2.6.4. Функционирование гидросферы

Академик В.И. Вернадский, основоположник учения о геосферах нашей планеты, предлагал рассматривать всю историю образования водной оболочки Земли с позиции единства природных вод. Все природные воды, где бы они ни находились, теснейшим образом связаны между собой и представляют единое целое. К такому же выводу пришел и другой крупный отечественный исследователь - Ф.П. Саваренский.

В. И. Вернадский отмечал, что вода играет особую роль в истории нашей планеты, так как нет такого природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных процессов.

Большое влияние на формирование гидрологического и гидрогеологического состава окружающей среды оказывает исторически сложившийся глобальный круговорот воды (рис. 2.10), который называется также гидрологическим циклом.

В общих чертах он включает поступление воды в атмосферу при испарении и возвращение ее назад в результате конденсации и выпадения осадков. Круговорот воды в природе постоянно очищает и пополняет пресноводные геосистемы. Однако в гидрологический цикл могут попасть все производимые нами отходы и загрязнители. Кроме того, урбанизация, интенсификация лесного хозяйства, уничтожение лесов и опустынивание значительно усиливают поверхностный сток и снижают инфильтрацию.

Рис. 2.10. Схема круговорота воды в природе

Общее количество потребляемой в мире воды из рек, водоносных пластов подземных вод и других природных ресурсов за прошедшее столетие существенно возросло. За это время использование воды на человека удвоилось.

На рис. 2.11 видно, что почти половина проживающих на планете людей сталкиваются с серьезными проблемами нехватки воды в сельском хозяйстве, промышленности и здравоохранении. Причем с этой проблемой могут столкнуться и такие богатые водными ресурсами страны, как США и Китай.

Как упоминалось ранее, в водных экосистемах различают две жизненные формы растительных гидробионтов: бентосную и фитопланктонную.

Бентосные (от греч. benthos- глубина) растения развиваются, прикрепившись или укоренившись на дне. Они выживают в бедной биогенами воде, поскольку получают необходимые питательные элементы (азот, фосфор, калий и др.) из донных отложений в результате разложения цетрита редуцентами. В то же время они нуждаются в проникновении сквозь толщу воды достаточного для фотосинтеза количества света. Зона, в которой возможен фотосинтез (эвтротическая зона), достигает глубины 30 м в очень чистой воде. В мутной воде она может составлять всего несколько сантиметров.

Фитопланктон (от греч. phyton - растение и planktos -блуждающий) состоит из множества видов водорослей, представляющих собой отдельные клетки, их скопление или «нити», которые держатся вблизи поверхности воды или прямо на ней. Фитопланктон должен получать биогенные вещества из воды, поэтому их недостаток в воде тормозит его развитие. Рост фитопланктона стимулируют биогенные элементы с полей.

Важнейшими биогенными элементами являются азот, фосфор, калий, кальций, натрий, железо и др. Все они участвуют в различных геохимических и биохимических циклах, однако для большинства водных экосистем лимитирующими являются фосфор и азот.

Хозяйственная деятельность в водосборах рек нарушает естественный круговорот веществ, изменяет потоки биогенных элементов. Избыточное поступление биогенных элементов в водотоках и водоемах вызывает их эвтрофирование (эвтрофикация, эвтрофизация, эвтрофия). Эвтрофикация вод - повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов под действием антропогенных и естественных факторов.

Основными поступлениями биогенных веществ в водотоки и водоемы от сельскохозяйственного производства являются: минеральные удобрения, органические удобрения промышленного производства (ТМАУ) и др., навоз и навозная жижа от животноводства (иногда в виде торфокомпоста), хозяйственно-бытовые стоки населенных пунктов, стоки от силосных сооружений и цехов по переработке продуктов растениеводства.

В открытые водоемы загрязнители поступают главным образом путем смыва их талыми и дождевыми водами (с поверхностным стоком), а также подземной инфильтрации атмосферных осадков, поливных и других вод с грунтовым потоком, гидрологически связанным с водоемами.

В открытые водоемы может попадать и дренажный сток с сельскохозяйственных угодий, орошаемых навозными стоками. Наибольшую опасность поступления биогенных элементов в водостоки представляют угодья, расположенные в пределах 500 м от уреза воды и в водоохранной зоне, где отмечается интенсивный поверхностный сток в процессе снеготаяния и ряд площадей подвергается затоплению паводковыми водами.

Определение возможного выноса биогенных веществ с сельскохозяйственных объектов в водоемы производится по агрохимической методике, основанной на зависимости их потерь (в результате процессов вымывания и центрификации) от количества выносимого растительной массой урожая.

