Розділ 1. Огляд літератури

1.1 Екологічна характеристика басейну річки Сіверський Донець

Сіверський Донець - основна водна артерія області, рибогосподарське водосховище, джерело питного і технічного водопостачання. Сіверський Донець приймач стічних вод підприємств промислового, комунального і сільського господарства, шахтних вод.

Сіверський Донець бере свій початок біля с. Підвільхи (Сагайдачне) Прохоровського району, в глибокому яру з крутими глинистими осипами, на висоті 270 м над рівнем моря. Ріка пересікає область з півночі на південь, протікаючи по території 4-х районів. Довжина річки складає 1053 км., і протікає через землі 4-х областей, у тому числі по території Харківської, Донецької, Луганської областей і впадає в річку Дон на території Ростовської області. По території Білгородської області р. Сіверський Донець протікає впродовж 110 км.

Довжина ділянки Сіверського Дінця в межах Луганської області складає 265 км., площу водозбору 98900 км². Басейн річки складають 10 припливів 1-го порядку, 60 припливів 2-го порядку, 22 припливів 3-го порядку (таблиця. 1.1).

Таблиця 1.1 Гідрографічна характеристика річки Сіверський Донець

Джерелами живлення річки є підземні води. У звязку з тим, що територія Білгородської області знаходиться у відносно посушливій зоні (особливо в літні місяці), атмосферні осідання у меншій мірі беруть участь у формуванні водного потоку. Впродовж ряду років в області наголошуються малосніжні зими, з невеликою кількістю опадів, що ще більш знижує їх роль у формуванні річки. У верхівях річки екологічна обстановка сприятлива (територія Прохоровського, Яковльовського і частково Білгородського районів). По своїй якості вода в річці порівнянна з якістю підземних вод четвертинного і палеогенового водоносного горизонтів. Проте ситуація різко міняється при проходженні річки по території м. Білгорода.

Основні припливи: Червона, Борова, Верхньо-біла, Нижнє-біленька, Айдар, Лугань, Деркул, Велика Камянка, Кундрюча. В межах міської території практично відсутні водозахисні зони, як на самій річці, так і на її припливах: р. Разуменка, р. Везеліца, Гостенька. Останніми роками цим проблемам мало приділялося уваги. В результаті значні площі прибережних територій виявилися розораними і використовуються населенням під городи. З указаних причин спостерігається інтенсивне змивання порушених ґрунтів, швидке замулювання русел і забруднення поверхневих вод. Наприклад, глибина русла Сіверського Дінця в районі мостового переходу (вул. Студентська) складає зараз 90 см, а в довоєнні роки була 3,8 р. Ряд дрібних річечок і струмків зовсім зникли. Негативний вплив сильно забруднених припливів р. Сіверський Донець зменшується за рахунок самоочищення Білгородського водосховища, розташованого нижче впадання рр. Везеліца і Разуменка в р. Сіверський Донець.

Якість води в Білгородському водосховищі і в р. Сіверський Донець, змінюється відповідно до сезонних коливань. Це обумовлено змінами гідродинамічного режиму в різні періоди часу. В цілому якість води нижче за гирло р. Разуменка відповідає 5 і 6 класам (брудна і дуже брудна). Тут спостерігається перевищення норм ГДК для водоймищ господарського користування по ряду важких металів, таких як цинк, мідь, нікель, хром. Проте у міру видалення від гирла р. Разуменка якість води у водосховищі відповідає 3 класу чистоти (помірно забруднена).

Висока швидкість перебігу р. Сіверський Донець нижче за вихідний створ водосховища сприяє активному насиченню води киснем. У 30 метрах від місця впадання р. Нежеголь в р. Сіверський Донець спостерігається зниження вмісту важких металів, таких як цинк, мідь, нікель і хром. Вода по рівню чистоти може бути віднесена до 3 класу. Проте, після впадання в р. Сіверський Донець р. Нежеголь, картина різко змінюється, оскільки в р. Нежеголь є підвищений вміст органічних речовин, у тому числі поверхнево активних. Не дивлячись на те, що річка характеризується високою здатністю, що самоочищається, виявляється періодичний викид фекалій в 1,5 км. нижче за санаторій. Руйнування греблі з регульованим водоскидом в районі Ново-Таволжанського цукрзавода наводить до інтенсивного заростання русла річки в бази відпочинку АТ "Белвітаміни", евтрофні властивості води підвищуються. Далі до кордони з Україною річка протікає по екологічно сприятливій території, швидкий перебіг річки сприяє перемішуванню води, активному насиченню киснем, активний водообмін і заповнення води за рахунок підземних вод наводять до розбавлення вод річки високоякісною водою. Поєднання сприятливих чинників наводить до підвищення класу чистоти води і вже на території Волчанського району України вона знов відповідає 3 класу

При пересіченні з кордоном України води річки Сіверський Донець характеризуються наступними показниками:

клас чистоти - З

мінералізація - 440 мг/л

насичення киснем - 65%

вміст нафтопродуктів -0,007 мг/л

вміст ЛІГ - 0,26 мг/л

Річка Сіверський Донець пересікає кордон з Україною в с. Гатіще Вовчанського району.

На забруднення вод річки Сіверський Донець відчутний вплив надає промисловість м. Харкова (приплив Уди і Межа).

По класу якості вод, води р. Сіверський Донець на території Харківської області змінюються таким чином: ось Печенізького водосховища к г. Змієва вони характеризуються як 4 клас, потім до каналу Дніпро-Донбас погіршують свою якість до 5 класу. Після каналу якість води підвищується і відноситься до 3-4 класів. Найбільшим припливом на кордоні Харківської і Донецької областей є р. Оскол, води якої по класу забрудненості відносяться до 6 класу. Значному забрудненню річка піддається на території найбільш розвинених в промисловому відношенні міст, таких як: Донецьк, Лисичанськ, Сєверодонецьк, Луганськ, де води за якістю досягають 5-6 класу забрудненості [19, 41, 44].

