Parametrar för sötvattensmiljö Freshwater environmental quality parameters

Miljökvalitetsparametrar för sötvatten är de kemiska, fysiska eller biologiska parametrar som kan användas för att karakterisera en sötvattenförekomst. Eftersom nästan alla vattenförekomster är dynamiska i sin sammansättning, uttrycks relevanta kvalitetsparametrar vanligtvis som ett antal förväntade koncentrationer.

De inkluderar naturliga och konstgjorda kemiska , biologiska och mikrobiologiska egenskaper hos floder , sjöar och grundvatten , hur de mäts och hur de förändras. Värdena eller koncentrationerna som tillskrivs sådana parametrar kan användas för att beskriva föroreningsstatusen för en miljö, dess biotiska status eller för att förutsäga sannolikheten eller på annat sätt för en viss organisme att vara närvarande. Övervakning av miljökvalitetsparametrar är en nyckelaktivitet för att hantera miljön, återställa förorenade miljöer och förutse effekterna av konstgjorda förändringar på miljön.

Karakterisering

Det första steget för att förstå sötvattnets kemi är att fastställa relevanta koncentrationer av parametrarna av intresse. Vanligtvis görs detta genom att ta representativa prover av vattnet för efterföljande analys i ett laboratorium. Emellertid används också övervakning på plats med användning av handhållen analysutrustning eller med hjälp av övervakningsstationer på banksidan.

Provtagning

Sötvatten är förvånansvärt svårt att prova eftersom de sällan är homogena och deras kvalitet varierar under dagen och under året. Dessutom är de mest representativa provtagningsplatserna ofta på avstånd från stranden eller banken vilket ökar den logistiska komplexiteten.

Floder

Att fylla en ren flaska med flodvatten är en mycket enkel uppgift, men ett enda prov är endast representativt för den punkten längs floden provet togs från och vid den tidpunkten. Att förstå kemin i en hel flod, eller till och med en betydande biflod, kräver tidigare undersökning för att förstå hur homogent eller blandat flödet är och för att avgöra om kvaliteten förändras under en dag och under ett år. Nästan alla naturliga floder kommer att ha mycket betydelsefulla förändringsmönster under dagen och genom årstiderna. Fjärranalys av vatten erbjuder ett rumsligt kontinuerligt verktyg för att förbättra förståelsen för rumslig och tidsmässig flodvattenkvalitet. Många floder har också ett mycket stort flöde som är osynligt. Detta flyter genom underliggande grus- och sandlager och kallas hyporheiskt flöde . Hur mycket blandning det finns mellan den hyporheiska zonen och vattnet i den öppna kanalen beror på en mängd olika faktorer, varav några hänför sig till flöden som lämnar akviferer som kan ha lagrat vatten i många år.

Grundvatten

Grundvatten är i sin natur ofta mycket svårt att komma åt för att ta ett prov. Som en konsekvens kommer majoriteten av grundvattendata från prover som tagits från källor , brunnar , borrhål för vattenförsörjningen och i naturliga grottor . Under de senaste decennierna, eftersom behovet av att förstå grundvattendynamiken har ökat, har ett ökande antal eller övervakande borrhål borrats i akviferer

Sjöar

se även Limnologi

Sjöar och dammar kan vara mycket stora och stödja ett komplext ekosystem där miljöparametrar varierar mycket i alla tre fysiska dimensioner och med tiden. Stora sjöar i den tempererade zonen stratifieras ofta under de varmare månaderna till ett varmare övre lager rikt på syre och ett kallare nedre lager med låga syrenivåer. På hösten resulterar fallande temperaturer och enstaka höga vindar i att de två skikten blandas till en mer homogen helhet. När stratifiering sker påverkar det inte bara syrenivåer utan också många relaterade parametrar som järn , fosfat och mangan som alla förändras i sin kemiska form genom förändring i miljöns redoxpotential .

Sjöar får också vatten, ofta från många olika källor med olika kvaliteter. Torrsubstanser från strömingångar kommer vanligtvis att sätta sig nära bäckens mynning och beroende på olika faktorer kan det inkommande vattnet flyta över sjön, sjunka under ytan eller snabbt blanda med sjövattnet. Alla dessa fenomen kan vrida resultaten av all miljöövervakning såvida inte processen är väl förstådd.

Blandningszoner

Där två floder möts vid sammanflödet finns en blandningszon. En blandningszon kan vara mycket stor och sträcka sig över många mil som i fallet med floderna Mississippi och Missouri i USA och floden Clwyd och floden Elwy i norra Wales . I en blandningszon kan vattenkemi vara mycket varierande och kan vara svår att förutsäga. De kemiska interaktionerna är inte bara enkel blandning utan kan kompliceras av biologiska processer från nedsänkta makrofyter och genom att vatten sammanfogar kanalen från den hyporeiska zonen eller från källor som dränerar en akvifer.

