-питьевое снабжение населения России почти в 3 раза превышают соответствующий мировой показатель. Установленная ВОЗ норма расхода воды на одного городского жителя составляет 200 л/сут. Расход воды на одного жителя в Лондоне равен 170 л/сут, в Париже - 160 л/сут.

По данным Госкомстата России, при среднем уровне удельного водопотребления (на одного человека) в Российской Федерации на хозяйственно-питьевые и коммунально-бытовые нужды, равном 272 л/сут, в Москве этот показатель составляет 539 л/сут, в Челябинской области - 369 л/сут, Магаданской - 359 л/сут, Камчатской - 353 л/сут.

2.6.5 Техногенное загрязнение поверхностных вод

Одна из главных причин дефицита пресной воды на Земле - ее загрязнение. Аномальные свойства воды определяют потенциальную возможность накопления в ней самых разнообразных загрязняющих веществ, в том числе патогенных микроорганизмов.

Рассмотрим ситуацию с загрязнением поверхностных водоемов суши в России. Экологический мониторинг состояния окружающей природной среды в Российской Федерации отмечает, что качество воды большинства водных объектов не отвечает нормативным требованиям; объемы нормативно очищенных сточных вод, поступающих в поверхностные водоемы, не превышают 10 % от общего объема сточных вод в эти природные объекты.

По отдельным речным объектам ситуация критическая. Около 1/3 населения России использует для питья воду из естественных источников (главным образом из рек) без прохождения ее через очистные сооружения. О качестве такой воды можно судить по ситуации со сбросом загрязненных вод в бассейны Кубань, Енисей, Волга (рис. 3).

Кубань: ежегодный забор воды из реки на все нужды составляет 1,8 км³, или 74 % от среднемноголетнего годового стока, при этом 100 % сброса сточных вод в реку загрязненные.

Енисей: среднегодовой объем сброшенных вод составляет 3,9 км³, из этого объема требуют очистки 2,34 км³, а объем неочищенных и недостаточно очищенных сброшенных вод составляет 2,329 км³, т.е. очищены до нормативных показателей менее 0,5 %.

Рис. 3. Сброс загрязненных вод в бассейны рек России, км³ [9, 10]

Волга: среднегодовой забор свежей воды составляет 41 % от водозабора в России, или 14 % от годового речного стока бассейна реки. Объем сброшенных вод после промышленного, сельскохозяйственного и бытового использования - 22 км³, почти половина его (10,6 км³) - загрязненные воды, не отвечающие требованиям по санитарно-химическим и бактериологическим показателям, содержащие вредные вещества (фенолы, нефтепродукты, канцерогенные тяжелые металлы, пестициды и др.). Объем загрязненных сточных вод, сбрасываемых в бассейн Волги, составляет в последнее время более 30 % от общего объема сточных вод, образующихся на территории России. Бассейн Волги - источник питьевого водоснабжения плотно населенного региона европейской части России, но эффективность очистных сооружений здесь крайне низкая. Забор воды в деревнях и поселках идет непосредственно из реки, минуя всякие очистные сооружения. Каскад водохранилищ вдоль реки резко замедлил скорость течения воды, снизил ее способность к самоочищению. Уровень загрязнения воды волжских водохранилищ в течение ряда лет остается достаточно высоким, качество воды оценивается от «загрязненной» до «чрезвычайно загрязненной» (термины экологической экспертизы).

В целом по России из всего объема сточных вод, поступающих через коммунальные сети в поверхностные водные объекты, более 90 % сбрасываются загрязненными из-за крайне неудовлетворительного технического состояния действующих систем водоснабжения и канализации: 60 % очистных сооружений перегружены, 40 % сооружений эксплуатируются более 25 лет и требуют срочной реконструкции.

Как показывает эколого-геохимическое картирование, изменение химического состава природных вод за счет антропогенных стоков в ряде промышленно урбанизированных и сельскохозяйственных регионов в России настолько значительно, что эти воды приобрели резко аномальные геохимические свойства. В связи с этим подземные воды становятся практически единственным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения. Однако положение с этим источником чистой воды усугубляется тем, что пригодные для питья, культурно-бытовых нужд и для многих отраслей промышленности и сельскохозяйственного производства подземные воды залегают в верхней части артезианских бассейнов и других геологических структур, наиболее подверженных загрязнению.

Опасный вид загрязнения водоемов - стоки, несущие тепловое загрязнение, даже если в них нет химических загрязнителей. Такая теплая вода поступает в водоемы из систем охлаждения, например, ТЭС и ТЭЦ. Концентрация растворенного в воде кислорода - лимитирующего фактора для биоценозов (сообществ живых организмов) водных экосистем - с повышением температуры воды понижается.

