Городская водная среда
Введение в специальность
(городское строительство и хозяйство)
Конспект лекций
(по кафедре Городского строительства и экологической безопасности)
(городское строительство и хозяйство)
Конспект лекций
(по кафедре Городского строительства и экологической безопасности)
Городская водная среда.
Вода – ценнейший ресурс, играющий заключительную роль в процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Потребности в воде огромны и ежегодно возрастают; ежегодный расход воды на Земле по всем видам водоснабжения составляет 3500 км³ (70% всего водопотребления используется в с/х). На современном этапе определяются следующие направления рационального использования водных ресурсов: 1)более полное использование и расширенное воспроизводство ресурсов пресных вод; 2)разработка новых технологичных процессов, позволяющих свести к минимуму потребление свежей воды.
К водным объектам, расположенным в городской черте, относятся поверхностные водные объекты: водотоки (реки, каналы, ручьи), водоемы (пруды, озера, водохранилища), моря и подземные воды.
Источники антропогенного загрязнения:
- городские сточные;
- промышленные сточные;
- атмосферные осадки;
- сельскохозяйственные стоки.
Поверхностные воды характеризуются большим содержанием нерастворимых веществ, в частности органических соединений.
Подземные воды не содержат большого количества органических веществ, но часто насыщены минеральными солями, а иногда и газами (H2S, CO2, CH4). Подземные воды часто характеризуются значительной жесткостью и повышенным содержанием железа, марганца фтора.
Таким образом, различные примеси в природной воде образуют с ней сложные гомогенные и гетерогенные системы.
Состав природных вод оценивают физическими, химическими и санитарно-гигиеническими показателями.
Физические показатели – температура, содержание взвешенных частиц, цветность, запах и привкусы.
Температура подземных вод относительно стабильна в течение года: 8-12ºС, а поверхностных вод колеблется по сезонам года в интервале 0,1-30ºС; прозрачность и мутность характеризуют наличие в воде взвешенных веществ (частиц песка, глины, ила, планктона, водорослей и т.д.).
Цветность воды обусловлена присутствием в ней органических веществ (гумусовых, дубильных, белковых, углеводородных, жиров, органических кислот, входящих в состав зоо- и фитопланктона вод и являющихся продуктами их метаболизма или распада). Измеряется цветность компараторами в градусах платиново-кобальтовой шкалы.
Привкусы и запахи природных вод могут быть естественного и искусственного происхождения. Различают 4 основных вкуса воды: соленый, горький, сладкий и кислый; их оттенки, складывающиеся из основных вкусовых ощущений, называют привкусами.
К запахам естественного происхождения относятся землистый, рыбный, болотный, гнилостный, сероводородный, ароматический, глинистый, тинистый; искусственного – хлорный, камфорный, аптечный, фенольный, хлорфенольный, аммиачный, запахи нефтепродуктов. Интенсивность запахов оценивается по баллам от 1 (слабый) до 5 (очень сильный).
Химический состав вод характеризуется: ионным составом, жесткостью, щелочностью, окисляемостью, активной реакцией водородных ионов (рН), сухим остатком, общим солесодержанием, содержанием растворенного кислорода, сероводорода, активного хлора, свободной углекислотой.
Солесодержание (минерализацию) воды оценивают по сухому остатку, мг/л; ультрапресные – до 100, пресные – от 100 до 1000, слабосоленые – от 1000 до 5000, рассолы – от 5000 до 30000, ультрарассолы – более 30000.
Ионный состав воды определяют наиболее распространенные анионы и катионы:
- натрий, калий;
- хлориды, сульфаты;
- карбонаты, бикарбонаты (их сумма совместно с гидроксидами и органическими кислотами характеризует щелочность воды);
- кальций и магний (обусловливают жесткость воды);
- железо и марганец (в зависимости от рН и редокс-потенциала могут находится в окисленной и восстановленной формах в виде комплексов, коллоидов дисперсных частиц);
- силикаты присутствуют в органических и неорганических формах;
- соединения фосфора в виде дисперсных частиц органического и минерального происхождения, в виде ионов ортофосфорной кислоты;
- фтор, необходимый в биологическом питании как микроэлемент для предотвращения кариеса или флюороза в концентрации 0,7-1,5 мг-л, содержится в виде аниона или/и комплекса;
- азотосодержащие вещества (ионы аммония, нитриты, нитраты);
- продукты естественных окислительно-восстановительных реакций, а также внесенные с бытовыми, промышленными и дренажными от сельхозугодий, сточными водами, кислотными дождями.
По рН воды различают:
- 1 – 3 – кислые,
- 4 – 6 – слабокислые,
- 7 – нейтральные,
- 8 – 10 – слабощелочные,
- 11 – 14 – щелочные.