Якість води Сіверського Дінця оцінюється за вимогами гранично допустимих концентрацій (ГДК) водосховищ рибогосподарського водокористування. Якість води припливів оцінюється за вимогами санітарних норм для водоймищ культурно-питного водокористування (ПДКк.п.).

1.2 Екологічні умови формування річкового стоку

Сьогодні річкова мережа значно ослаблена, а наслідки екологічно необґрунтованої господарської діяльності у її басейнах досить відчутні.

Річковий басейн - це частина суші, зайнята річковою системою, що забезпечує її функціонування та відповідне формування якості води. Водозбірний басейн - це поверхня суші, з якої річкова система збирає воду, що надходить у русло річки. Водозбірний басейн не включає саму річку, а є складовою частиною річкового басейну як більше загального поняття. Головній складовій річкового басейну є русло або русло ріки, яким вода стікає до устя. Устя ріки - це частина або ділянка території річкового басейну в місці впадіння річки до іншого водного обєкта. Протилежним до устя - початок ріки. Це місце, звідки починається ріка, їм може бути джерело, болото або інший водний обєкт - озеро, ставок та інше. Від джерела до устя ріки вода рухається руслом за рахунок перепаду висот. Різниця висот над рівнем моря між різними ділянками річки розраховуючи на одиницю довжини русла називається ухилом ріки.

Для зручності вивчення та порівняльної характеристики території басейну й самої ріки від джерела до устя умовно розділяють на три частини, які не обовязково повинні мати однакову площу або довжину. Це верхній, середній і нижній плини ріки. Середній плин річки характеризується зменшенням ухилу та значним ростом живого перерізу русла. Ріка стає більше звивистою і повноводною, зявляються широкі плеси. У нижньому плині ще більше зменшується ухил, але збільшується живий переріз русла та витрати води. Ріка стає більше повноводною, а русло більше глибоким і розмитим.

Рівень води в ріках може коливатися в досить широких межах. Його зміна обумовлена порами року, кількістю опадів та обсягом води, що надходить із водозбірного басейну.

Весняна повінь на ріках є наслідком танення снігів на площі водозбору й весняних дощів. Крім основних весняних повеней, у різних фізико-географічних зонах спостерігаються тимчасові паводки - короткочасні підвищення рівня води внаслідок значних дощів або швидкого танення снігу взимку (під час таких паводків також можливий вихід води з русла на заплаву).

Частина русла ріки, що заповнена водою в посушливу пору року, називається корінним руслом, або руслом. Ще цю частину ріки називають "меженне русло", що походить від назви вже згаданого періоду в житті ріки. Частина річкової долини, що вкривається водою під час найвищої повені або паводків має назву заплави. Заплава у свою чергу ділиться на прируслову, центральну та притерасну частини. Остання, як правило, найбільш знижена і заболочена. На прирусловій частині може бути добре помітне прируслове підвищення, що утворюється в результаті осідання зважених у воді твердих часточок, винесених з русла ріки під час повені.

За рахунок активної діяльності ріки її русло на окремих ділянках може мати рукави або протоки. Головним руслом у такому випадку вважають протоку, що має цього року найбільшу витрату води. Згодом окремі рукави можуть губити звязок з руслом, утворюючи "старі" - подовжені руслоподобні водойми в заплаві ріки. Найменша швидкість плину ріки характерна в нижній частині. У звязку із цим тут відкладається основна маса наносів. Особливо це стосується устя рік, де утворюються широкі дельти. Ріка в межах дельти створює кілька рукавів, які пробиваються через шари відкладень.

Таким чином, у формуванні річкового русла беруть участь два процеси: ерозія - розмивання та процес нагромадження річкових відкладень. Нагромадження відкладень відбувається в основному в середньому та нижньому плині річки. Відкладення по різних причинах переміщаються з місця на місце, змінюючи свою форму. У звязку із цим у руслі річки утворюються плеси та перекати. Плеси - це ділянки ріки з досить більшими глибинами, які мають значну площу, довжину. Перекати - це порівняно короткі, дрібні ділянки русла. Протягом всієї довжини русла ріки, як правило, часто зустрічається чергування плесів і перекатів. Місцезнаходження перекатів у руслі річки постійно змінюється. Також змінюється висота перекатів. Це визначає утворення мілин і цілих островів, які сприяють постійній зміні напрямку і форми русла [16].

Розрізняють два типи живлення: ґрунтове (підземне) і поверхневе, які в різні періоди року змінюють один одного. У весняно-літній період живлення ріки в основному за рахунок поверхневого стоку. Узимку, коли ріки замерзають, єдиним джерелом їхнього живлення служать ґрунтові води. Другий спосіб живлення присутній і влітку, але його відносна частина менша. Поверхневе живлення рік відбувається за рахунок опадів. Рівень води в ріках протягом року коливається в досить значних межах.

До складу річкового басейну входить і придаткова система ріки. Це всі водойми, які перебувають у долині корінної ріки і тим або іншим образом повязані з нею. Всі придаткові водойми долини ріки можна розділити на два типи:

1. Водойми, які постійно повязані з корінною рікою - рукава, протоки, затоки, затони та інші;

2. Заплавні водойми, які повязані з основною рікою тільки під час паводків. До цього типу ставляться озера, болота, стариці.

Рукав або протока утворюється у випадку розподілу русла на дві або більше частин при виникненні на шляху русла намивних островів або інших перешкод.