Природные незагрязненные водоемы, как правило, содержат небольшое количество биогенных веществ. В воде водоемов азот присутствует в составе органических и минеральных соединений. Аммонийный азот преобладает в летний период. Зимой, когда питание рек осуществляется за счет грунтовых вод, в речных водах преимущественно находится нитратный ион. Содержание последнего в водах местного стока увеличивается с севера на юг. В воде рек центра европейской части РФ содержится от 0,05 до 3,3 мг/л, а в степной зоне - от 0,2 до 6,0 Мг/л NО₃. Содержание аммонийного азота в незагрязненной воде рек редко превышает 1-2 мг/л. Для периода зимней гомотермии в европейских озерах содержание нитратного азота колеблется от 0,2 до 0,8 мг/л, общего азота - до 1,3 мг/л.

Основным элементом, лимитирующим продукционные Процессы в водоемах, является фосфор, который содержится в воде водоемов в виде органических и минеральных соединений. Содержание общего фосфора (сумма минерального и органического) в воде незагрязненных водоемов изменяется в пределах 0,002-0,5 мг/л. Среднее содержание общего фосфора в реках европейской части России составляет 0,02 мг/л.

Наблюдения за химическим составом воды водоемов в районах размещения крупных животноводческих комплексов показывают существенное увеличение концентрации в ней азота, фосфора, органических и других веществ. Изменения гидрохимических характеристик водоемов особенно заметны при непосредственном сбросе в них навозных стоков.

Поверхностные воды считаются загрязненными, если их состав и свойства изменились под влиянием производственной деятельности и они стали в результате этого непригодны для водопользования или рыбохозяйственного использования.

Характеристики водоема составляются на основании физических, химических и бактериологических показателей: физические - запах, цвет, мутность, количество взвесей; химические - содержание нестойкого органического вещества (перманганатная окисляемость и биохимическое потребление кислорода - Б ПК), а также содержание растворенного в воде кислорода, концентрация аммония и нитритов (табл. 2.6), бактериологические, оцениваемые по числу микроорганизмов в 1 мм³воды и числу бактерий группы кишечных палочек в 1 л воды (коли-индекс).

Таблица 2.6 Химические показатели качества воды водоемов

Сильно загрязненная вода в 1 мл содержит десятки тысяч кишечных палочек (коли-индекс более 10 000), загрязненная - тысячи, слабо загрязненная - сотни, удовлетворительная - десятки, пригодная для питья - меньше трех. Другим бактериологическим показателем служит количество сапрофитных бактерий, живущих за счет готового органического вещества.

При поступлении в водоемы неочищенных сточных вод изменяются физические и химические свойства воды, растительный и животный мир водоемов. При очень сильном загрязнении меняется даже внешний вид водоема. В водоемах нарушается равновесие между продуцированием и разрушением (деструкцией) органического вещества. Уровень содержания азота, фосфора и органических веществ в сточных водах так велик, что он может оказывать не только эвтрофирующее влияние на водные организмы, но и прямое токсическое воздействие.

Первым экологическим следствием загрязнения водоемов сточными водами животноводческих комплексов служат снижение прозрачности воды в них и придонный дефицит кислорода в зимнее, а иногда и в летнее время. Флора и фауна таких водоемов претерпевают значительные количественные и качественные изменения. В первую очередь происходит смена видового состава организмов. Массового развития достигают три-четыре вида, характерные для вод с высоким содержанием органического вещества, и резко сокращается число видов, характерных для чистых вод. Увеличивается количество, биомасса и продукция планктонных водорослей и микроорганизмов. Резко угнетается развитие и распространение погруженных макрофитов, зато в значительных количествах развиваются нитчатые водоросли, требующие для своего развития повышенных концентраций биогенных веществ. Вода приобретает неприятный запах и привкус. В некоторых случаях усиленное развитие водорослей может иметь прямое токсическое воздействие на человека.

Поступающие в водоемы сточные воды животноводческих комплексов затрагивают не только растительные компоненты гидробиоценозов, но и качественно и количественно изменяют состав донной фауны. Из нее полностью исчезают виды, чувствительные к дефициту кислорода, и в массе развиваются менее чувствительные организмы, например личинки двукрылых насекомых. Значительные стоки приводят к почти полной гибели рыбы. Избыточное органическое вещество, накапливающееся в донных отложениях, подвергается в анаэробных условиях бактериальному распаду с образованием газообразных продуктов - метана, сероводорода, аммиака.

Отмечено также, что по берегам рек, в которые поступают навозные стоки, появляются заросли растений - нейрофитов, в основном сорняков, а деревья и кустарники при этом погибают. Причем смена прибрежно-водной, луговой и лесной растительности на сорную в этом случае происходит очень быстро, в течение одного сезона, и прослеживается на многие километры.

