Введение
Витебский район характеризуется довольно высокой степенью хозяйственного освоения и промышленного развития. Население района насчитывает более 390 тыс. человек, проживающих на площади 2,8 тыс. км2. Важно отметить, что город Витебск является одним из крупнейших промышленных центров республики. Все это в совокупности обусловливает значительное антропогенное воздействие на природные экосистемы.
Располагаясь на территории с благоприятными условиями увлажнения, Витебский район обладает хорошо развитой гидрографической сетью, представленной бассейном Западной Двины с ее многочисленными притоками, и более чем 30 озерами.
Водные экосистемы отличаются динамичностью во времени, территориальной замкнутостью в границах водосборных объектов, отражают интегральное влияние всех происходящих в гидрографической сети и на водосборах естественных и антропогенных процессов. Поэтому их оценка произведена на основе сочетания административно-территориального и бассейнового принципов. Являясь основными приемниками сточных вод различных категорий, водные объекты выступают индикаторами экологического состояния и позволяют судить о чрезмерном антропогенном влиянии на природную среду, посредством изменения качества поверхностных и подземных вод.
Цель данной дипломной работы - изучить гидрохимические и гидробиологические особенности природных вод и на их основе охарактеризовать экологическое состояние водных объектов Витебского района.
Поставленная цель достигалась решением следующих задач:
изучением по научным литературным источникам методов исследований водных объектов;
рассмотрением основных природных особенностей, оказывающих влияние на формирование гидрографической сети Витебского района;
характеристикой основных гидрохимических особенностей природных вод района;
анализом гидробиологических показателей в водных объектах района.
Структурно данная дипломная работа может быть разделена на введение, четыре главы, заключение и список использованной литературы. В главе первой приведено методическое обоснование гидрохимических и гидробиологических методов исследований водных объектов. Вторая глава посвящена рассмотрению основных природных особенностей Витебского района: геологического строения и рельефа, климата, почвенного покрова, растительного и животного мира, ландшафтов. В третьей главе дана характеристика гидрохимических особенностей подземных и поверхностных вод. В четвертой главе выполнен пространственно-временной анализ гидробиологических показателей в водных объектах Витебского района.
гидрохимический водоем гидробиологический антропогенный
Глава 1. Методика гидроэкологических
исследований
Научное исследование водных объектов включает два уровня: эмпирический и теоретический. Эмпирический уровень охватывает этапы получения информации, её обработки и простейших обобщений [4]. Обобщение эмпирических фактов вплоть до формирования законов и теорий совершается на теоретическом уровне с использованием абстрагирования, анализа, синтеза, правил абстрактной логики, теории подобия и аналогии, а также различных общенаучных и конкретно-научных принципов и методов.
Методика гидроэкологических исследований включает выбор объекта и предмета исследования, отбор свойств и признаков, вовлекаемых в исследование, их ранжирование по значимости для изучаемого явления, методы получения и обработки информации об объекте, приемы нахождения эмпирических зависимостей. В схеме гидроэкологических исследований выделяют несколько логически последовательных этапов.
Инвентаризационный этап - постановка задания, из которого достаточно ясно должна быть видна основная цель исследования водоема или водотока и его программа. В обосновании четко формулируется цель проекта, состояние разработки проблемы, научная идея, научная и практическая значимость работы, этапы исследования, предполагаемые результаты. Этап включает составление краткой справки о степени изученности водного объекта с характеристикой природных компонентов и источников антропогенных воздействий, сбор фактического материала в результате непосредственных наблюдений на водоеме [5].
Оценочный этап включает в себя обработку, обобщение, систематизацию материалов полевых гидроэкологических исследований, проведение лабораторных анализов, выявление и оценку сложившихся гидроэкологических ситуаций. Этап завершается разработкой рекомендаций по оптимизации свойств и территориальной организации водных экосистем.
Прогнозный этап направлен на изучение ожидаемых изменений в экосистеме водоема или водотока за определенный период времени.
Для водных объектов удобно устанавливать так называемые маркерные характеристики, позволяющие составить представление об общем характере загрязнения, не осуществляя полной программы измерений. Например, избыточное содержание ионов аммония служит маркерным показателем бытового и сельскохозяйственного загрязнения.
В целом, гидроэкологические наблюдения включают
в себя комплексное выполнение гидрологических, гидрохимических и
гидробиологических наблюдений на озерах, реках, водохранилищах и прудах.
.1 Методы гидрохимических исследований
Гидрохимические наблюдения направлены на изучение закономерностей гидрохимического режима водоема и выяснение влияния различных видов антропогенных воздействий (сброса сточных вод, мелиорации водосбора, построения гидротехнических сооружений) на естественный гидрохимический режим. В рамках этих задач проводятся сезонные наблюдения за физическими и химическими свойствами воды.
