Оценка экологического состояния поверхностных вод Октябрьского района г.о. Саранск. Антропогенная нагрузка на водный объект

МОУ «Центр образования «Тавла» –

Средняя общеобразовательная школа № 17»

Оценка экологического состояния поверхностных вод

Октябрьского района г.о. Саранск.

Антропогенная нагрузка на водный объект

Саранск 2021

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Важной составляющей любой экосистемы являются поверхностные воды: реки, озера, водохранилища. Около 99 % от общего количества речных водотоков на территории России составляют малые реки. Сегодня состояние поверхностных вод, особенно малых рек и озер, заметно ухудшилось. Состояние природных вод любого региона, округа, района имеет огромное экологическое значение. Оно существенно зависит от влияния промышленных и сельскохозяйственных предприятий, жилищно-коммунального сектора и автомобильных выбросов. Поэтому организация постоянного мониторинга качественных и количественных характеристик состава природных вод и ее безопасность для биоты всегда остается актуальным [1].

В естественном состоянии вода никогда не свободна от примесей. В ней растворены различные газы и соли, находятся взвешенные твердые частички. В 1 литре пресной воды может содержаться до 1 грамма различных солей. Большая часть воды сосредоточена в морях и океанах.

Водоемы и реки могут до 90%, без вмешательства человека, самоочищаться и самовосстанавливаться. Очистителями служат растения: камыш, рогоз, осока, из животных особое внимание заслуживают двустворчатые моллюски. Многие растения и животные служат своеобразными индикаторами чистой воды. Например, в присутствии токсических веществ моллюски прекращают фильтрацию воды и закрывают створки раковин, обеспечивая изоляцию организма от внешней среды.

Малые реки являются начальными звеньями гидрографической сети, формирующими более крупные водотоки. Они наиболее чутко реагируют на прямые (водозабор, сброс) и косвенные (динамические процессы на водосборной площади) антропогенные воздействия.

Влияние малых рек на окружающие территории огромно. Они дренируют местность, определяют смыв почв, содержат запас питьевой воды, используемый жителями многих населенных пунктов. Человек постоянно использует воду для технических и бытовых нужд. Состав естественных вод весьма разнообразен, меняется в широких пределах, зависит от климата и времени года. Химическим составом вод и их органолептическими показателями определяется их безопасность для региона и его населения.

Объект исследования: поверхностные воды Октябрьского района г.о. Саранск.

Предмет исследования: химические и органолептические показатели воды рек Тавла и Инсар и их экологическое состояние.

Цель работы: оценка экологического состояния поверхностных вод Октябрьского района (Тавла и Инсар) изучением их органолептических и физико-химических показателей.

Задачи работы:

- провести анализ литературных данных;

- выявить значение рек Тавла и Инсар для жизни людей по литературным источникам;

- оценить загрязнённость рек Тавла и Инсар твёрдыми бытовыми отходами;

- оценить экологическую обстановку близ рек Тавла и Инсар;

- определить внешний вид водного объекта;

- определить органолептические показатели воды;

- определить физико-химические показатели воды;

-определить экологическое состояние рек Тавла и Инсар методом биоиндикации;

- сделать вывод о пригодности воды для существования организмов;

- на основе полученных результатов, сделать выводы о состоянии водных объектов г. Саранск.

Гипотеза: можно предположить, что существует взаимосвязь между антропогенным нарушением в балансе экосистемы реки и качественными показателями её воды; так как визуально на поверхности рек можно наблюдать уток, также есть основание предположить, что органолептические и химические показатели воды удовлетворительны.

Методы исследования: анализ литературных источников по данной теме, систематизация и обобщение теоретического материала, опытно-экспериментальный метод (определение органолептических показателей, проведение химических реакций, для определения качественного состава воды).

Практическая значимость: выполнить экологическую оценку состояния поверхностных вод Октябрьского района г.о. Саранск, ознакомить с результатами исследования общественность, а также выработать рекомендации по улучшению состояния рек для заинтересованных лиц.

