Водные объекты — реки, озёра, подземные воды и моря — подвержены
интенсивному загрязнению вследствие антропогенной деятельности.
Источники загрязнения делятся на точечные (сброс
сточных вод промышленными предприятиями, коммунальными системами) и
рассредоточенные (сельскохозяйственные стоки,
атмосферные осадки, содержащие загрязнители).
К основным видам загрязняющих веществ относятся:
- органические соединения (биологически разлагаемые и
трудноразлагаемые);
- неорганические соли и тяжёлые металлы;
- нефтепродукты;
- радиоактивные вещества;
- тепловое загрязнение (сброс нагретых вод
энергетическими установками).
Физико-химические
процессы в загрязнённых водоёмах
Дисперсия и диффузия. При попадании загрязняющих
веществ в водоём происходит их пространственное перераспределение.
Основными механизмами являются молекулярная диффузия и
турбулентное перемешивание, определяющие скорость
распространения примесей.
Сорбция. Ионы тяжёлых металлов и органические
молекулы часто адсорбируются на взвешенных частицах и донных отложениях,
что влияет на их подвижность и биодоступность.
Окислительно-восстановительные реакции. Многие
загрязнители подвергаются трансформациям под действием растворённого
кислорода, микроорганизмов и солнечного излучения. Так, окисление
органических соединений снижает концентрацию кислорода в воде, вызывая
эффекты деоксигенации.
Термодинамические процессы. Важно учитывать
растворимость газов, зависимость равновесных концентраций от температуры
и давления. Например, при повышении температуры растворимость кислорода
падает, что усугубляет кислородный дефицит.
Физика теплового загрязнения
Особое место занимает тепловое загрязнение,
вызванное сбросом подогретых вод от ТЭС и АЭС.
- Изменение теплового режима. В результате сброса
нагретой воды формируются зоны с аномально высокой температурой, что
изменяет стратификацию и циркуляцию в водоёме.
- Снижение кислородной ёмкости. С повышением
температуры уменьшается растворимость кислорода, что усиливает процессы
застоя.
- Ускорение биохимических реакций. Скорость процессов
разложения органики возрастает, увеличивая нагрузку на экосистему.
Физические модели распространения теплового загрязнения учитывают
конвективный перенос, теплопроводность и турбулентное перемешивание.
Влияние
гидродинамики на перенос загрязнителей
Гидродинамика водоёмов играет ключевую роль в распределении
примесей.
- Речные системы. Загрязнители перемещаются
преимущественно конвекцией, а их концентрации снижаются за счёт
разбавления и седиментации.
- Озерные и морские бассейны. Здесь существенную роль
играют стратификация по температуре и плотности, а также внутренние
течения.
- Подземные воды. Движение примесей в грунтовых водах
подчиняется законам фильтрации и адсорбции на частицах породы, что
делает процесс медленным, но длительным.
Радионуклиды в водной среде
Радиоактивные загрязнители поступают в водные объекты при авариях на
АЭС, добыче урана, неправильном захоронении отходов.
- Механизмы миграции. Радионуклиды могут существовать
в растворённой форме, быть связанными с коллоидами или сорбироваться
донными отложениями.
- Физические факторы. Их перемещение определяется
гидродинамикой потока, процессами седиментации и ресуспензии.
- Особенности излучения. Радиоактивные изотопы не
только изменяют химический состав воды, но и влияют на физические
процессы, повышая ионизацию среды.
Акустические и
оптические эффекты загрязнения
Загрязнение водных объектов изменяет их оптические и
акустические свойства.
- Оптические эффекты. Взвешенные частицы и
нефтепродукты снижают прозрачность воды, изменяют коэффициент рассеяния
и поглощения света. Это напрямую влияет на фотосинтез водорослей и
тепловой баланс водоёмов.
- Акустические эффекты. Загрязнители (особенно
пузырьки газа и нефтяные плёнки) меняют скорость распространения звука и
коэффициент затухания акустических волн. Эти изменения важны для
гидроакустики и мониторинга состояния водной среды.
Самоочищение водных систем
С физической точки зрения процессы самоочищения включают:
- разбавление и рассеивание примесей благодаря
течениям и турбулентности;
- седиментацию и сорбцию, при которых загрязнители
оседают на дно;
- фотодеструкцию и радиационные процессы, приводящие
к разложению органических соединений под действием солнечного излучения
и естественного фона;
- газообмен на границе вода–атмосфера, снижающий
концентрации летучих веществ.
Эти процессы действуют совместно и определяют скорость снижения
загрязнения в водоёмах.