Введение
экологический вода гидрохимический
Актуальность темы. В настоящее время большое внимание как отечественных, так и иностранных ученых, политиков, а также широких масс общественности привлечено к глобальным и региональным экологическим проблемам. Пройдя очередной этап научно-технической революции и выйдя на новый уровень цивилизационного развития, человечество обратилось к формированию нового уровня взаимоотношений с окружающей средой. Внедрение и развитие концепции рационального природопользования становится одним из приоритетных направлений в экономике, хозяйстве и политике многих стран мира. Одной из самых острых проблем человечества становится нехватка чистой питьевой воды.
Вода широко используется во всех сферах жизни, поэтому очень сильно подвержена загрязнению.
Река Друть является важной водной артерией Могилевской области. Несомненно, это один из важнейших природных объектов области, который, вследствие высокой экологической значимости и широкого и массового промышленного и бытового использования, требует тщательного изучения и постоянного и организованного мониторинга. Поэтому тему данной работы можно считать актуальной в наши дни и достойной научного изучения.
Объектом изучения данной работы являются водные объекты Круглянского района.
Предметом изучения данной работы является гидрохимический состав и структура водного населения водных объектов, на основе которых оценено их экологическое состояние в Круглянском районе.
Цель данной работы:
- дать оценку экологического состояния водотоков в пределах Круглянского района;
Задачи работы:
- изучить гидрохимический состав поверхностных вод Круглянского района, оценить степень их загрязненности;
исследовать видовой состав и таксономическую структуру водных объектов;
рассчитать индекс видового разнообразия Шеннона;
рассмотреть степень природного и техногенного загрязнения водных объектов, выявить тенденции в изменении экологического состояния
Методы изучения. При сборе и анализе материалов для данной работы применялись как
общетеоретические, так и специфические методы исследований водных объектов. Из
общегеографических методик использованы описательный метод, необходимый для
формирования целостной и объективной картины экологического состояния водотоков
района, а также картографический метод.
1. Методика
гидроэкологических исследований
Методы могут быть подразделены на следующие три группы: общие, специфические и частные методы.
Общие методы касаются всей геоэкологии. Это различные формы диалектического метода, дающего возможность связывать воедино все стороны процесса познания, все его ступени. В естествознании диалектический метод выступает как сравнительный (например, в биологии, географии, химии) метод, с помощью которого раскрывается всеобщая связь явлений, или как исторический. Иногда оба этих метода сочетаются в единый сравнительно-исторический метод, который глубже и содержательней каждого из них в отдельности и широко используется в гидроэкологии.
Специфические методы касаются не предмета в целом, а лишь одной из его сторон (явления, сущности явления, количественной стороны) или же определенного приема исследований. К особенным методам относятся, в частности, анализ и синтез, индукция и дедукция.
Анализ, (греч. analysis - разложение) и синтез (греч. synihesis-соединение) в самом общем значении - это процессы мысленного или фактического разложения целого на составные части и восстановления целого из частей соответственно. Цель анализа - познание частей как элементов сложного целого.
Синтез, напротив, есть процесс объединения в единое целое частей, свойств, отношений выделенных посредством анализа. Синтез дополняет анализ и находится с ним в неразрывном единстве.
Дедукция (от лат. deduciio - выведение) - один из основных способов рассуждения (умозаключения) и методов исследования. Под дедукцией в широком смысле понимается любой вывод вообще, в более специфическом и наиболее употребительном смысле - доказательство или выведение утверждения (следствия) из одного или нескольких других утверждений (посылок) на основе законов логики, носящее достоверный характер.
Индукция (от лат. induciio - наведение) еще один тип умозаключения и метод исследования. Как форма умозаключения индукция обеспечивает возможность перехода от единичных фактов к общим положениям. В качестве метода исследования индукция понимается как путь опытного изучения явлений, в ходе которого от отдельных фактов совершается переход к общим положениям. Отдельные факты как бы наводят на общее положение. В реальном познании индукция всегда выступает в единстве с дедукцией.
Специфическими методами являются также практические методы: наблюдение, эксперимент, сравнение, измерение. Исключительно важны математические приемы и методы, роль которых неуклонно возрастает по мере все более широкого применения счетно-вычислительных машин.
К частным методам относятся специальные методы, действующие либо только в пределах отдельной отрасли естествознания, либо за пределами той отрасли, где они возникли. Так методы физики, используемые в других отраслях естествознания привели к созданию геофизики и физической химии. Распространение химических методов привело к созданию геохимии, биохимии и т.д. [5]
В ходе прогресса методы могут переходить из более низкой категории в более высокую: частные превращаются в особенные, особенные в общие.