Затон утворюється із протоки в тому випадку, коли в його верхній частині відкладаються насипи, а єдність із рікою відбувається тільки через нижню ділянку протоки. Постійне відкладання наносів у верхню ділянку протоки приводить у кінцевому результаті до перетворення затону в окремий водний обєкт, що одержав назву стариця.

Придаткові водойми другої групи утворюються після паводка, коли поверхневі води заповнюють яри, більші яри, канави та інші поглиблення в заплаві ріки. Деякі із цих водних обєктів після спаду паводкових вод стають постійними. Інші ж існують тимчасово, а потім пересихають. Особливо багато придаткових водойм у нижніх плинах рік та у їхніх дельтах. Вивчення гідрологічного режиму придаткової системи рік показало, що він дуже різноманітний і залежить від багатьох факторів, у тому числі і від походження. Водойми першої групи мають багато загального з корінною рікою. Це порозумівається тим, що вони перебувають під впливом дії бігу води в основній річці. У той час водойми другого типу, навпаки, більшу частину року не мають звязку з основною рікою та перетворюються у звичайні стоячі водойми.

Характерною рисою всіх придаткових обєктів річкового басейну є значне їхнє замулення переважно за рахунок залишків умираючих рослин і тварин.

Гідрохімічний режим придаткової системи рік поступово з її виникненням починає здобувати особливості стоячих водойм. Уже в рукавах спостерігається температурна стратифікація, а вміст кисню найбільше біля поверхні води.

Формування біологічного режиму придаткової системи рік також має свої особливості відмінні від основного русла ріки. У першу чергу, потрібно вказати, що гідрологічний і гідрохімічний режими, які складаються у водоймах придаткової системи, дозволяють розвиватися як організмам проточних умов, так і вартих водойм. Тому флора та фауна придаткової системи ріки здебільшого носить змішаний характер. Вищі водяні рослини, які в основних руслах рік розвиваються в невеликій кількості, у придатковій системі здобувають масовий розвиток [38].

1.3 Структура та функціонування річкових екосистем

Процес формування окремих складових екосистеми в цілісну екосистему в різних річках відбувається по-різному, залежить від ряду біотичних та абіотичних факторів. У типову структуру екосистеми ріки входять як біоценози ріки так і водозбору [25, 38].

Плакор - рівнинна частина водозбору ріки, яка розміщена вище річкової долини ще в недалекому минулому, як правило, була зайнята лісом. Його площа була різною, залежно від фізико-географічних, ландшафтних і кліматичних умов, у яких протікає ріка. Кількість лісових масивів від вододілу до русла ріки зменшується, а їхнє місце займають сільськогосподарські угіддя з агроценозами.

Далі ближче до ріки розташовані надзаплавні тераси, яких може бути одна, дві та більше. Вони, як правило, зайняті лісовими масивами. Знижуючись у напрямку русла ріки, тераси поступово переходять у заплави. У непорушених річкових долинах первинною рослинністю для більшості заплав є лісочагарникова та болотна рослинність, їй належить особливо важлива роль у забезпеченні оптимального гідрологічного режиму малих рік та якості води в них. Але, незважаючи на переконливе підтвердження цієї істини, суспільство в погоні за розширенням площ сільськогосподарських угідь окультурювало так названі заплави рік. У підсумку сьогодні внаслідок господарської діяльності людини в долинах рік істотно порушені або повністю зруйновані природні біоценози.

Завдяки цибульним і чагарниковим біоценозам заплав ефективніше використовуються органічні та мінеральні добрива, які застосовуються на площі водозбору. При відсутності в заплаві суцільного травянистого й дерев-чагарникового рослинного покриву змиті або інфільтровані з полів біогени досить легко попадаються до русел рік, змінюючи, як правило, погіршуючи, якість води в них.

Постійним елементом заплавних ландшафтів на території України є лугова рослинність. Вона ставиться до азонального типу рослинності, тобто розповсюджена у всіх фізико-географічних зонах. Луги є вторинним утворенням, що виникло головним чином, під впливом господарської діяльності - переважно сінокосіння на місці заплавних лісів та осушених боліт. Вони зберігаються тільки при постійному використанні - сінокосінні. В іншому випадку луги заростають лісом і заболочуються. При інтенсивному випасі лугу часто заростають травою або перетворюються в пустирі. Лугова рослинність захищає ґрунти річкових долин від ерозії. Луги, як природні фільтри поверхневого стоку, сприяють переведенню поверхневого стоку в ґрунтовий. Особливо це важливо для водозборів малих рік, площа яких порізана тимчасовими або постійно діючими водами-струмами, пониззями, поглибленнями, через які поверхневий стік попадається до русла із всієї площі водозбору. При наявності рослинності поверхневий стік надходить у русло повільно та рівномірно, практично не провокуючи процесів ерозії та замулення русел рік [16, 25, 38].

Основною відмінністю рік від стоячих водоймищ є постійна проточність. Завдяки цьому, усе, що перебуває в руслі ріки, з тією або іншою швидкістю переміщається. Переміщаються не тільки водні маси, а і ґрунт, наноси та інше. Це сприяє тому, що в ріках створюються особливі умови існування водних організмів на відміну від тих, які спостерігаються в стоячих водних обєктах. От чому флора та фауна ріки відрізняється від флори та фауни стоячих водойм.

Структура екосистеми русла ріки містить у собі дві основні складові, одна з яких - біологічна, а інша безжиттєва. До живого компонента відносяться організми, які населяють всі субстрати, які є в руслі ріки. До безжиттєвого компонента екосистеми русла ріки ставляться донні відкладення, берегові схили, які перебувають під водою та інші предмети, які потрапили в русло ріки, а також рослинні залишки різного походження. Всі ці елементи використовуються живими організмами, як субстрат для закріплення або як джерело харчування. Розподіл живих організмів у руслах рік тісно повязаний з типом субстрату, на якому вони найбільш інтенсивно розвиваються, або біотопом. Сукупність організмів різних видів, які розвиваються в межах одного біотопу русла річки, і життєдіяльність яких звязана між собою, зветься біоценозом.