В то же время совершенно не выносят загрязнения и быстро исчезают различные осоки, кувшинки, кубышки и другие водные растения.

Необходимо иметь в виду, что с навозными и поверхностными стоками в водоемы могут попадать и патогенные микроорганизмы. Поэтому сброс навозных стоков в водоемы недопустим.

Сине-зеленые, диатомные водоросли и одноклеточные организмы еще до массового цветения выделяют в воду вещества восстановительной природы, которые реагируют с пероксидом водорода и оказывают губительное действие не только на другие водоросли, но и на мальков и взрослых рыб, водоплавающих птиц и скот, вызывая эпидемии среди людей. Проникнув в организм рыб, такие восстановители в ходе интенсивного водообмена блокируют металлоферменты окислительно-восстановительной дыхательной цепи.

Установленные закономерности позволяют предложить способ контроля за редокс-состоянием воды в процессе рыборазведения путем дозированного внесения 30%-го раствора пероксида водорода. Разителен показатель выживаемости мальков - при добавлении пероксида в оптимальной концентрации из 60 тыс. мальков на активное питание переходит 55 тыс., что в год дает большой экономический эффект.

Для снижения кислотности водоемов в первую очередь необходимы строгие ограничения количества вредных промышленных выбросов, что приведет к снижению кислотности дождей и позволит со временем восстановить первоначальное состояние озер.

Состояние вод Мирового океана. Океанические воды загрязняются сточными водами, выбросами двигателей внутреннего сгорания водных транспортных средств, нефтью и нефтепродуктами. Неправильная эксплуатация скважин и бурильных установок на континентальном шельфе (около 1/3 всей мировой добычи нефти приходится на шельфы), столкновения и аварии судов, строительство подводных нефтепроводов, запрещенная (но реализуемая на практике) промывка танкеров и сброс этих вод в море являются причиной нефтяных разливов. Образующаяся нефтяная пленка не только загрязняет пляжи, но и нарушает процесс тепло- и массообмена, изменяет климатический режим и препятствует насыщению воды кислородом. Записи со спутников показали, что в некоторых районах Мирового океана около 10% территории на расстоянии нескольких тысяч километров покрыты такой пленкой.

Каждая капля нефти покрывает непроницаемой пленкой 20 м²морской поверхности, в 2 раза сокращает водообмен между океаном и атмосферой, губительно воздействует на микроорганизмы, рыбу и морских птиц. Нефть образует пленку толщиной всего в 0,001 см. В ней накапливаются ионы тяжелых металлов, пестициды и другие вредные вещества. А многие морские обитатели проходят стадию личинки как раз в поверхностном слое. Личинки многих гидробионтов погибают в морской воде, содержащей нефть в концентрации несколько Миллиграммов на литр. Особенно восприимчива к нефти икра Рыб. При концентрации нефти 0,01 мг/л количество нежизнеспособных личинок, выходящих из развивающейся икры, увеличивается в несколько раз.

Важная роль в разложении нефти и углеводородов в море принадлежит микроорганизмам (бактериям, грибам, дрожжам), которые насчитывают около 70 родов. К морским организмам, которые участвуют в процессах самоочищения, относятся и моллюски.

Различают две группы моллюсков.

В первую группу входят мидии, устрицы, гребешки и др. Для них характерна двухстворчатая раковина. Мидий называют санитарами моря. Их клиновидно-овальная двухстворчатая раковина достигает длины 15 см. Наиболее многочисленные колонии мидий обнаруживаются обычно на глубинах 5-20 м, хотя их можно встретить и у самой поверхности.

Обычно створки раковины чуть приоткрыты и хорошо видно, как из-под радужной мантии торчат две трубочки - сифоны. Через один сифон всасывается морская вода со всеми взвешенными в ней частицами, которые оседают в специальном аппарате, а через другой очищенная морская вода возвращается в море. Плотное поселение мидий площадью 1 м²фильтрует в сутки 200 м³воды. Одна крупная мидия может пропустить через себя до 70 л воды в сутки, очистив ее от возможных механических примесей и некоторых органических соединений. Так же, как мидии, питаются и другие морские животные - губки,асцидии.

У моллюсков второй группы раковины закрученной овально-конической формы (рапаны, шторины) или в виде колпачка (морское блюдечко). Ползая по камням, сваям, причалам, растениям, днищам судов, миллионы моллюсков прочищают ежедневно громадные заросшие и обросшие поверхности.