Методическую основу гидроэкологии как современной науки составляет сочетание системного подхода, натурных наблюдений, эксперимента и моделирования. Экологическая практика охватывает собой множество приемов и методов исследований, адекватных многообразию направлений экологии и потому здесь перечислены лишь некоторые из них.
• Режимные систематические (мониторинговые) наблюдения за состоянием водных объектов и процессов и влияющими на них антропогенными (техногенными) факторами;
• аналитические исследования природных и искусственных объектов;
• исследования морфологических параметров природных водных объектов;
• статистические методы оценки процессов и явлений, происходящих на водных объектах и их водосборах;
• дистанционные методы исследований и методы специальной картографии водотоков и водосборов;
• методы математического моделирования гидроэкологических процессов;
• системный анализ гидроэкологической информации;
• методы социальной демографии;
• паспортизации природных и искусственных водных объектов;
• экологический менеджмент;
• экологический аудит.
Как правило, в гидроэкологических исследованиях эти и другие применяемые методы исследований используются совместно или комплексируются.
Будучи одной из наук гидрологического цикла, гидроэкология использует общие для него теоретические и эмпирические методы: анализ и синтез, дедукцию и индукцию, наблюдение, сравнение (включая измерение) и эксперимент (включая моделирование). Эмпирические методы подразделяются на «полевые» и «лабораторные», соответственно тому, проводятся ли они в условиях, приближенных к естественным или в условиях, контролируемых исследователем. И те и другие могут предполагать использование инструментария: измерительного и аналитического оборудования, устройств для фиксации, снятия и обработки данных. Эмпирические данные могут быть использованы лишь после их теоретической обработки, то есть после включения в логическую конструкцию: гипотезу, теорию, концепцию.
В последнее время особую важность
приобрели планомерные, поддающиеся эффективному анализу экологические
исследования, складывающиеся в мониторинг - систему долгосрочных наблюдений,
оценки, контроля и прогноза состояния и изменения объектов. Мониторинг принято
делить на фоновый, глобальный, региональный и импактный (в особо опасных зонах
и местах). По способам ведения различают космический, авиационный и наземный
мониторинг. В систематизации и анализе накапливаемых данных особое значение
имеет создание баз данных и использование ГИС-технологий.
1.1 Методы исследования химического состава воды
В течение нескольких последних десятилетий аналитическая химия природных вод претерпела весьма существенные изменения, обусловленные как общим развитием естественных наук, так и быстрым расширением и усложнением задач, выдвигаемых практикой. Эти задачи в свою очередь определялись новыми знаниями о свойствах и возможных областях использования водных ресурсов.
Используемые в настоящее время в практических целях методы химического анализа природных вод можно подразделить на: 1) химические; 2) электрохимические; 3) оптические; 4) фотохимические; 5) хроматографические. Такие сложные физико-химические методы анализа, как хромато-масс-спектрометрический, нейтронно-активационный, радиохимический, а также методы низкотемпературной люминесценции, несмотря на их высокую информативность, не нашли пока широкого применения при проведении массовых определений из-за их сложности и дорогостоящей аппаратуры.
В природных условиях вода всегда содержит в своем составе разнообразные химические вещества. Одни из них оказывают вредное влияние на организм животных, другие позволяют косвенно судить о загрязнении воды органическими веществами и тем самым определить степень ее опасности в распространении инфекционных и инвазионных заболеваний.
К гидрохимическим относятся методы, предусматривающие проведение химической реакции и последующее количественное определение образующихся продуктов реакции. В настоящее время это в основном методы объемного анализа. Распространенные ранее весовые методы из-за их трудоемкости и длительности используются изредка в качестве арбитражных, когда возникают разногласия, например, при определении сульфатов, высоких концентраций нефтепродуктов, жиров.
Методы объемного анализа предусматривают взаимодействие исследуемого компонента с реактивом, который добавляется в виде раствора определенной концентрации (титрующий раствор) до того момента, когда количество прибавленного реактива не станет эквивалентно количеству определяемого компонента в растворе. Этот процесс называется титрованием, а момент окончания титрования - точкой эквивалентности. Конец титрования обычно устанавливают по изменению цвета индикатора, то есть вещества, которое изменяет свою окраску при концентрациях реагирующих веществ, близких к точке эквивалентности. Индикатор и условия титрования выбирают так, чтобы точка титрования индикатора совпадала с точкой эквивалентности или была возможно ближе к ней.