Исследования, проведенные за рубежом и в России, выявили положительную корреляционную связь между степенью загрязнения питьевой воды и здоровьем человека. По данным Всемирной организации здравоохранения, употребление питьевой воды, загрязненной нитратами и нитритами, канцерогенными ионами тяжелых металлов, радионуклидами и другими вредными веществами, стало причиной 40 % заболеваний людей, а основная причина большинства эпидемий - употребление воды, зараженной вирусами и микробами.

2.6.6 Контроль уровня загрязнения водного бассейна

Надежная оценка и прогноз состояния водной системы - очень трудная задача, так как на эту систему воздействуют многочисленные изменчивые во времени антропогенные загрязнители, при попадании которых в водоемы происходят сложные физико-химические и микробиологические процессы.

В экологическом мониторинге водных объектов важная характеристика уровня их загрязнения - концентрация С (мг/л) вредных веществ, содержащихся в водоеме. Обычно эту величину оценивают в единицах предельно допустимых концентраций (ПДК). [1, 11]. Например, в окрестностях Звенигорода под Москвой, где ведется интенсивное огородничество с применением повышенных доз органических удобрений, было установлено, что вода в колодцах содержит до 180 мг/л нитратов. ПДК нитратов для питьевой воды составляет 45 мг/л. В данном случае загрязнение колодезной воды нитратами достигает 4 ПДК.

Значения ПДК различных загрязняющих веществ определяют для питьевой и технической воды, а также для воды рыбно-хозяйственных водоемов. При установлении ПДК какого-либо вещества рассматривают три признака вредности: общесанитарный, органолептический, санитарно-токсикологический.

Под общесанитарной вредностью подразумевают влияние вредных веществ в сточных водах на процессы естественного самоочищения водоемов от загрязнения их бытовыми или промышленными сточными водами.

Органолептическая вредность определяет изменение свойств воды, которые обнаруживаются органами чувств (неприятный запах, цвет, привкус, повышенная температура, жесткость) и которые ограничивают возможности использования воды.

Под санитарно-токсикологической вредностью понимается влияние содержащихся в воде веществ на здоровье человека при использовании этой воды для водоснабжения населения.

ПДК того или иного вредного вещества устанавливают по тому признаку вредности, которому соответствует наименьшая пороговая концентрация (по лимитирующему признаку вредности).

Если в водоем поступает несколько веществ с одинаковым лимитирующим признаком вредности, то экологическая чистота водоема определяется выполнением условия:

С₁/ПДК1 + С2/ПДК2 +… + Сn/ПДКn 1,

или

(Cn/ПДКn) 1,

где Cn - концентрация в мг/л, ПДКn - ПДК соответствующего вещества […].

Промышленные и бытовые сточные воды содержат загрязнители, которые разлагаются, окисляясь растворенным в воде кислородом. Общий уровень загрязнения в этом случае определяется биологической и химической потребностью в кислороде.

Биологическая потребность воды в кислороде (БПК), мг/л - масса кислорода в сточной воде, которая необходима водным организмам для окисления органических и части неорганических веществ, находящихся в 1 л этой воды. Биологическому окислению подвергаются только те компоненты, которые организмы могут использовать для своей жизнедеятельности. Процесс биологического окисления длительный, поэтому величины БПК снабжаются индексами, означающими время окисления в сутках, например БПК10 или БПК5. Все БПК стремятся к некоторой величине - полной биологической потребности в кислороде - БПКП, значение которой для рыбно-хозяйственных и хозяйственно-питьевых водоемов составляет 3 мг/л.

Химическая потребность в кислороде (ХПК), мг/л - масса кислорода, который требуется для химического окисления органических и неорганических веществ, находящихся в 1 л сточной воды. Для определения ХПК в качестве окислителя обычно используют горячий кислый раствор дихромата калия K2Cr2O7. Химическое окисление более полное, чем биологическое, поэтому ХПК больше БПКП. Величины ХПК важны для определения характеристики промышленных сточных вод, которые, как правило, более загрязнены, чем бытовые сточные воды. Порядок значений ХПК следующий: для сравнительно чистой воды ХПК = 10-20 мг/л, для грязных сточных вод ХПК = 1000 мг/л и более.