1 Анализ литературных данных

1.1 Санитарно-гигиеническое значение воды

Вода является главным компонентом живой ткани. Содержание воды в различных тканях и секретах колеблется в очень широких пределах: в скелете-22%, в печени, мышцах, мозге, сердце, коже и соединительной ткани 70-80%, в плазме крови 90%, в поте, слюне 99, 5%. Таким образом, вода является основной составной частью многих тканей и секретов организма.

Одним из показателей жизни является процесс обмена веществ. Его протекание невозможно без участия воды, которая выполняет роль растворителя для большинства соединений и служит средой, в которой протекают все биохимические реакции. В связи с этим при недостаточном поступлении воды возникает интоксикация организма.

Так при дефиците воды наблюдается расстройство многих физиологических функций организма: нарушается обмен веществ, увеличение количества молочной кислоты, снижение в тканях окислительных процессов, возрастает вязкость крови, повышается температура тела, учащается дыхание и резко снижается аппетит.

1.2 Загрязнение поверхностных вод

На территории Республики Мордовия имеется 1525 водотоков общей протяженностью 9250 км. Большую часть из них (95,5%) составляют самые малые и мельчайшие реки, за которыми необходим тщательный контроль экологического состояния.

Организация постоянного мониторинга качественных и количественных характеристик состава природных вод имеет большое значение для экологии. Одним из главных факторов изменения качества природных вод является их загрязнение. Громадное влияние на чистоту поверхностных вод оказывают стоки с полей, содержащие в своем составе различные ядохимикаты, удобрения, а также бытовой мусор и навоз.

Наиболее распространенными загрязняющими веществами поверхностных вод остаются нефтепродукты, фенолы, легкоокисляемые органические вещества, соединения металлов, аммонийный и нитридный азот. Основным источником загрязнения являются сточные воды различных производств, предприятий сельского и коммунального хозяйства, поверхностный сток.

Многие предприятия городов не всегда должным образом обращают внимание на создание и соблюдение водоохранных мероприятий, что приводит к неблагоприятным последствиям водной среды, то есть в зонах крупных промышленных центров, поступление с поверхностным стоком и сточными водами большого количества загрязняющих веществ. Еще одним немало важным фактором загрязнения является нарушение режима хозяйственной деятельности в водоохранных зонах и попадание в водотоки органических и минеральных загрязнении, а также смыва почвы в результате водной эрозии. Также нельзя пройти мимо размеры бытовых городских стоков, которые подобно промышленным, сбрасываются в канализацию.

Загрязнение вод проявляется в изменении физических и органолептических свойств, увеличение содержание сульфатов, хлоридов, нитратов, токсичных тяжелых металлов, сокращение растворенного в воде кислорода воздуха, появление болезнетворных бактерий и других загрязнителей.

В случае превышения нормы допустимой хотя бы по одному из трех показателей вредности: санитарно-токсикологическому, общесанитарному или органолептическому, вода считается загрязненной.

Различают естественные и антропогенные источники загрязнения вод. Первые в отличие от вторых сбалансированы процессами самоочищения вод за счет круговорота веществ в природе. Этим механизмом природа пользуется в течение всей истории существования биосферы. Антропогенные загрязнения связано с хозяйственной деятельностью человека.

Органическое загрязнение. Оно обычно оценивается окисляемостью, выражаемой в мг/л кислорода.  Это, позволяет выявить количество кислорода необходимого для окисления органических веществ.

Хлориды. Повышенное их содержание в воде связано с засоленностью почвы, богатой хлористыми соединениями. Такая вода не является опасной в санитарном отношении и пригодна для потребления животными и использования в хозяйственных целях. Норма для питьевой воды – не более 20-30 мг/л. При отсутствии других загрязнений в воде допускается содержание хлоридов минерального происхождения до 350мг/л. Вода, в которой хлоридов содержится более 500 мг/л, имеет солоноватый привкус и неблагоприятно влияет на желудочную секрецию.