Geologiska ingångar

Geologin som ligger till grund för en flod eller sjö har stor inverkan på dess kemi. En flod som strömmar över mycket gamla prekambriska skiffer har sannolikt löst sig väldigt lite från klipporna och kanske liknar avjoniserat vatten åtminstone i vattendraget. Omvänt kommer en flod som strömmar genom krita kullar, och särskilt om dess källa är i krita, att ha en hög koncentration av karbonater och bikarbonater av kalcium och eventuellt magnesium .

När en flod utvecklas längs sin kurs kan den passera genom en mängd olika geologiska typer och den kan ha insatser från akviferer som inte syns på ytan någonstans i orten.

Atmosfäriska ingångar

Syre är förmodligen den viktigaste kemiska beståndsdelen i ytvattenkemi, eftersom alla aeroba organismer kräver det för överlevnad. Det kommer in i vattnet mestadels via diffusion vid vatten-luft-gränssnittet. Syre löslighet i vatten minskar när vattentemperaturen ökar. Snabba, turbulenta strömmar utsätter mer av vattenytan för luften och tenderar att ha låga temperaturer och därmed mer syre än långsamma bakvatten. Syre är en biprodukt av fotosyntes, så system med ett stort överflöd av vattenalger och växter kan också ha höga syrekoncentrationer under dagen. Dessa nivåer kan minska avsevärt under natten när primära producenter byter till andning. Syre kan vara begränsande om cirkulationen mellan ytan och djupare lager är dålig, om djurens aktivitet är mycket hög eller om det finns en stor mängd organiskt förfall som t.ex. efter höstens lövfall.

De flesta andra atmosfäriska ingångar kommer från konstgjorda eller antropogena källor, varav de viktigaste är svaveloxiderna som produceras genom att bränna svavelrika bränslen såsom kol och olja som ger upphov till surt regn . Kemin av svaveloxider är komplex både i atmosfären och i flodsystem. Effekten på den övergripande kemin är dock enkel genom att den sänker vattnets pH och gör det surare. PH-förändringen är mest markerad i floder med mycket låga koncentrationer av upplösta salter eftersom dessa inte kan buffra effekterna av syraintaget. Floder nedströms större industriella storstäder är också i största risk. I delar av Skandinavien och västra Wales och Skottland blev många floder så sura från svaveloxider att de flesta fiskliv förstördes och pH-värden så låga som pH4 registrerades under kritiska väderförhållanden.

Antropogena ingångar

Majoriteten av floder på planeten och många sjöar har fått eller får insatser från mänskliga aktiviteter. I den industrialiserade världen har många floder förorenats mycket allvarligt, åtminstone under 1800-talet och första hälften av 1900-talet. Även om det i allmänhet har skett mycket förbättringar i den utvecklade världen, finns det fortfarande en hel del flodföroreningar på jorden.

Giftighet

I de flesta miljösituationer bestäms närvaron eller frånvaron av en organism av en komplex interaktionsbana, varav endast några kommer att relateras till mätbara kemiska eller biologiska parametrar. Flödeshastighet, turbulens, inter- och intraspecifik konkurrens, utfodringsbeteende, sjukdom , parasitism , kommensalism och symbios är bara några av de påtryckningar och möjligheter som varje organism eller befolkning står inför. De flesta kemiska beståndsdelar gynnar vissa organismer och är mindre gynnsamma för andra. Det finns dock vissa fall där en kemisk beståndsdel har en toxisk effekt. dvs där koncentrationen kan döda eller allvarligt hämma organismens normala funktion. Om en toxisk effekt har visats kan detta noteras i avsnitten nedan som behandlar de enskilda parametrarna.

Kemiska beståndsdelar

Färg och grumlighet

Ofta är det färgen på sötvatten eller hur klart eller disigt vattnet är som är den mest uppenbara visuella egenskapen. Tyvärr är varken färg eller grumlighet starka indikatorer på vattenens totala kemiska sammansättning. Men både färg och grumlighet minskar mängden ljus som tränger in i vattnet och kan ha betydande inverkan på alger och makrofyter. I synnerhet vissa alger är mycket beroende av vatten med låg färg och grumlighet

Många floder som dränerar höga hedmarker överlagrade av torv har en mycket djup gulbrun färg orsakad av upplösta huminsyror .

Organiska beståndsdelar

En av de viktigaste källorna till förhöjda koncentrationer av organiska kemiska beståndsdelar är från renat avloppsvatten.

Upplöst organiskt material mäts oftast med antingen testet för biokemisk syrebehov (BOD) eller kemiskt syrebehov (COD). Organiska beståndsdelar är betydelsefulla i flodkemi för den effekt de har på upplöst syrekoncentration och för den inverkan som enskilda organiska arter kan ha direkt på vattenbiota.

Allt organiskt och nedbrytbart material förbrukar syre när det sönderdelas. När organiska koncentrationer är markant förhöjda kan effekterna på syrekoncentrationerna vara betydande och eftersom förhållandena blir extrema kan flodbädden bli anoxisk .