Отношение величин БПКП и ХПК называется биохимическим показателем (БХП). Эта величина всегда меньше единицы, по ней можно судить о возможности и степени очистки сточных вод биологическим путем: для бытовых сточных вод, наиболее полно очищаемых биологическим путем, БХП = 0,5; для промышленных сточных вод БХП на порядок меньше (0,05).

Аналитические методы контроля качества воды требуют огромных материальных затрат. Трудность контроля за поступлением загрязнителей в водоемы возрастает, когда источники загрязнения не точечные (завод или фабрика), а неточечные - тысячи гектаров полей, с которых происходит смыв удобрений и химикатов.

2.6.7 Пути преодоления дефицита пресных водных ресурсов

В настоящее время проблема охраны и сохранения чистоты пресных вод планеты особенно актуальна из-за возрастающего дефицита пресной воды в связи с ростом населения планеты, огромными расходами на нужды промышленности и сельского хозяйства [12]. Основные направления рационального водопользования, направленного на преодоление дефицита чистой воды и сохранение природных источников чистой пресной воды, показаны на схеме 1.

Как уже отмечалось, в настоящее время 60 % мирового водозабора чистой пресной воды идет на орошение почти 300 млн га земли. Однако несовершенство систем орошения приводит к тому, что до 50 % пресной воды в них тратится впустую. Эти потери включают непродуктивное испарение, фильтрацию из каналов и глубинное просачивание воды и становятся сравнимы с водопотреблением объектами промышленности.

Эффективный путь экономии воды в промышленном производстве - создание оборотных систем водоснабжения, разработка методов маловодных и безводных («сухих») технологий, в частности, в химическом производстве. Внедрение «сухих» технологий в нефтеперерабатывающей промышленности позволяет снизить расходы воды почти в 100 раз.

Природная вода обладает способностью к самоочищению, но при сильном загрязнении оно не происходит из-за нарушения внутриводных биологических процессов. В этом случае необходимо применять специальные меры по очистке сточных вод.

Очистка сточных вод - очень сложный с точки зрения технологии, дорогой с точки зрения экономических затрат, но, безусловно, необходимый процесс, который должен предшествовать сбросу загрязненных сточных вод.

Методы очистки сточных вод можно подразделить на механические, химические, биологические и физико-химические (схема 2).

Механическую очистку применяют для выделения из сточных вод нерастворенных минеральных и органических примесей как предварительный этап с целью подготовки к следующим, более глубоким методами очистки. Для этого используют различные решетки, песчаные и другие фильтры, отстойники.

Основные способы химической очистки - нейтрализация и окисление. Нейтрализацию проводят с целью снижения значений Рн кислых стоков до близких к нейтральным, например пропуская воду через соли известняка, мела или доломита (СаСО3 MgCO3). При этом протекают следующие реакции:

2HNO3 + CaCO3 = Ca(NO3)2 + H2O + CO2;

2HNO3 + MgCO3 = Mg(NO3)2 + H2O + CO2;

Схема 2

Окисление применяют для обезвреживания сточных вод, содержащих токсичные примеси. В качестве окислителей используют хлор, хлорную известь, озон (разрушает при нормальной температуре многие органические вещества и примеси; получается при электрическим разряде в воздухе или кислороде) и другие окислители. Наряду с хлорированием и озонированием сточных вод широко применяют электрохимическое окисление (электролиз сточной воды).

Биологическая очистка осуществляется сообществом микроорганизмов, включающим множество организмов (водоросли, бактерии). Ее применяют для очистки сточных вод от органических загрязнителей, используемых микроорганизмами в качестве пищи.

Физико-химические методы очистки используют обычно в сочетании с другими методами. Добавляя в сточную воду специальные коагулянты (соли алюминия, железа, магния, известь и другие вещества), можно получить крупные частицы вредных веществ, которые оседают на дно. Специальные сорбенты (искусственные и природные пористые материалы, например активированный уголь) поглощают растворенные в воде органические вещества. Флотация - способ отделения твердых частиц или капель жидкости от сточной воды, основанный на различной смачиваемости (вредные примеси собираются в пенном слое и удаляются). Ионными методами очистки можно извлекать из сточных вод ценные примеси, а также радиоактивные вещества.

Сохранению запасов чистой воды способствует обустройство водоохранных зон, а также развитие законодательства об использовании и охране водных ресурсов с жесткими экономическими мерами в отношении водопотребителей. Это должно способствовать направлению капиталовложения в строительство очистных сооружений, использованию более совершенных технологических процессов, снижающих водопотребление и уменьшающих объемы загрязнений.