Серед водних організмів є такі, що розвиваються та живуть тільки в товщі води - планктони, і ті, які постійно, або періодично перебувають у донних відкладеннях русла ріки, або в ґрунті берегової лінії. До складу річкового планктону входять як водорості, так і зоологічні обєкти. Кількість водоростей у планктонах у природних руслах рік завжди переважає над організмами. Серед водоростей найбільш розвиваються діатомові. У зоопланктоні переважають коловертки, хоча іноді значного розвитку досягають і ракоподібні. Слабкий розвиток останніх обумовлений тим, що умови для їхнього розвитку в ріках менш сприятливе. Причина в тім, що харчуються вони органічними речовинами, які фільтрують із води, а в річковій воді багато зважених неорганічних частин і чимало органічної наживки. Крім того, при досить швидкому плині, характерному для рік, у ракоподібних починаються процеси розмноження.

Склад бентосу і його розподіл у річці залежить в основному від двох факторів: плину та характеру ґрунтів. Для фото синтезуючих організмів має значення ще глибина та прозорість води. Інші фактори середовища, такі як температура, хімічний склад води, уміст кисню важливого впливу на бентос не мають, тому що завдяки плину вони розподіляються рівномірно від поверхні до дна.

Залежно від характеру субстрату (ґрунту), на якому розвиваються бентосні організми, і швидкості плину можна виділити пять основних груп бентосних біоценозів: біоценози піску, каменю, глинистих ґрунтів, мулу та заростей вищих водяних рослин [16, 25, 38]. Він, переважно, формується в умовах значної швидкості плину. У рівнинних річках їм зайняті значні площі. Легко визначити як його наявність так і масштаб. Досить тільки ретельно обстежити дно річки. Населення таких біоценозів представлено порівняно обмеженою кількістю видів. Найбільш характерними жителями піщаних ґрунтів є личинки малощетинкових хробаків і ракоподібних, що закопуються в ґрунт. Всі ці організми в процесі еволюції виробили ряд пристосувань до життя в умовах постійного пересування субстрату. Вони мають твердий зовнішній покрив, а також спеціальні пристрою, за допомогою яких прикріплюються до субстрату. Мало розвинена за видовим складом фауна піску нерідко досягає значного розвитку за кількістю або біомасою. Густота населення на один квадратний метр іноді досягає 90-170 і більше екземплярів [16, 25, 38].

Порівняно з біоценозом піску, біоценоз каменю відрізняється більшим видовим різноманіттям. Тут живуть різні прикріплені організми: губки, лишайники, молюски та інші. Також займають значне місце вищі ракоподібні та комахи. Біоценоз каменю характеризується не тільки значною розмаїтістю видового складу, а та більшим діапазоном кількості організмів та їхніх біомас [16,25,38].

У природних руслах рік глинисті ґрунти розташовуються переважно вузькою смужкою уздовж глинистого берега ріки, що з тих або інших причин розмивається. Водяні тварини, які населяють ці ґрунти можна розділити на три групи: ті, які риють нори й живуть у них, ті, які населяють норки, вириті першою групою тварин і ті, які живуть на поверхні ґрунту.

До першої групи можна віднести личинок одноденок. Норки одноденок мають підковоподібну форму та глинисті береги часто бувають покриті тисячами таких норок виритих одноденками. Молоді організми будують собі маленькі норки, які згодом, підростаючи, залишають і будують нові більші. Залишені одноденками норки заселяють інші організми, такі як різні види ракоподібних.

До організмів, які населяють поверхню ґрунту, відносяться личинки мошок, молюски та інше. Величина біомаси бентосу в біоценозі глинистих ґрунтів може бути досить значної й досягати до 50г/м і більше, а чисельність до 10 і більше тис. екземплярів на м2 поверхні дна. Разом з тим слід зазначити, що біоценози глинистих ґрунтів займають у переважній більшості рік незначні площі. Виключенням є ріки, які протікають у ландшафтах із глинистими ґрунтами [16, 25, 38].

В основі оцінки якості води лежать три групи показників, зокрема:

- фізичні - кольори, прозорість, наявність зважених речовин, мутність та інші;

- хімічні - зміст кисню, мінеральних та органічних речовин, розчинених газів, забруднювачів, не характерних для водного обєкта або таких, зміст яких перевищує регламентовані норми;

- гідробіологічні - розвиток фіто- і зоопланктону, фіто- і зообентосу, вищих водяних рослин, індекс сапробності, інтенсивність фотосинтезу.

Звичайно, якість води відповідає якомусь споживчому стандарту питної води, води для поливу сільськогосподарських культур, для промислових цілей, для риборозведення та інше. Формування якості води в річках забезпечується сукупністю гідрохімічних, бактеріологічних, гідрологічних процесів, фізико-географічних і гідрометеорологічних особливостей. Весь цей вплив проявляється в процесі обміну речовин між різними середовищами [10].

Якість природних вод залежить від багатьох складових у тому числі від фізико-географічного положення водойми, і головне на сьогодні - від рівня навантаження. Під гідрохімічним блоком потрібно розуміти сукупність фізико-хімічних процесів, які протікають між основними групами хімічних речовин, розчинених у воді (головні іони, біогенні та органічні речовини, мікроелементи, специфічні забруднювачі антропогенного походження). Цей блок виділяється умовно, оскільки всі його характеристики повязані з аналогічними характеристиками інших блоків, які регулюють вміст перерахованих груп речовин у річковій воді.