Для правильной оценки качества воды, характеристики его химико-биологического состояния, степени загрязнения требуется выполнить, по крайней мере, два условия: удовлетворительный анализ определенного минимума проб воды из конкретного водоема и их репрезентативность.
Под репрезентативностью проб понимают их соответствие поставленной задаче как по количеству и объему, так и по выбранным точкам и времени отбора, а также по технике отбора, предварительной обработке, условиям хранения и транспортировки.
Станции наблюдения на водоемах и водотоках (пункт контроля) организуются таким образом, чтобы обеспечить возможность получения объективной информации о фоновом состоянии различных типов водных объектов, поступлении загрязняющих веществ от внешних и внутренних источников загрязнения и транзите загрязняющих веществ через водные системы стационара.
На каждой станции наблюдения закладывается створ - условное поперечное сечение водоема или водотока, в котором производится комплекс работ для получения данных о качестве воды. Местоположение створа устанавливается с учетом гидрологических и морфологических особенностей водных объектов, а также функций, возложенных на станции (фоновая, контрольная, транзитная)
Створы станций должны располагаться:
на реках, где отсутствует поступление загрязняющих веществ с водосбора от точечных или диффузных источников загрязнения;
на водотоках в местах ниже локальных источников загрязнения;
на верхних и нижних участках контролируемых водных объектов.
Предварительная обработка, транспортировка и хранение проб должны производиться таким образом, чтобы в содержании и составе определяемых компонентов и свойствах воды не происходило существенных изменений.
Отбор проб должен учитывать специфику водоема (морфология, гидрология, характер водосбора), т.е. все, чем определяется выбор места и частоты отбора, и специфику определяемых веществ (растворенное, взвешенное, коллоидное) т.е. все, что определяет в конечном итоге физические, химические и биологические свойства водного объекта.
В зависимости от цели исследования отбор проб может быть разовым (нерегулярным) и регулярным (или серийным).
Место отбора пробы выбирают в соответствии с целями анализа и на основании исследования местности. Чтобы исключить влияние случайных факторов чисто местного характера, не следует брать пробы воды на химический анализ в следующих пунктах:
подверженных непосредственному влиянию притоков;
вблизи населенных пунктов, если около них в данный водоем выводятся сточные воды или если берега загрязняются отбросами;
около предприятий, загрязняющих воду отходами производства;
в участках слабого водообмена, т.е. в застойных участках.
Пробы отбирают или смешанные по глубине, или в ряде точек в поперечном сечении на стрежне потока. Для малых потоков смешанная по глубине проба обычно равнозначна пробе, взятой в центре потока.
Основное требование к периодичности отбора проб на станциях наблюдений заключается в том, что их oтбор, даже при минимальной частоте, должен характеризовать состояние водного объекта в основные фазы водного режима.
Наиболее простое устройство для отбора проб представляет собой бутылка с широким горлом, погружаемая в водоем и вынимаемая после заполнения. Следует помнить, что емкость, в которой хранится проба, и ее пробка не должны:
вносить загрязнения;
абсорбировать и адсорбировать определяемый элемент;
вступать в реакцию с определенными элементами, содержащимися в пробе.
Бутыли для проб перед использованием следует вымыть концентрированной соляной кислотой. Для обезжиривания используют синтетические моющие вещества. Сильно загрязненные стеклянные бутыли моют и обезжиривают хромовой смесью. Остатки использованного для мытья реактива полностью удаляют тщательной промывкой бутылей водопроводной водой, ополаскивают дистиллированной водой, дают воде стечь и высушивают. При отборе пробы посуду предварительно ополаскивают несколько раз исследуемой водой.
Основное правило - анализировать пробу как можно быстрее после отбора. Это в особенности важно при определении низких концентраций веществ, когда ошибка за счет адсорбции вещества на стенках контейнера при хранении может оказаться достаточно большой.
Анализируемое вещество может изменять свои свойства при хранении, транспортировке, в процессе анализа. Для того чтобы замедлить изменения, происходящие в пробе при хранении, применяется консервирование проб, т.е. добавление в пробу небольшого количества определенных веществ, не влияющих на результаты анализа. Применяемые методы консервации указаны в методиках определения конкретных показателей.
Решение сложного комплекса задач, связанных с охраной окружающей среды и рациональным использованием водных ресурсов, осуществляется на достаточно широкой и надежной экспериментальной основе - методиках химического анализа воды, развитие которых идет по пути дальнейшего повышения чувствительности, точности.
Наиболее часто при анализе природных вод используют фотометрические, титриметрические, потенциометрические методы, метод сравнения окраски исследуемой воды с эталонами и др.
Величина рН имеет большое значение для химических и биологических процессов, происходящих в природных водах. Она влияет на процессы превращения различных форм биогенных элементов, изменяет токсичность загрязняющих веществ. Определение рН в исследуемых водах проводится с помощью универсального иономера ЭВ-74, в основе работы которого лежит измерение электродвижущей силы цепей, составленных из индикаторного электрода и электрода сравнения.