В Законе РФ «Об охране окружающей природной среды» впервые в нашей стране установлен и законодательно закреплен экономический механизм охраны окружающей среды.

«Водный кодекс Российской Федерации» регулирует отношения в области использования и охраны водных объектов в целях обеспечения прав граждан на чистую воду и благоприятную водную среду; поддержания оптимальных условий водопользования, а качество поверхностных и подземных вод в состоянии, отвечающем санитарным и экологическим нормам; защиты водных объектов от загрязнения, засорения и истощения.

Экономия, эффективность и экологическая направленность в сфере производственной деятельности и правильное поведение людей помогут сохранить на Земле чистую воду, необходимую для существования человечества.

Анализ результатов двух глав позволил спланировать и осуществить ряд учебно-воспитательных мероприятий как в РДЭБЦ, так и в МОУ СОШ №32.

ГЛАВА 3.

Методические особенности освещения экологической проблематики темы «Гидросфера»

3.1 О способах формирования интереса к процессу познания

Верный способ пробуждения у школьников интереса к приобретению знаний по химии - создание лирического эмоционального настроя с помощью художественного слова, музыки, живописи [6-8].

Поэтому необходимо по возможности начинать урок не с традиционного объявления темы, а с примеров практического применения изучаемых веществ, объяснения их значения в жизни, быту. Можно использовать разнообразные иллюстрации, репродукции, фотографии, продемонстрировать работы учащихся (альбомы, модели, приборы, рисунки).

Приведу урок по теме «Вода - основа жизни на Земле», в ходе которого использованы некоторые приемы создания эмоционального настроя.

Начинаю урок с музыки. Подчеркиваю значение воды таким высказыванием И.В. Петрянова: «Разве вола - это только жидкость, налитая в стакан? Океан, покрывающий почти всю планету, всю нашу чудесную Землю, в которой миллионы лет назад зародилась жизнь, - это вода».

Обращаю внимание учащихся на то, что не случайно люди слагают о воде стихи, песни, пишут картины, запечатляющие красоту водоемов.

Предлагаю отгадать следующие загадки:

Под землею ходит, на небо смотрит. (Родник.)

Что видно ,когда ничего не видно? (Туман.)

Вечером наземь слетает, ночь на земле пребывает, утром опять улетает (Роса.)

Без крыльев летят, без ног бегут, без паруса плывут. (Дождь.)

Не конь, а бежит, не лес, а шумит? (Река.)

Приходил - стучал по крыше, уходил, никто не слышал. (Дождь.)

Рассказывая о нахождении воды в природе, использую глобус и отмечаю, что большая его площадь имеет голубой цвет, обозначающий реки и озера, моря и океаны. Привожу статистические данные о распространении воды в природе, демонстрируя слайды.

Формулирую вывод: Вода является самым распространенным веществом на Земле.

Рассказываю о синтезе воды, дополняя стихами. Демонстрирую схему «Состав молекул воды». Рассказываю о физических свойствах воды. ( высокие теплоемкость, поверхностное натяжение, теплота плавления), организую беседу по следующим вопросам: «Говорят, что вода - оборотень. Почему ее так называют?». Демонстрирую схему «Агрегатные состояния воды», объясняю почему вода на нашей планете находится в трех агрегатных состояниях. Показываю схему состава гидросферы. Рассказываю о химических свойствах воды. Сообщаю о роли воды в процессе фотосинтеза. Демонстрирую таблицу, в которой указано, что кровь человека состоит из воды на 90 %, мышцы - на 75 %, кости - на 28 %, стекловидное тело глаза - на 99 %. Подчеркиваю, что вода - обязательный компонент каждой клетки. Ни одно живое существо не может обойтись без воды. Обезвоживание организма на 12-15 % приводит к нарушению обмена веществ, а потеря 25 % воды - к гибели организма.

Сообщаю, что в организмах идет постоянное обновление воды. У кактуса вода полностью обновляется в течение 28 лет, черепахи - 1 год, верблюда - 3 месяца, человека - 1 месяц. Без воды человек может прожить 3 дня, в то время как без пищи - 30-50 дней.

Демонстрирую схему «Круговорот воды в природе», сообщаю, что на долю пресной воды приходится только 3% ее общих запасов.

После этого перехожу к вопросам экономного расходования воды и бережного отношения к ней.

3.2 Использование средств наглядности при изучении воды и растворов

В начальных классах при изучении предметов естественнонаучного цикла природоведения и естествознания учащиеся впервые знакомятся с некоторыми понятиями и химическими процессами, но, к сожалению, это не всегда позволяет им усвоить материал с первого предъявления и на должном уровне.