Наступний блок регулювання якості води - гідробіологічний. Серед його основних складових треба виділити: зообентос, фітопланктон, зоопланктон, мікробіологічні показники. Залежно від завдань і головної мети, цей перелік може бути доповнений або змінений. Географічний, фізико-географічний блок відображає особливості ландшафту, у якому проходить формування хімічного складу води конкретної ріки. Цей блок включає характеристики лісистості, заболоченості, озерності. Його роль та участь у загальних процесах формування якості води визначаються такими складовими: оранка, скидання стічних вод, внесення добрив, меліорація водозбору, густота населення, питома вага поголівя великої рогатої худоби, що пасеться в річкових долинах, інших тварин. Кількість ознак, які характеризують кожний із блоків факторів, може змінюватися залежно від детальної оцінки, інструментальних можливостей, фізико-географічних особливостей території та інші [23, 35, 40].

Хімічний склад річкової води має вирішальне значення для формування та підтримки водних біоценозів. Але вимоги водокористувачів щодо хімічного складу води не збігаються з можливостями гідробіоценозів підтримувати певну якість води як середовища їхнього існування. Саме тому відповідні водокористувачі1 здійснюють очищення поверхневих вод, але нерідко повертають до річок розчин, що далеко не завжди сприяє нормальному функціонуванню гідробіоценозів. Все це створює певний конфлікт - впливає на споживчі параметри якості води: робить їх непридатними для вживання, готування їжі, прийому ванн, поливу рослин, використання в промислових технологіях, енергетиці, для нормального функціонування водних екосистем та інше. Тому доцільно розглянути основні групи хімічних речовин, які зустрічаються сьогодні в природних, зокрема річкових, водах.

В річках зустрічається величезна кількість різних органічних речовин як природного - автохтонного та алохтонного походження, які синтезуються в самій водоймі й за її межами, так і штучного походження, які синтезуються в різних, створених людиною в умовах - від спалювання сміття у звичайних багаттях до речовин, які є результатом органічного синтезу у складних установках. Всі розчинені у воді речовини класифікуються. Зокрема по змісту речовини у воді діляться на макроелементи та мікроелементи. До макроелементів належать речовини з концентраціями понад 1 мг/л. Мікроелементи відповідно втримуються у воді в концентраціях міні 1 мг/л. Природні води також класифікуються по іонному складу, перевагою того або іншого основного катіона: кальцію, магнію, суми натрію та калію, по співвідношенню між основними групами іонів. Потрібно сказати, що хімічний склад поверхневих вод протягом поля змінюється настільки сильно, що вони можуть переходити з одного складу до іншого.

Відповідно до кліматичних і ґрунтових факторів річок України з півночі на південний схід мають загальну тенденцію до підвищення мінералізації. Концентрація солей у воді перебуває в протилежній залежності від кількості води в річці на момент дослідження. Крім цієї залежності існує інша залежність - концентрація біогенних речовин (зокрема азотнокислих і фосфорнокислих зєднань) зменшується аж до повного їхнього зникнення в період максимального розвитку у воді організмів, які їх поглинають (фото синтезуючі водорості та вищі водяні рослини) і, навпаки збільшується, коли життєві процеси в річці завмирають. Джерелами надходження солей, іонів, біогенних зєднань до річки є підземні води, води поверхневого стоку (поталі, дощові та злив), води самої ріки, які транспортують розчинені речовини з одного місця в інше із заплави до ріки під час паводків та інші. Атмосфера також є джерелом надходження іонів у ріку, це в першу чергу вуглекислота та кисень, а також мінеральні та органічні речовини - розчинений дощем пил, наприклад.

Частина мінеральних речовин, які надходять у ріку частково звязуються гідробіонтами, а інші транспортуються до устя. Кругообіг речовин у ріках носить відповідний характер, наслідком якого є транспортування біогенних речовин, забруднень, окремих організмів у водний обєкт, куди впадає та або інша ріка.

Таким чином, у річці відбувається постійна зміна як загальної концентрації розчинених речовин, так і співвідношення між окремими речовинами. Також із плином відбувається переміщення розчинених у воді мінеральних та органічних речовин, нерідко разом з гідробіонтами. Вся ця тверда, розчинена та біологічна маса безперервно переміщується по руслу, аж до устя ріки, іноді на цьому шляху частина транспортованих речовин залишається в заплаві, переходить у підземні водоносні обрії та рухається по них, або виділяється при випарюванні в ноосферу [23, 33, 35].

1.4 Проблеми біогенного насичення у річках України

Інтенсифікація господарської діяльності, одна із обовязкових умов подальшого розвитку людського суспільства, супроводжується безумовним посиленням антропогенного впливу на довкілля. Однією із найбільш вразливих його ланок є води місцевого стоку - малі річки та водотоки. Вони започатковують гідрографічну сітку будь-якої території, на них лягає і найбільший тягар антропогенного пресингу, оскільки за своїми гідрологічними параметрами (малий обєм стоку, низькі рівні води) вони часто не справляються з поступаючими до них забруднюючими речовинами. Тому надходження в річки забруднених вод з сільськогосподарських угідь з промисловими та комунально-побутовими водами може призвести до різкого зниження самоочисної здатності річки, зробити воду непридатною для використання.

Найбільшу увагу викликає вивчення надходження та розподілу у водах місцевого стоку біогенних речовин, особливо сполук азоту і фосфору. Адже вони є хімічними каталізаторами процесу антропогенного евтрофування поверхневих вод, який у наш час вже досяг глобального, планетарного масштабу. Він характеризується різким збільшенням біомаси водоростей, вищої водної рослинності, фітопланктону за рахунок надходження поживних біогенних речовин антропогенного генезису. В результаті біохімічного розкладу цієї біомаси у воді річок та водосховищ може виникати, починаючи з другої половини літа, дефіцит кисню, що супроводжується заморними явищами і являє собою значну загрозу для життєдіяльності багатьох гідробіонтів. Крім того, в результаті розкладу рослинних організмів у воду надходять токсичні речовини, небезпечні як для тварин, так і для людини [15].