При содержании хлоридов 500 мг/л и выше в питьевой воде усиливается эвакуаторная деятельность желудка и уменьшается количество, кислотность и переваривающая способность желудочного сока, что приводит к нарушению процессов пищеварения. При длительном потреблении воды с наличием хлоридов в количестве 1.0-2.5г/л у животных изменяются некоторые показатели водно-солевого обмена, повышается артериальное давление и наблюдается расстройство пищеварения.

Сульфаты. При их наличии в воде, она имеет горький вкус, а также вызывает расстройства деятельности желудочно-кишечного тракта (обладают слабительным действием, угнетают деятельность желудочных желез и др.). других показателей загрязнения допускается наличие в воде сульфатов минерального происхождения до 500 мг/л.

рН (водородный показатель). Отражает наличие в воде органических солей животного и растительного происхождения, процессы их гниения, а также содержание минеральных веществ. Хорошее качество воды характеризуется чаще всего нейтральной средой, а иногда слабощелочной рН (6.0-9.0). Повышенное содержание солей органического происхождения, а также процессы животного происхождения, гниения, приводят к кислой реакции. Повышенное содержание солей, жесткости воды способствует сдвигам к щелочной среде.

Неорганическое загрязнение. Основными минеральными загрязнителями вод являются разнообразные химические соединения, токсичные для обитателей водной среды. Это соединение свинца, кадмия, ртути, хрома, фтора, меди. Большая их часть попадает в воду в результате человеческой деятельности. Фитопланктон поглощает тяжелые металлы, а затем они в свою очередь передаются по пищевой цепи организмом.

Физическое загрязнение. Связано со сбросом тепла в воду, что приводит к потрясению всего биоценоза водоема. К физическим относят также радиоактивное загрязнение вод, попадание в водные системы различных взвесей, что приводит к изменению прозрачности воды. Неприятный запах, вкус так же относят к физическому загрязнению.

Источником теплового загрязнения служат подогретые сбросные воды теплоэлектростанций и промышленности. Повышение температуры природных вод изменяет естественные условия для водных организмов, снижает количество растворенного кислорода, изменяет скорость обмена веществ.

По данным Государственного экологического надзора Министерства лесного, охотничьего хозяйства и природопользования Республики Мордовия экологическая ситуация водных объектов в республике Мордовия за последние 3 года оценивается как достаточно стабильная, без ухудшения [2]. Но отмечается ухудшение состояния поверхностных вод г.о. Саранск. Особенно это касается реки Инсар, которая подвержена интенсивному антропогенному воздействию. Характерными загрязняющими веществами являются соединения азота (нитритные, нитратные и аммонийные), легкоокисляемые органические вещества, нефтепродукты, трудноокисляемые органические вещества, медь. Дальнейшее увеличение перечисленных загрязнителей может вызывать эвтрофикацию водоемов, особенно это касается озер и прудов, для которых характерна небольшая скорость движения воды.

Таким образом, мероприятия по охране водных ресурсов региона обязательно должны включать и защиту малых водотоков от загрязнения и деградации. Поэтому первоочередной природоохранной задачей любого региона является мониторинг качества природных вод [3].

2 Обсуждение результатов

В ходе данного исследования было получено представление о состоянии реки Тавла микрорайона «Юбилейный» и реки Инсар (район Химмаш) г.о. Саранск (рис. 1).

Рис. 1 – Карта точки пробоотбора

В ходе исследования нами использовались методы определения органолептических и физико-химических показателей. В ходе работы была проведена визуальная оценка цвета и интенсивности запаха. Физико-химический анализ воды проводился по тем параметрам, которые определяют экологическое состояние воды: карбонатная жесткость, значение pH, окисляемость, концентрация растворенных в воде веществ.