Содержание основных макрокомпонентов поверхностных вод определяется методом титриметрического анализа.
Метод определения гидрокарбонатного иона (HCO3-) основан на взаимодействии бикарбонатов с соляной кислотой (HCl) с использованием индикатора метилоранжа. О величине щелочности судят по количеству израсходованной кислоты в ходе титрования.
Определение ионов кальция и магния (жесткость) проводится титрованием пробы воды трилоном Б с применением индикаторов хромогена черного и флуорексона. При определении величины общей жесткости исследуемую воду титруют раствором трилона Б с применением индикатора хромоген черный до перехода красно-фиолетовой окраски исследуемой воды в голубую. Обязательным условием при расчете общей жесткости является определение нормальности трилона Б [20].
При определении ионов кальция используется индикатор флуорексон, а переход зеленовато-розового флуоресцирующего цвета титруемого раствора в розовый свидетельствует о конце титрования. Титрование пробы производится раствором трилона Б. Содержание магния вычисляется арифметическим путем.
Определение содержания ионов хлора (Сl-) при анализе неокрашенных и окрашенных вод проводится аргентометрическим методом с использованием для титрования азотнокислого серебра, по использованному объему которого судят о содержании хлора. В качестве индикатора для определения конца титрования используется порошок хромовокислого калия (K2CrO4), в результате чего образуется осадок хромата серебра красного цвета.
Колориметрический метод позволяет установить концентрацию определенного вещества в растворе по интенсивности окраски раствора.
Нитрит-ионы (NO2-) являются одной из форм соединений азота, необходимых для жизнедеятельности наземных и водных организмов. В основе метода лежит определение нитритов с применением реактива Грисса, окрашивающего исследуемую воду в розовый цвет разной интенсивности в зависимости от концентрации (NO2-). Содержание нитритов находят по калибровочной кривой [35].
Фосфат-ионы (PO4.-3). Метод их определения основан на взаимодействии фосфатов с молибдатом в кислой среде с образованием фосфорно-молибденовой гетерополикислоты H7[P(Mo207)6l28Н2О восстановлением ее аскорбиновой кислотой в присутствии сурьмяновиннокислого калия до фосфорно-молибденового комплекса, окрашенного в голубой цвет. Содержание фосфатов находят по графику. В случае разбавления исследуемой воды содержание фосфатов определяется по формуле, учитывающей степень разбавления воды.
Турбидиметрический метод определения сульфатов (SO4-) основан на измерении интенсивности помутнения растворов, содержащих сульфатные ионы, в присутствии смешанного реактива (смесь солей бария BaCl2, гликоля и этилового спирта) и соляной кислоты, используемой для создания кислой среды и удаления влияния гидрокарбонатов и карбонатов. Содержание сульфатов находят по калибровочному графику. В случае высокого содержания сульфатов исследуемую воду разбавляют дистиллированной водой и концентрацию определяют по формуле аналогично фосфат-ионам.
Определение цветности проводится визуальным методом (метод сравнения с искусственными стандартами). В чистую пробирку до метки наливают исследуемую воду. Помещают пробирку над белой поверхностью (лист бумаги) и смотрят вертикально вниз через столбик жидкости. Методом сравнения подбирают пробирку из набора шкалы цвет раствора, в которой соответствует цвету исследуемой воды. Записывают номер пробирки, а затем по таблице определяют соответствующий ему градус цветности.
Перманганатная окисляемость (содержание легко окисляемого органического вещества) определяется методом Кубеля. Сущность этого метода заключается в том, что при титровании раствора перманганат, восстанавливаясь, обесцвечивается и после перехода точки эквивалентности малейший избыток окрашивает титруемый раствор в розовый цвет. Титрование перманганатом происходит в сернокислой среде при кипячении. Метод можно использовать для проб, окисляемость которых ниже 100 мг/л. Перманганатная окисляемость вычисляется по формуле с предварительным определением нормальности калия перманганата (KMnO4) [37].
Сумма ионов (общая минерализация) определяется арифметически (полученная концентрация ионов суммируется) и выражается в мг/л (мг/дм3).
При гидрохимическом мониторинге определяется количественное содержание элементов основного солевого состава, биогенных и загрязняющих веществ на момент отбора пробы. Гидрохимический мониторинг позволяет дать оценку экологического состояния водных объектов, сформировавшегося за предыдущий период. Гидрохимические наблюдения в местах потенциальных источников загрязнения, в устьях притоков, на трансграничных участках водотоков проводятся ежемесячно. В пробах поверхностных вод определяется более 35 гидрохимических показателей и ингредиентов, характеризующих качественный состав водных объектов.