Растворенные в воде газы – кислород, углекислота, сероводород, метан, аммиак – обусловливают запахи и коррозионную активность воды по отношению к трубопроводам и оборудованию.
Окисляемость воды вызывается присутствием органических и некоторых легко окисляемых неорганических примесей (H2S, NH4), характеризуется количеством кислорода (мг/л), необходимого для окисления этих примесей. Различают перманганатную (близкую по существу к БПК) и бихроматную (близкую к ХПК) окисляемость.
Гидробионты, населяющие природные воды, не только участвуют в самоочищении, но влияют на качество вод, особенно после отмирания (так называемый детрит).
Санитарно-бактериологическими показателями качества воды являются коли-индекс, коли-титр, а также общее число содержащихся в воде бактерий (микробное число). Эти показатели являются индикаторами и косвенно характеризуют наличие и возможность развития патогенных организмов. Минимальное количество воды (мл), в котором обнаруживается 1 кишечная палочка (Bacterium Coli Commune), называется коли-титром, а количество их в 1 л – коли-индексом. Микробное число – общее число бактериальных клеток в 1л.
Источники загрязнения водных объектов.
Как уже отмечалось, основной причиной ухудшения качества природных вод является антропогенная нагрузка, вызываемая разнообразной человеческой деятельностью, учет которой необходим при комплексном рациональном водопользовании, составлении водохозяйственных планов, ведении водного кадастра, разработке технических и организационных мероприятий по охране вод.В научно-технической, справочной, учебной и прочей литературе довольно часто встречаются разные термины, обозначающие один и тот же объект, что вносит неопределенность, путаницу, является причиной дискуссий, неправильных технических и административных решений. Устранить такие разночтения можно с помощью инструкции «Классификация источников загрязнения водных объектов» (Москва, 1985), согласно которой источники загрязнения имеют следующие признаки классификации:
- происхождение;
- локализация;
- продолжительность воздействия;
- вид носителя загрязняющих компонентов;
- вид загрязнения.
по происхождению:
- антропогенные;
- промышленные;
- коммунальные;
- сельскохозяйственные;
- транспортные;
- прочие;
- атмосферные;
- гидросферные;
- литосферные;
- точечные;
- линейные;
- площадные;
- постоянные;
- периодические;
- эпизодические;
- сточные воды;
- возвратные воды орошения и дренажные;
- инфильтрационные воды;
- подземные воды;
- поверхностный сток;
- нефть и газ при добыче и транспортировке, аэрозоли;
- атмосферные осадки;
- прочие;
- химические;
- неорганические;
- физические;
- тепловое;
- радиационное;
- биологическое;
- микробное;
- гельминтологическое;
- гидрофлорное.
Промышленный источник – это хозяйственный объект, из которого происходит вынос загрязняющих веществ, полученных в процессе промышленного производства или являющихся продуктами промышленной переработки (выпуск сточных вод, промплощадка и т.д.).
Коммунальный источник – также хозяйственный объект, из которого вынос загрязняющих веществ, образующихся в процессе удаления отходов бытовой деятельности людей (территория населенного пункта, свалка, полигон твердых и жидких бытовых отходов, поля фильтрации, орошения, выпуск сточных вод и т.п.).
Сельскохозяйственные источники образуются в процессе сельскохозяйственного производства(пахотные поля, рисовые поля, животноводческая ферма, осушительный коллектор и т.п.).
Транспортный источник – хозяйственный объект, по которому (или посредством которого) происходит перенос загрязняющих веществ по территории (автомагистраль, загрязненный водосток, трубопровод какого-то продукта, транспортное средство и т.п.).
Точечный источник – такой, который является точкой по соотношению площади контакта с водным объектом и площади загрязненной зоны водного объекта.
Оценка качества природных вод.
Составным элементом мероприятий по охране вод является нормирование качества вод в водном объекте. Под качеством воды понимают степень соответствия химических, физико-химических и санитарно- гигиенических характеристик потребностям людей и/или технологическим требованиям промышленности.Нормирование качества состоит в установлении для воды водного объекта совокупности допустимых значений показателей ее состава и свойств, в пределах которых надежно обеспечиваются здоровье населения, благоприятные условия водопользования и экологическое равновесие водного объекта.
В России действуют нормы качества воды водоемов и водотоков для условий хозяйственно-питьевого, коммунального, бытового и рыбохозяйственного водопользования «Правила охраны поверхностных вод», 1991).
К хозяйственно-питьевому водопользованию относятся использование водных объектов и их участков в качестве источника питьевого, хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также для предприятий пищевой промышленности.
Коммунально-бытовое водопользование – это использование водных объектов для купания, занятий спортом и отдыха населения. Такие же нормативы качества вод, как для коммунально-бытового водопользования, устанавливаются для всех участков водных объектов, находящихся в черте населенных мест, независимо от вида их использования.