Однако наибольший ущерб океаническим водам нанесла интенсивная урбанизация прибрежных областей. Наиболее сильно пострадали атолл Морруроа, Великие озера, Мексиканский залив, Бостонская гавань, Нью-Йоркская бухта, бухта Гуанабара (Рио-де-Жанейро), Ирландское, Северное, Балтийское и Средиземное моря. Проблемы в этих регионах обусловлены перенаселенностью и несовершенной системой ликвидации отходов.

Отходами промышленных предприятий сильно загрязнены Балтийское море и Токийский залив. Еще одна зона с высоким загрязнением - это Карибский бассейн. Здесь выброс промышленных отходов невелик, а загрязненность обусловлена тем, что только 10% всего населения обеспечено канализацией.

Рейн и другие реки ежегодно доставляют в Северное море сотни миллионов тонн цинка, свинца, меди, а также немалое количество кадмия, мышьяка, ртути и радиоактивных отходов. Свыше сотни миллионов тонн отходов поступает с судов, нефть поступает с 4000 скважин, 150 буровых платформ и нефтепроводов общей протяженностью 8000 км, из труб ежегодно просачивается более 30 тыс. т углеводородов. Это привело к тому, что полностью исчезли лосось, осетровые, устрицы, скат, пикша и т. д.

В океанах наблюдается бурное цветение водорослей - феномен, получивший название «красные приливы». Негативное действие этого феномена во многом аналогично цветению водорослей в зарегулированных пресноводных водоемах. «Красный прилив» - это гигантские скопления фитопланктона; они существовали и ранее, однако, по мнению ученых, имели иную периодичность и другой состав. Кроме того, обнаружено выделение из них ядовитых веществ. Образование «красных приливов» в первую очередь связывают с повышенным содержанием в морской воде фосфатов и нитратов, которые, как правило, даже при обработке сточных или загрязненных вод удаляются в незначительной степени и при попадании в воду стимулируют рост микроорганизмов, а кислотные дожди способствуют распространению этого явления.

Механизм уничтожающего действия фитопланктона крайне прост: это выделение токсинов при контакте с жабрами рыб или быстрый рост поглощения кислорода, в результате чего рыба задыхается. При этом гибнут водоросли и моллюски.

Степень нанесенного ущерба настолько велика, что если сейчас прекратить вредные сбросы, то для нормализации экологической ситуации потребуется несколько десятилетий. Это подтверждается, например, тем, что пестициды в осадках или Донном иле сохраняются десятки лет, а микробиологический распад пластмасс в воде длится в среднем 400-500 лет. Большой вред нанесен осушением заболоченных прибрежных зон, Которые долгие годы были своеобразным коллектором вредных стоков. В результате осушения все вредные вещества переходят в морскую воду.

С целью сохранения чистоты морей 17 стран Средиземного моря в 1976 г. взяли на себя обязательства по контролю за состоянием водных ресурсов. В настоящее время этот контроль осуществляет ООН. В 1987 г. сдан в эксплуатацию крупный комплекс по очистке сточных вод в Марселе, подготовлен к пуску в Барселоне, намечается ввод подобного комплекса в Афинах. Ведется работа по кооперации и других морских держав. Специалистами решены многие вопросы, связанные с контролем состава сточных вод и содержанием в них пестицидов; наиболее трудной остается проблема разработки методов контроля за смывом в море фосфорных и азотных удобрений. За последние годы перед развитыми странами возникла проблема: что делать с вредными для всего живого ядовитыми и радиоактивными отходами. По окончании Второй мировой войны этому не уделяли должного внимания ни в Европе, ни в США. Однако в начале 70-х годов ситуация резко изменилась, когда на берегу Канала любви у Ниагарского водопада было обнаружено 20 тыс. т ядовитых химических отходов. Из этой зоны было эвакуировано 2,5 тыс. человек, отмечены повышенная заболеваемость раком и уродства у младенцев. Этот факт привлек внимание официальных органов и общественности к проблеме уничтожения и захоронения вредных отходов. Подобная опасность существует и в Европе. С 1980 г. в Голландии зарегистрировано 4300 случаев заражения местности. В ФРГ таких зон около 35 тыс., в Великобритании заражено 10 тыс. га земель.

В результате загрязнения поверхности океана и морей нефтяной пленкой сокращается продуктивность фитопланктона, являющегося основой всех пищевых цепей в морях. Сокращается и продукция поставляемого им в атмосферу Земли кислорода (в круговороте кислорода он составляет 70% баланса). Достиг предела и вылов рыбы. Так, с 1975 по 1995 гг. он возрос с 50 млн т до 97 млн т. При этом исчезают ценные виды рыб (даже в новых местах лова).