Количество опытов по каждому показателю составило не менее трех.

Результаты исследования представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Результаты исследования

Физико-химическое исследование показало, что содержание хлоридов ниже допустимой нормы, поэтому применение сточных вод в сельском хозяйстве при наличии достаточных площадей вполне возможно.

Соли азотной кислоты (нитраты) - конечные продукты минерализации органических веществ бактериями, присутствующими в почве и в воде с достаточным содержанием кислорода. В нашем случае незначительная концентрация нитрат-ионов свидетельствует о том, что реки Тавла микрорайона «Юбилейный» и Инсар практически не загрязнены органическими веществами.

Наличие нитратов обычно связано с поступлением в водоемы промышленных и хозяйственно-бытовых стоков, а также смывов воды с сельскохозяйственных угодий, на которые были внесены азотосодержащие удобрения.

Одновременное содержание в воде аммиака, нитритов и нитратов свидетельствует о незавершенности этого процесса и продолжающемся, опасном в эпидемическом отношении загрязнении воды. Однако повышенное содержание нитратов может иметь минеральное происхождение. Нитраты используют в качестве удобрений (селитра), во взрывчатых веществах, в химическом производстве и в качестве консервантов пищевых продуктов. Некоторые нитраты являются результатом фиксации в почве атмосферного азота (бактериальный синтез).

Основными источниками кислорода в поверхностных водах является фотосинтез водных организмов и абсорбция атмосферного кислорода. Абсорбция кислорода из атмосферы происходит на поверхности водоема. Продуцирование кислорода в процессе фотосинтеза протекает в поверхностном слое водоема, толщина которого зависит от прозрачности воды и колеблется от нескольких десятков сантиметров до нескольких десятков метров. Кислород может также поступать в водоемы с дождевыми и снеговыми водами, которые обычно им пересыщены.

Минимальное содержание растворенного кислорода, обеспечивающее нормальное развитие рыб, составляет около 5 мг/л. Понижение до 2 мг/л приводит к массовой гибели рыб. В нашем случае наблюдается недостаток кислорода для нормального развития рыб. Возможно, это связано с большим количеством гумусовых и загрязняющих веществ, что приводит к биохимическому окислению органических веществ.

Почти все природные воды, дождевая вода, сточные воды содержат хлорид-ионы. Их концентрации меняются в широких пределах. Присутствие хлоридов объясняется наличием в породах наиболее распространенной на Земле соли – хлорида натрия. Повышенное содержание хлоридов объясняется загрязнением водоема сточными водами и применением хлорида калия в качестве антигололедного реагента.

Значение рН (водородный показатель) в норме. Для данного значения рН характерно наличие в воде солей Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂. Также можно отметить, что отклонение рН воды в щелочную область, обычно нарушает экосистему водоема и приводит к вымиранию рыб, а затем и к исчезновению микроорганизмов.

Карбонатная жесткость воды подразумевает наличие в воде карбонатных солей кальция и магния. Способ основан на реакции между соляной кислотой и гидрокарбонатами.

Ca(HCO₃)₂  2HCl  CaCl₂  2H₂O  2CO₂

Реки находятся во взаимосвязи со всеми природными компонентами.

3 Экспериментальная часть

Лабораторные опыты по изучению химических и органолептических показателей воды реки Тавла микрорайона «Юбилейный» и реки Инсар (район Химмаш) проводили в лаборатории исследований и наблюдений МОУ «Центр образования «Тавла» - Средняя общеобразовательная школа №17» г.о. Саранск.

Основными объектами исследований служила пробы воды с середины рек Тавла и Инсар. Воду отбирали в литровые пластиковые бутылки, предварительно вымытые без использования моющих средств и высушенные. Для более длительного хранения производили консервирование пробы путём добавления 1-3 мл толуола на 1 л воды.