Анализ учебно-методической литературы показывает, что по многим изучаемым темам данных предметов можно проще и доступнее вести процесс обучения, и надежным подспорьем в этом деле оказываются опорные схемы (ОС) [13, 14].

опорные схемы можно использовать при подготовке и проведении уроков, преследуя цель усвоение учащимися знаний и представлений по следующим вопросам: «Три физических состояния вещества»; «Как происходит процесс перехода вещества из одного состояния в другое»; «Очистка воды».

ОС 1. Данная схема представляет собой своего рода таблицу. Столбцы - разные агрегатные состояния воды, а строки - критерии, по которым они различаются.

В первой строке показано различие в расположении частиц (молекул): в жидкой форме они находятся близко друг к другу и медленно перемещаются в определенном объеме; в газообразной -- они далеко друг от друга и движутся довольно быстро; в твердой -- частицы упакованы довольно плотно и их движение сводится к колебаниям.

Во второй строке сравнивается объем: в жидком состоянии вода имеет постоянный объем (в какой бы сосуд не налили 1 л воды, она всегда будет занимать этот объем). Если сосуд рассчитан на объем 1 л, то он будет полный, если сосуд двухлитровый, то он будет заполнен наполовину. Вещество в газообразной форме не имеет постоянного объема: газ, занимавший объем 1 л, при сжатии поршнем может занять объем равный 0,5 л. При этом его количество не уменьшается, на что указывает одинаковое число молекул в обоих цилиндрах. Между молекулами вещества просто уменьшается расстояние.

В твердом состоянии вода, как и в первом случае, имеет постоянный объем. Если взять кубик льда объемом 1 дм³, или 1 л, и растопить его, то жидкость, перелитая в сосуд, будет занимать объем также равный 1 л.

В третьей строке сравнивается форма, которую принимает вещество в том или ином агрегатном состоянии. В жидком виде вода всегда принимает форму сосуда, в который ее наливают. Газ в свободном состоянии не имеет постоянной формы, например, пар над кастрюлей с кипящей водой приобретает форму облака, а в воздушном шаре -- форму шара. У твердого вещества форма постоянная, например, ледяная фигура будет сохранять свою форму до тех пор, пока не изменится температура воздуха (пока не наступит потепление), и лед не начнет таять.

ОС-1

ОС - 2. Данная схема построена на бытовых примерах, она состоит из двух частей: первая -- это превращение воды в пар и наоборот, вторая -- это превращение воды в лед и обратно в воду (ОС-2). Водопроводную воду набирают в чайник и доводят до кипения. На чайник устанавливают вверх дном банку (лучше трехлитровую). В банке горячий пар охлаждается и конденсируется на стенках в виде капель воды, которые стекают обратно в чайник. Такой «круговорот воды» может продолжаться до тех пор, пока температура воды будет соответствовать температуре кипения.

Замерзание -- процесс, обратный закипанию. В кастрюлю набирают воду и выносят ее зимой на улицу или помещают в морозильную камеру холодильника при температуре ниже О С. Прежде чем перейти в твердое состояние, вода пройдет следующие стадии: охлаждение, затвердевание и, наконец, замерзание. Затем кастрюлю помещают в теплое помещение, где температура выше О С или нагревают. Постепенно лед начнет плавиться и переходить в жидкую форму -- воду. Эти примеры демонстрируют обратимость превращений одного агрегатного состояния в другое.

ОС - 2. Условные обозначения: 1 нагревание;2 кипение; 3 охлаждение; 4 конденсация; 5 затвердевание: 6 замерзание; 7 плавление

ОС - 3. Схему очистки воды условно делят на семь стадий, на каждой из которой происходит очистка воды от определенного вида загрязнения, кроме седьмой стадии (ОС-3).

Стадия I. Схематично отображает соотношение соленой 1 и пресной 2,3,4 воды на Земле. Кружком отмечено количество пресной воды

ОС-3. Условные обозначения: 1 соленые воды океанов, морей, озер, соленые подземные воды; 2 воды ледников Антарктиды, арктических островов и горных районов; 3 подземные пресные воды; 4 пресные поверхностные воды; 5 решетка; б отстойник; 7 суспензия; 8 химические элементы, содержащиеся в воде (от Н до Bi); 9 болезнетворные бактерии; 10 осадок; 11 коагулянт А1₂(SО₄)₃; 12 -- песок SiO₂; 13 хлор Сl или озон О₃; 14 водохранилище; 15 кран