Значна концентрація біогенних речовин у воді може бути досить небезпечною для людини. Так, підвищення вмісту нітратів у питній воді може призвести до захворювання на метгемоглобінанемію, виникає пригнічення травних шлункових ферментів і розвиваються диспептичні явища. Нітрати також є попередниками нітрозоамінів, канцерогенних речовин, що викликають онкологічні захворювання, а при певних умовах можуть виступати і як мутагени, що призводять до генетичних захворювань.

У звязку із вищезазначеним необхідно досліджувати питання надходження та розподілу біогенних речовин у водах місцевого стоку. Найбільш зручним для досліджень обєктом є малі річки, як такі, що розташовані в різних природно-географічних зонах, характеризуються різним рівнем антропогенного впливу і досить добре забезпечені даними гідрохімічних досліджень.

Вивченню вмісту та стоку біогенних речовин річок України присвячено роботи О.М. Алмазова, О.І. Денисової, О.П. Нахшиної. Дані про стік біогенних речовин р. Горині присутні у роботі Д. Коненко, І.Г. Гарасевич, І.Г. Енакі. Характеристика біогенних елементів для Нижнього Дніпра подана в роботі Л.О. Журавльової, а особливості формування вмісту біогенних речовин та характеристик їх стоку у річках басейну Дніпра - у роботі С.І. Сніжка [5]. Все ж, в цілому, для території України це питання ще потребує додаткового вивчення.

Більшість дослідників включають до переліку основних джерел надходження біогенних речовин (сполук азоту і фосфору) у річкові води комунальне господарство, промисловість, сільське господарство, тваринництво, землеробство, атмосферні опади. Значну роль відіграють також внутрішні процеси у водному обєкті [14].

Потужним джерелом біогенних речовин є стічні води міського комунального господарства. За різними оцінками вони вносять у водні обєкти від 28 до 91% фосфору та від 18 до 96% азоту від загальної кількості надходження цих речовин. Причина - високий вміст азоту і фосфору в цій категорії стічних вод. За добу від одного жителя надходить 10 -12 г фосфору, причому до 60% цієї кількості формується за рахунок детергентів, в склад яких входить 20-35% полі фосфатів, або 0,5 - 8,7% фосфору [10].

Незадовільний стан очищення комунально-побутових стічних вод відбивається на якості річкових вод, що приймають ці стоки [8].

Важливу роль у надходженні біогенних елементів відіграють скиди промислових стічних вод. Найбільший внесок дають виробництва мінеральних добрив, детергентів, деревообробні комбінати, деякі галузі хімічної та харчової промисловості [8]. Розраховано, що за рахунок виробництва, транспортування та зберігання добрив надійшло у гідросферу 10%, а за рахунок виробництва детергентів, деревообробної та інших галузей промисловості - 25% фосфору .

Велика кількість робіт присвячена вивченню надходження азоту і фосфору із сільськогосподарських угідь. Встановлено, що виніс біогенних елементів повязаний із кількістю використаних на водозборі добрив [14].

Дослідження, проведені Гідрохімічним інститутом дозволили оцінити розміри виносу азоту і фосфору зі зрошуваних угідь, розміщених в різних природних зонах. В Україні дослідженням цього питання займались І.Г. Захарченко із співавторами К.П. Юрко, О.Г. Тараріко і Л.П. Коломієць, Сніжко С.І. та інші. Вважається, що важливим джерелом надходження біогенних речовин є тваринництво. Воно дає близько 2/3 всієї кількості фосфору, що надходить у поверхневі води [8]. Значна кількість біогенних речовин надходить на водозбори річок з опадами. Ця величина оцінюється для фосфору 4-10%, а для азоту 25%-43% . Дані, що характеризують надходження цих речовин на територію України, можна знайти в роботах [29].

У сучасний період інтерес до вивчення біогенних речовин в атмосферних опадах виріс, що повязано з вирішенням ряду важливих теоретичних і прикладних задач раціонального природокористування. Якщо звернути увагу, у воді більшості річкових басейнів не тільки максимальні із середньорічних, а й середні для басейнів значення концентрацій азоту в сполуках №Ц+ та N02- перевищують граничнодопустимі концентрації (ГДК).

Для мінерального фосфору ГДК нормативними документами не встановлена, але вважається, що концентрація 0,05 мг/л є граничною для попередження порушень екологічної рівноваги та антропогенного евтрофування водойм. Порівнюючи з цією величиною узагальнені дані про вміст речовин, можна пересвідчитися у стабілізації забруднення вод більшості річкових басейнів фосфором. Це свідчення наявності реальної загрози антропогенного евтрофування річок України, особливо маловодних, регульованих ставками та водосховищами з малим водообміном.

Спостерігається тотальне перевищення ГДК майже усіма сполуками азоту і фосфору. Відмічаються високі рівні забруднень нітратами (р. Сіверський Донець - м. Лисичанськ), що раніше було характерно тільки для ґрунтових вод деяких сільськогосподарських регіонів.

Внаслідок біогенного насищення відбувається евтрофікація (від грецького еійгорпіа - добре харчування) - збагачення водойм біогенними елементами, що супроводжується підвищенням продуктивності водойми. Також евтрофікація може бути наслідком природного старіння водойми, внесення добрив або забруднення стічними водами. За рівнем евтрофікації водойми поділяються на оліготрофні (слабо евтрофіковані), мезотрофні (середньо евтрофіковані) та евтрофні (сильно евтрофіковані). Іноді також в окрему категорію виділяють гіперевтрофні (дуже сильно евтрофіковані) водойми - такі, де евтрофікація спричинює масове відмирання біоти та різку зміну параметрів екосистеми [30].