Рыбохозяйственное водопользование – использование водных объектов для обитания, размножения и миграции рыб и других водных организмов. Существуют 3 категории рыбохозяйственного водопользования:
- высшая – места расположения нерестилищ, массового нагула и зимовальных ям особо ценных видов рыб, а также охранные хозяйства любого типа для искусственного разведения и выращивания рыб и других водных организмов;
- первая – объекты, используемые для сохранения и воспроизводства ценных видов рыб, обладающих высокой чувствительностью к содержанию в воде кислорода:
- вторая – все другие рыбохозяйственные объекты.
- общие требования к составу и свойствам воды для различных видов водопользования (количество взвешенных веществ, окраска, запахи и привкусы, T0С, рН, минерализация - [Сl-], [SO4-2], растворенный кислород, возбудители заболеваний, ХПК, БПК, токсичность;
- перечень ПДК веществ в воде объектов, используемых для хозяйственно-питьевых и коммунально-бытовых нужд (СанПин 4630-88);
Существует гигиеническая классификация водных объектов. Эта гигиеническая классификация водных объектов по степени загрязнения является основной для принятия решений о водопользовании и охране вод.
Допустимая степень загрязнения определяет пригодность водного объекта для всех видов водопользования населения практически без каких-либо ограничений.
Умеренная степень загрязнения свидетельствует об известной опасности для населения культурно-бытового водопользования на водном объекте. Его использование как источника хозяйственно-питьевого водоснабжения приводит к появлению начальных симптомов интоксикации у части населения.
Высокая степень загрязнения указывает на безусловную опасность культурно-бытового водопользования на водном объекте. Использование такого объекта для хозяйственно-питьевого водоснабжения недопустимо из-за сложности удаления токсичных веществ в процессе водоподготовки на водопроводных сооружениях. Употребление для питья воды, имеющей высокую степень загрязнения, может привести к появлению у населения симптомов интоксикации и развитию отдаленных эффектов.
Чрезвычайно высокая степень загрязнения водного объекта определяет его абсолютную непригодность для всех видов водопользования. С гигиенической точки зрения загрязнение является экстремально высоким, и даже кратковременное использование такой воды опасно для здоровья населения.
Охрана и регулирование качества вод.
Под охраной вод понимают систему мер, направленных на предотвращение, ограничение и устранение последствий загрязнения и истощения вод (ГОСТ 17.11.01). Загрязнение означает присутствие веществ, вызывающих нарушение норм качества вод, засорение – накопление в воде посторонних предметов, а истощение – уменьшение минимально допустимого стока поверхностных вод или сокращение запасов подземных вод.В систему мер по охране вод включены как законодательные, юридические, правовые и административные акты, регламентирующие деятельность человека посредством соблюдения установленных значений показателей, обеспечивающих благополучие водных объектов, так и организационно-технологические мероприятия, позволяющие их достигнуть. Лучшим способом охраны вод является недопущение или сведение к минимуму их загрязнение.
Для сохранения и обеспечения необходимого качества поверхностных вод проводят различные мероприятия, наиболее общими и значимыми из которых являются:
- рациональное водопользование по комплексным территориальным (бассейновым) водохозяйственным балансам;
- совершенствование технологических процессов в промышленности в направлении снижения водопотребления, создания оборотных, повторных, многократных систем водоснабжения;
- разработка и внедрение малоотходных технологий;
- обеспечение полной биологической очистки и глубокой доочистки сточных вод населенных мест и промпредприятий;
- рациональное водопользование в сельском хозяйстве, включая обоснованность и режимность в применении удобрений и пестицидов;
- соблюдение водоохранных зон и правил хозяйственной деятельности в них;
- рациональное ведение хозяйства в пределах территории водосбора;
- соблюдение природоохранных норм добычи и разработки подземных ископаемых, их обогащения, транспортировки, включая нефть и продукты ее переработки;
- соблюдение правил производства буровых и строительно-монтажных работ в водоохранных зонах;
- предотвращение сброса любых отходов с судов и иных плавучих средств;
- сокращение (а по возможности и предотвращение) поступления биогенных элементов (азота и фосфора);
- обеспечение постоянного контроля состояния и показателей состава водоемов (лучше – стационарными средствами мониторинга).
Водоохранные зоны несут важную защитную функцию на любом водном объекте, особенно малых реках, составляющих свыше 95% водотоков. Эти зоны включают: пойму реки, надпойменные террасы, бровки и крутые склоны коренных берегов, участки эродированных земель, балки протяженностью более 10 км или любой протяженности, но при крутизне склонов более 8º.