3.1 Определение органолептических характеристик поверхностных вод Октябрьского района

3.1.1 Оценка цветового показателя

Оценка цвета – один из показателей состояния водоемов и рек. Для определения цветности воды использовали стеклянный сосуд и лист белой бумаги. В сосуд набрали воду и на белом фоне бумаги определяли ее цвет (голубой, зеленый, серый, желтый, коричневый) – показатель определенного вида загрязнения.

При загрязнении водоемов и рек стоками промышленных предприятий вода может иметь окраску, не свойственную цветности природных вод. Для источников хозяйственно-питьевого водоснабжения окраска не должна обнаруживаться в столбике высотой 20 см, для водоемов культурно-бытового назначения – 10 см. Соли железа, гуминовые кислоты придают воде жёлтый цвет. Зеленоватая окраска воды может быть связана с явлением эвтрофикации (перенасыщение питательными веществами: нитраты, соли аммония) и, как следствие, присутствием микроскопических водорослей.

Вода с середины рек не имеет цвета, а вода с прибрежной территории немного замутнена, что характерно для пресных водоемов.

3.1.2 Определение запаха воды

Для определения запаха воды колбу на 250 мл заполнили водой на 2/3 части и закрыли пробкой, сильно взболтали, и, открыв пробку, определили запах. Для усиления запаха 100 мл воды налили в колбу, накрыли часовым стеклом и подогрели до 50 – 60^°C. Затем колбу с водой сняли с огня и определили интенсивность запаха (таблица 2.2).

Интенсивность запаха оценивали при 20°С и 60°С по 5ти-бальной системе (таблица 3.1).

Таблица 3.1 – Интенсивность запаха воды

1. Определение физико-химических характеристик поверхностных вод Октябрьского района

3.2.1 Определение карбонатной (временной) жесткости воды

Для определения карбонатной жесткости в коническую колбу мерным цилиндром налили 100 мл анализируемой воды, прибавили 2-3 капли метилоранжа и титровали 0,05н раствором соляной кислоты до перехода желтой окраски в бледно-розовую.

Титрование повторяли 3 раза, брали среднее значение из сходных результатов и рассчитали карбонатную жесткость по формуле:

где Ск – концентрация карбонат – иона, мг/л; V(HCl) – объем соляной кислоты, израсходованный на титрование, мл.

3.2.2 Определение окисляемости воды

Налили в пробирку 5 мл исследуемой воды, добавили 0,3 мл раствора H₂SO₄(1:3) и 0,5 мл 0,01н раствора перманганата калия. Смесь перемешали, оставили на 20 минут. По цвету раствора оценили величину окисляемости по таблице 3.2.

Таблица 3.2 – Окисляемость воды

1. Определение рН (водородный показатель)

Для определения содержания рН в воде использовали датчик рН, входящий в цифровую лабораторию. Его корпус изготовлен из пластмассы. Данный метод позволяет получить более точные результаты. Для использования датчика, подключили его к компьютеру, сняли защитный колпачок и погружали в исследуемый образец. Данные, которые мы получили в ходе эксперимента, отображались на мониторе компьютера в виде графика зависимости водородного показателя рН от времени.

Рисунок 2.1. – График зависимости водородного показателя рН от времени (река Тавла микрорайона «Юбилейный»)

1. Определение концентрации хлорид-ионов

Для измерения концентрации хлорид-ионов использовали селективный электрод и датчик переходник для электродов. Индикаторные электроды с твердой кристаллической матрицей на основе Ag₂S с добавлением AgCl обладают хорошей селективностью по отношению к хлорид-иону в широко интервале рН и позволяют определить до 10^-5 М Cl^-; электрод сравнения в этом случае заполняли 1М раствором KNO₃ (во избежание влияния хлорид-ионов из электрода сравнения). Присутствие других галогенид-ионов мешает определению хлора.

В колбу емкостью 100 мл налили воду для исследования. Опустили ионоселективный электрод на глубину 5 см. Затем погрузили электрод сравнения. Данные, которые мы получили в ходе эксперимента, отображались на мониторе компьютера в виде графика зависимости концентрации хлорид-ионов от времени.