Для евтрофних водойм характерні багаті та різноманітні літоральна та субліторальна рослинність, велика кількість планктону. Розбалансована евтрофікація може призводити до вибухового розвитку одноклітинних водоростей ("цвітіння води"), дефіциту кисню та, як наслідок, загибелі вищої рослинності, риб та інших тварин. Як наслідок масованої та незбалансованої евтрофікації більша частина флори та фауни водойми може бути знищеною, а екосистема водойми - різко та катастрофічне зміненою.

Концентрація біогенних елементів та їхній режим залежать від інтенсивності біологічних та біохімічних процесів в водоймі та від кількості біогенів, що потрапляють у водойму із стічними водами та поверхневим стоком на площі водосбору. Концентрації азоту та фосфору характеризують хрофність ("кормність") водойми. Режим біогенних елементів розглядають як вихідний показник потенціальної евтрофікації. Вважається, що надмірна евтрофікація водойм починається при вмісті в воді азоту в концентрації 0.2-0.3 мг/л, фосфору - 0.01-0.02 мг/л. При переході від оліготрофних водойм до мезотрофних та евтрофних істотно зростає доля амонійного азоту в його загальній кількості. Одним із найважливіших компонентів водного середовища, що визначає його екологічну якість, є наявність у воді органічних забруднень.

У процесі життєдіяльності гідробіонти виділяють у воду білки, амінокислоти, вуглеводи, сечовину, пурини, фосфати, амонійні сполуки тощо. Фактично у водному середовищі знаходяться всі ті органічні речовини, з яких побудовано тіло рослин і тварин. Крім того, органічні речовини надходять у водні обєкти з атмосферними опадами, з поверхневим стоком, що формується на великих площах суходолу, з боліт, торфяників, зрошувальних земель, промислових та комунально-побутових підприємств. Усі ці стоки привносять значну кількість різноманітних за своєю структурою і хімічним складом органічних речовин. За походженням органічні речовини поділяються на алохтонні, які надходять з площі водозбору, та автохтонні, що утворюються в самій водній екосистемі. Найбільшу масу органічної речовини створюють фітопланктон і макроліти в процесі фотосинтезу. Значну кількість автохтонної органічної речовини становить детрит, або мертва органічна речовина, яка утворюється внаслідок розкладу залишків організмів рослинного і тваринного походження і містить також 4-5% бактерій [33].

Найважливішим внутрішньоводоймним процесом утворення органічної речовини, з яким повязане і само забруднення водойм, є фотосинтез фітопланктону, фітобентосу та вищої водяної рослинності. Ступінь забруднення водних обєктів органічними речовинами визначає їх сапробність.

Гідробіонти, які живуть у забруднених органічними речовинами водах і приймають участь у процесах їх розкладу, називаються сапробіонтами, або сапротрофами. Вони є важливим ланцюгом у біологічному кругообігу речовини і енергії. До цієї групи належать бактерії, актиноміцети, гриби, окремі види водоростей, здатні засвоювати органічні речовини.

За ступенем забруднення вод органічними речовинами їх поділяють на полі-, мезо- і олігосапробні, а гідробіонти, які в них мешкають, називаються полі-, мезо- і олігосапробами. Мешканців особливо чистих вод називають катаробами, або катаробіонтами, а особливо брудних -- гіперсапробами.

Одним з основних показників при оцінці сапробності водних обєктів або їх окремих зон є кількісна характеристика наявності або відсутності у воді вільного кисню. Чим більша ступінь забруднення органічними речовинами, тим більша кількість О2 використовується на окислення і тим менша його концентрація залишається у воді [26].

Однією з найважливіших умов, необхідних для перебігу біологічних та біохімічних процесів у напрямку самоочищення води, є наявність у ній розчиненого кисню. Якщо ж кисню у воді міститься недостатньо, його може не вистачити для підтримання життєвих процесів: аеробне середовище в такому разі перетворюється на анаеробне. Органічні сполуки замість окислення зазнають анаеробного розкладання з виділенням гідроген сульфіду, метану, водню, оксиду карбону (IV), що призводить до вторинного забруднення водойми.

Швидкість біологічних процесів у водоймі залежить від багатьох факторів. Так, з підвищенням температури вона зростає, що супроводжується швидшою витратою кисню у водоймі. Це спричинює певну небезпеку для водойм у разі скидання в них значної кількості стічних вод улітку або теплих стоків. Влітку кисень витрачається значно швидше, ніж взимку [20].

Біогенні речовини (органічні сполуки нітрогену та фосфору), які надходять у водойми зі стічними водами та змитими з полів добривами, стимулюють ріст фітопланктону, синьо-зелених та інших водоростей. Відбувається дуже інтенсивний ріст водоростей -- вода забарвлюється в різні кольори (цвітіння водойм). Під впливом водоростей змінюється смак води, вона набуває неприємного запаху. У водоймі при відмиранні водоростей розвиваються гнилісні процеси. Бактерії, що окислюють органічні речовини, споживають кисень, спричиняють його дефіцит у водоймі. Вода починає гнити, виділяти аміак і метан, на дні накопичуються липкі сірководневі відкладення. Від нестачі кисню, їжі гинуть риби, молюски, ракоподібні. Вода стає непридатною для пиття. Забруднення водних екосистем становить величезну небезпеку для всіх живих організмів й, зокрема, для людини. Установлено, що під впливом забруднюючих речовин у прісноводних екосистемах відзначається падіння їхньої стійкості внаслідок порушення харчової піраміди й ламання сигнальних звязків у біоценозі, мікробіологічного забруднення, евтрофування й інших украй несприятливих процесів. Вони знижують темпи росту гідробіонтів, їхня плідність, а в ряді випадків приводять до їхньої загибелі [16]. Антропогенне евтрофікування досить негативно впливає на прісноводні екосистеми, приводячи до перебудови структури трофічних звязків гідробіонтів, різкому зростанню біомаси фітопланктону завдяки масовому розмноженню синьо-зелених водоростей, що викликають "цвітіння" води, що погіршують її якість й умови життя гідробіонтів (до того ж виділяють небезпечні не тільки для гідробіонтів, але й для людини токсини). Зростання маси фітопланктону супроводжується зменшенням розмаїтості видів, що приводить до непоправної втрати генофонду, зменшенню здатності екосистем до гомеостазу й саморегуляції. Процеси антропогенної евтрофікації охоплюють багато великих озер світу - Великі Американські озера, Балатон, Ладожське, Женевське й інші, а також водоймища й річкові екосистеми у першу чергу малі ріки. На цих ріках, крім катастрофічно зростаючої біомаси синьо-зелених водоростей, з берегів відбувається заростання їхньою вищою рослинністю. Самі ж синьо-зелені водорості в результаті своєї життєдіяльності роблять найсильніші токсини, що представляють небезпеку для гідробіонтів і людини.