Водоохранная зона устанавливается от среднего летнего уреза воды: для рек длиной более 50 км минимальной шириной 300 м; менее 50 км – 200 м; менее 25 км – 100м. Максимальная ширина водоохраной зоны может достигать 1,5-2 км за счет широкой поймы, эродированных склонов коренного берега и т.п.
Для озер и водохранилищ водоохранная зона зависит от площади акватории и изменяется от 300 до 500 м; для прудов при небольших площадях акваторий изменяется от 50 до 100 м. При сложившейся городской застройке ширина водоохраной зоны не нормируется, а устанавливается с учетом экологической ситуации и архитектурно-планировочной организации территории.
В пределах водоохранных зон запрещается:
- применение опыливания ядохимикатами при борьбе с вредителями, болезнями растений и сорняками;
- размещение складов для хранения ядохимикатов и минеральных удобрений, площадок для заправки аппаратуры ядохимикатами;
- устройство взлетно-посадочных полос для ведения авиационно-химических работ;
- размещение животноводческих ферм и комплексов, оросительных систем с использованием навозосодержащих сточных вод, мест складирования навоза, свалок мусора и отходов производства, мест захоронения;
- строительство новых и расширение действующих примышленных предприятий;
- стоянка, заправка топливом, мойка и ремонт автотракторного парка;
- проведение замыва пойменных озер и стариц.
В водоохраной зоне малой реки создают систему защитных лесных насаждений, которая включает: а) прирусловые лесные полосы; б) пойменные лесные насаждения; в) насаждения на террасах и коренных берегах речных долин (включая прибровочные лесные полосы); г) насаждения в оврагах и балках, включенных в водоохранную зону (в том числе прибрежные и прибалочные лесные полосы).
Прирусловые лесные полосы обычно создают из двух поясов – берегоукрепительного (три и более рядов ив) и ветроломного (от шести до двадцати рядов ветлы, тополей и др.).
Пойменные насаждения включают полосы вокруг стариц, озер и на валах, насаждения на участках высокой поймы.
При создании прирусловых полос и насаждений поймы, учитывают шкалу поймостойкости пород: ива белая (ветла), тополь черный, евроамериканский гибрид тополя, тополь белый, вяз гладкий ольха серая и черная, дуб черешчатый, ясень пенсильванский и ланцетный, липа мелколистая, клен остролистый, береза повислая, робиния, сосна обыкновенная.
Насаждения на коренных берегах речных долин, а также прибровочные лесные полосы и насаждения в оврагах и балках создают по зональным рекомендациям.
Для подземных вод основными отрицательными последствиями антропогенного воздействия являются загрязнение и истощение. Под охраной подземных вод понимается комплекс мероприятий, напрвленных на сохранение и улучшение такого качественного и количественного состояния подземных вод, которое позволяет использовать их в народном хозяйстве.
Следует иметь в виду, что загрязнение подземных вод взаимосвязано с состоянием окружающей природной среды: невозможно предотвратить их загрязнение, если отходы поступают в поверхностные воды, атмосферу, почвы, поскольку круговоротом воды эти составляющие биосферы тесно связаны. Водоохранные мероприятия по защите подземных вод от загрязнения подразделяются на профилактические и специальные.
Профилактические меры:
- выбор месторасположения объекта (промышленного, сельскохозяйственного) с минимальным воздействием на окружающую среду и подземные воды;
- оборудование и тщательное соблюдение зон санитарной охраны водозаборов подземных вод;
- изучение защищенности подземных вод;
- оборудование на крупных промышленных объектах наблюдательной сети скважин для контроля за уровнем и химсоставом подземных вод;
- выявление и учет фактических и потенциальных источников загрязнений подземных вод;
- введение банка данных состояния подземных вод и отражение его в виде картографической информации.
- ликвидация очагов загрязнения подземных вод путем откачки из центра очага загрязнения;
- откачка загрязненных подземных вод для локализации области загрязнения и недопущения дальнейшего распространения загрязняющих веществ по водоносному горизонту;
- сооружение защитных водозаборов для перехвата загрязненных подземных вод и создание гидравлического водораздела (завесы) между областью вод и эксплуатируемыми чистыми подземными водами;
- создание непроницаемых экранов (стенок) вокруг очага загрязнения;
- одновременный отбор по вертикали посредством ярусной системы скважин чистых и загрязненных вод (во избежание подсоса последних в чистый водоносный горизонт).
Под истощением подземных вод понимается уменьшение их естественных и (или) искусственных запасов вследствие превышения расходования подземных вод над их питанием. Причинами подобного истощения могут быть вырубка лесов, распашка земель, спрямление и отвод рек, отбор подземных вод водозаборами, водопонизительными установками, дренажами и т.п. При этом истощение может иметь временный характер (сезонное) и постоянный (из-за хозяйственной деятельности).