Рисунок 2.2. – График зависимости концентрации хлорид-ионов от времени (река Тавла микрорайона «Юбилейный»)

1. Определение концентрации нитрат-ионов

Для измерения концентрации нитрат-ионов использовали селективный электрод (аналогичный селективному электроду для хлорид-ионов) и датчик переходник для электродов. Измерение проводили методом прямой ионометрии с использованием с использованием нитрат-селективных мембранных электродов. Ионоселективные электроды с полупроницаемой мембраной, содержащей фенантролинат никеля, позволяет определить нитрат-ион в области концентраций 1 – 10^-5 моль/л в присутствии стократных избытков нитрит-иона и тысячекратных избытков галогенид-ионов или фосфат-иона.

В колбу емкостью 100 мл налили воду для исследования. Опустили ионоселективный электрод на глубину 5 см. Затем погрузили электрод сравнения. Данные, которые мы получили в ходе эксперимента, отображались на мониторе компьютера в виде графика зависимости концентрации нитрат-ионов от времени.

1. Определение содержания растворенного кислорода

Для определения содержания растворенного кислорода в воде использовали датчик кислорода, входящий в цифровую лабораторию. Его корпус изготовлен из пластмассы. Данный метод позволяет получить более точные результаты. Для использования датчика, подключили его к компьютеру, сняли защитный колпачок и погружали в исследуемый образец.

Данные, которые мы получили в ходе эксперимента, отображались на мониторе компьютера в виде графика зависимости концентрации растворенного кислорода от времени.

ВЫВОДЫ

1. Проанализировали литературные источники и рассмотрели санитарно-гигиеническое значение воды и загрязнение поверхностных вод.

2. В ходе исследования нами использовались методы определения органолептических и физико-химических показателей.

3. В ходе работы была проведена визуальная оценка цвета и интенсивности запаха. Вода реки Тавла микрорайона «Юбилейный» и реки Инсар (район Химмаш) не имеет ни цвета, ни запаха.

4. Определили физико-химические показатели воды: карбонатная жесткость, рН (водородный показатель), хлорид-ионы, окисляемость, нитрат-ионы, содержание растворенного кислорода.

5. Реки поверхностных вод Октябрьского района г.о. Саранск в настоящее время находится в удовлетворительном экологическом состоянии. Однако загрязненность воды будет возрастать в летне-осенний период.

6. Можно предположить, что антропогенная нагрузка приведет к загрязнению поверхностных вод, что может повлиять на качество речных вод региона в целом.

7. Считаем, что нужно организовать постоянный экологический мониторинг реки и её притоков.

8. Необходимо продолжить исследование воды в реке летом и осенью. Сравнив полученные данные, можно получить полную картину о качестве воды в реке.

9. Важным условием эффективной работы в области природоохранной деятельности является непрерывный мониторинг и систематический контроль за состоянием малых рек и водохранилищ, которые помогают выявить источники загрязнения поверхностных вод, а также оценить их экологическое состояние.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Потапов А. И. Мониторинг, контроль и управление качеством окружающей среды : научное, учебно-методическое пособие / А. И. Потапов, В. Н. Воробьев, Л. Н. Карлин, А. А. Музалевский ; РГГМУ. – СПб., 2002. – 432 с.

2. Тарасова О. Ю. Экологический анализ состояния водных объектов рыбохозяйственного назначения на территории Республики Мордовия / О. Ю. Тарасова, С. А. Москалева // Научное обозрение. Международный научно-практический журнал. – 2016. – №2. – С. 2.

3. Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды в Республике Мордовия в 2016 году / Министерство лесного, охотничьего хозяйства и природопользования Республики Мордовия; редкол.: В. М. Максимкин, А. Н. Макейчев, И.А. Новиков [и др.]. – Саранск, 2017. – 235 с.