Чувствительность методов объемного анализа 10~э -104% (массовая доля), погрешность определения 0,5-1,5%. Основным преимуществом объемного анализа являются простота, быстрота определения, а также широкие возможности использования разнообразных химических свойств веществ. Благодаря этим достоинствам методы объемного анализа в настоящее время являются основными при определении макрокомпонентов природных вод. [12]
В зависимости от типа реакций методы объемного анализа делятся на четыре большие группы: 1) кислотно-основное титрование; 2) титрование окислителями и восстановителями; 3) осаждение; 4) титрование с образованием комплексов.
При кислотно-основном титровании в качестве титрованных растворов обычно применяют кислоты и щелочи. В гидрохимии этим методом определяют диоксид углерода и гидрокарбонаты.
Метод определения диоксида углерода
основан на количественном переводе угольной кислоты в ионы НС03при титровании
пробы щелочью (рН8,2-8,4) в присутствии индикатора фенолфталеина:
Н2СО3+ ОН=НСО3+ Н20; (1.1)
Н2СО3+ СО3=
2НСО3 (1.2)
Для определения гидрокарбонатных и карбонатных ионов используется их взаимодействие с сильной кислотой в результате чего образуется Н2С03, которая распадается на С02и Н20. [12]
Метод предусматривает добавление избытка соляной кислоты (до рН-3), удаление образующегося диоксида углерода и последующее оттитровывание избытка кислоты раствором буры Na2B407 в присутствии смешанного индикатора метилового красного - метиленового голубого.
Титрование окислителями и
восстановителями применяется в основном при определении растворенного кислорода
и окисляемости. Определение растворенного кислорода основано на взаимодействии
гидроксида марганца с растворенным в воде кислородом, в результате чего
образуется нерастворимое соединение четырехвалентного марганца коричневого
цвета. При подкислении раствора в присутствии избытка йодистого калия
образуется йод, количество которого эквивалентно содержанию растворенного
кислорода и учитывается титрованием раствора тиосульфата:
Mg+2OH= Mn(OH)2 (1.3)
Mn(OH)2+O2= 2MnO(OH)2 (коричневый) (1.4)
2Mn(OH)2+4H+3I = Mn+I3+3H2O (1.5)
I3+2S2O3=
3I+S40 (1.6)
Определение бихроматной окисляемости основано на окислении органических веществ бихроматом калия в кислой среде (в присутствии катализатора), избыток которого титруют раствором железо-аммонийных квасцов.
Методы осаждения используются при определении сульфатов и хлоридов. Метод определения сульфатов основан на их взаимодействии с солями свинца, в результате чего образуется слаборастворимый осадок PbS04в присутствии индикатора дитизона. В эквивалентной точке окраска индикатора изменяется из сине-зеленой в красно-фиолетовую.
Метод определения хлоридов основан на малой растворимости хлорида серебра AgCl, который выпадает из раствора при добавлении нитрата серебра AgN03к воде, содержащей хлоридные ионы:
+CI=AgCl (белый осадок) (1.7)
После полного осаждения хлоридов избыток ионов серебра вступает в реакцию с ионами хромовой кислоты, которую добавляют как индикатор. При этом образуется осадок хромата серебра красного цвета.
Примерами титрования с образованием комплексов могут служить реакции взаимодействия ионов кальция и магния с трилоном Б, с которым эти ионы образуют малодиссоциироваиные комплексы.
Электрохимические методы. Группа электрохимических методов основана на измерении электрохимических свойств компонентов - окислительного потенциала, электрической проводимости, силы полярографического тока. Основные достоинства этих методов - простота выполнения определений, легкость автоматизации, низший предел обнаружения 1015 - 107%, невысокая погрешность (0,5-5%). [12]
Потенциометрический метод анализа основан на измерении потенциала электрода, изменяющегося в результате химических реакций и зависящего от температуры и концентрации анализируемого раствора. Использование ионселективных электродов, выпускаемых отечественной промышленностью, позволило значительно расширить возможности практического применения метода в аналитическом контроле вод (рН, ионы натрия, кальция, магния, аммония, фториды, хлориды, нитраты и т.д.).
Метод титрования, при котором точку эквивалентности устанавливают по резкому скачку потенциала электрода, погруженного в анализируемый раствор, называют потенциометрическим титрованием. Этот метод преследует чисто прикладную цель количественного определения данного вещества в растворе путем его титрования стандартным раствором соответствующего реагента. При титровании в исследуемый раствор опускают индикаторный электрод, возникновение потенциала на котором обусловливается определяемым веществом непосредственно (если оно электроактивно) или косвенно (если оно неэлектроактивно) в результате химической реакции. В процессе данного взаимодействия за изменением концентрации определяемого вещества следят по изменению потенциала индикаторного электрода.