Крім надлишку біогенних речовин на прісноводні екосистеми згубний вплив роблять й інші забруднюючі речовини: важкі метали (свинець, кадмій, нікель), феноли тощо.

Евтрофікація обумовлена діяльністю людини. Розвивається в результаті збагачення водойми біогенними елементами, що надходять зі стічними водами, а також з поверхневим стоком з полів, що вдобрюють; приводить до "цвітіння" води й до різкого погіршення її якості [24]. Евтрофікація може знизити рекреаційну цінність поверхневих вод і можливості їхнього використання для лову риби, купань, а, отже, може спричинити соціальні наслідки й економічні втрати. Надходження часток ґрунту в поверхневому стоці у водойми також негативно позначається на якості води. У результаті змиву відбувається помутніння води й погіршення кисневого режиму у воді. Перше особливо добре помітно після сильних заливних дощів, коли змив часток ґрунту із прибережних територій, у тому числі й сільськогосподарських, збільшується в кілька разів. Очищення водойм від органічного й біогенного забруднення, відновлення біологічного балансу й самоочищення. Розрізняють природну, стічну й денатуровану воду. Природна вода - це вода, що якісно й кількісно формується під впливом природних процесів при відсутності антропогенного впливу і якісні показники якої перебувають на природному середньо багатолітньому рівні. Стічна вода - це вода, що була в побутовому, виробничому або сільськогосподарському вживанні, а також минула через яку-небудь забруднену територію, у тому числі населеного пункту. Природна вода, що піддає антропогенному забрудненню, наприклад, шляхом змішання зі стічною водою, називається денатурованої або природно-антропогенної.

Природна водойма являє собою біологічно збалансовану екологічну систему настроєну на самоочищення й самовідновлення. Це природний стан біологічного балансу може бути порушене як у результаті природного старіння водойми, нагромадження у водоймі природної органіки: листя, гілок, екскрементів риб і водоплавних птахів, що відмерли водяних рослин, так й у результаті інтенсивного забруднення водойми органічними речовинами й живильними (біогенними) елементами: сміття, зливові стічні води, нанос із полів і доріг, погано очищені стічні води, каналізація, добрива удосталь доставляють у водойму органікові. Потрапивши у водойму, органічні речовини частково розчиняються у воді, частково опускаються на дно водойми, де з них формується органічна біомаса донного мулу, що піддається безперервному розкладанню гнильними бактеріями й грибками. При розкладанні, органічні речовини інтенсивно забирають із води розчинений кисень, виділяючи у воду продукти розпаду - живильні (біогенні) елементи азоту, фосфору. Надлишок у водоймі органічних речовин і живильних елементів приводить спочатку до порушення біологічної рівноваги й придушенню біологічного самоочищення водойми, а потім до зміни типу екосистеми ставка або озера на евтрофний - тобто до заболочування. Ознаками інтенсивного забруднення є високий рівень донного осаду, висока мутність води особливо в теплий період, плівка на поверхні водного дзеркала, неприємний захід, активне газоутворення, періодичні замори, неконтрольоване розмноження фітопланктону: синьо-зелені водорості, твань, ряска. Спалаху розмноження синьо-зелених водоростей ("цвітіння" водойми) чергуються із заморами, тому що розкладання біомаси синьо-зелених водоростей, що відмирають, забирає з води життєво необхідний кисень і виробляє живильні елементи для нового масового "цвітіння" [33].

Забруднення водойми в першу чергу негативно впливає на ключовий елемент біологічної рівноваги й самоочищення водойми - склад корисної мікрофлори водойми (біоценоз). Число корисних мікроорганізмів в 1 мол забрудненої води різко скорочується, збіднюється й змінюється їхній видовий склад, у той же час у брудній воді активно розвиваються потенційно небезпечні мікроорганізми функціонуючі при +30-37°С, у такий спосіб забрудненням придушуються мікробне самоочищення й самознезаражування водойми. Водойми з порушеним мікробіологічним самоочищенням швидше перенасичуються неокисленою органікою й біогенними елементами, що не зворотно приводить до евтрофікації (заболочування) водойми - зміні типу водної екосистеми ставка або озера на болотний. Для порятунку й відновлення водойми необхідне інтенсивне очищення води й донних відкладень від гниючої органіки й біогенних елементів, відновлення кисневого режиму й механізмів біологічного самоочищення водойми. Боротьба із забрудненням водойми синьо-зеленими водоростями, тванню, ряскою також не розглядається окремо від очищення водойми від органічного й біогенного забруднення, відновлення біологічного балансу й самоочищення [10].