Vissa organiska beståndsdelar som syntetiska hormoner , bekämpningsmedel , ftalater har direkta metaboliska effekter på vattenbiota och till och med på människor som dricker vatten från floden. Att förstå sådana beståndsdelar och hur de kan identifieras och kvantifieras blir allt viktigare för förståelsen av sötvattenkemi.

Metaller

Ett brett spektrum av metaller kan hittas i floder från naturliga källor där metallmalmer finns i klipporna som floden strömmar över eller i akvifererna som matar vatten in i floden. Men många floder har en ökad belastning av metaller på grund av industriell verksamhet som inkluderar gruvdrift och stenbrott samt bearbetning och användning av metaller.

Järn

Järn, vanligtvis eftersom Fe ⁺⁺⁺ är en vanlig beståndsdel i flodvatten vid mycket låga nivåer. Högre järnkoncentrationer i sura källor eller en anoxisk hyporheisk zon kan orsaka synlig orange / brun färgning eller halvgelatina utfällningar av tät orange järnbakteriell flock som matta flodbädden. Sådana förhållanden är mycket skadliga för de flesta organismer och kan orsaka allvarliga skador i ett flodsystem.

Kolbrytning är också en mycket betydelsefull källa till järn både i gruvvatten och från kullar och från kolbearbetning. Långa övergivna gruvor kan vara en mycket okomplicerad källa till höga koncentrationer av järn. Låga nivåer av järn är vanliga i källvatten som härrör från djupt sittande akviferer och kan betraktas som hälsofrämjande källor. Sådana källor kallas vanligtvis Chalybeate- källor och har gett upphov till ett antal kurorter i Europa och USA.

Zink

Zink är normalt förknippat med metallbrytning, särskilt bly- och silverbrytning, men är också en komponentförorening som är associerad med en mängd andra metallbrytningsaktiviteter och med kolbrytning . Zink är giftigt vid relativt låga koncentrationer för många vattenlevande organismer. Microregma börjar visa en toxisk reaktion i koncentrationer så låga som 0,33 mg / l

Tungmetaller

Bly och silver i flodvatten finns ofta tillsammans och förknippas med blybrytning. Påverkan från mycket gamla gruvor kan vara mycket långlivad. I floden Ystwyth i Wales till exempel orsakar effekterna av silver- och blybrytning på 1600- och 1700-talet i vattendrag fortfarande oacceptabelt höga halter av zink och bly i flodvattnet ända ner till dess sammanflöde med havet. Silver är mycket giftigt även vid mycket låga koncentrationer men lämnar inga synliga bevis för dess förorening.

Bly är också mycket giftigt för sötvattenorganismer och för människor om vattnet används som dricksvatten. Som med silver är blyföroreningar inte synliga för blotta ögat. Den floden Rheidol i västra Wales haft en stor serie av bly minor i sina rinner fram till slutet av 19-talet och dess gruv utsläpp och avfall tips kvar än i dag. 1919 - 1921 hittades endast 14 arter av ryggradslösa djur i nedre Rheidol när blykoncentrationer var mellan 0,2 ppm och 0,5 ppm. År 1932 hade blykoncentrationen minskat till 0,02 ppm till 0,1 ppm på grund av att gruvan övergavs och vid dessa koncentrationer hade bottenfaunan stabiliserats till 103 arter inklusive tre blodiglar .

Kolbrytning är också en mycket betydelsefull källa till metaller, särskilt järn, zink och nickel, särskilt där kolet är rikt om pyriter som oxiderar vid kontakt med luften producerar ett mycket surt lakvatten som kan lösa metaller från kolet.

Betydande nivåer av koppar är ovanliga i floder och där det inträffar är källan sannolikt gruvaktiviteter, kolstrumpa eller grisodling . Sällan förhöjda nivåer kan vara av geologiskt ursprung. Koppar är akut giftigt för många sötvattenorganismer, särskilt alger, i mycket låga koncentrationer och en betydande koncentration i flodvatten kan ha allvarliga negativa effekter på den lokala ekologin.

Kväve

Kvävehaltiga föreningar har en mängd olika källor inklusive uttvättning av kväveoxider från atmosfären, vissa geologiska ingångar och en del från makrofyter och alger kvävefixering . Men för många floder i närheten av människor är den största insatsen från avloppsvatten oavsett om det är behandlat eller obehandlat. Kvävet härrör från nedbrytningsprodukter av proteiner som finns i urin och avföring . Dessa produkter, som är mycket lösliga, passerar ofta genom avloppsreningsprocessen och släpps ut i floder som en del av avloppsreningsavloppet . Kväve kan vara i form av nitrat- , nitrit- , ammoniak- eller ammoniumsalter eller vad som kallas albuminoid kväve eller kväve fortfarande inom en organisk proteinoidmolekyl.

De olika kväveformerna är relativt stabila i de flesta flodsystem med nitrit som långsamt omvandlas till nitrat i väl syrerade floder och ammoniak som förvandlas till nitrit / nitrat. Processen är dock långsam i svala floder och minskning av koncentrationen kan oftare hänföras till enkel utspädning. Alla former av kväve tas upp av makrofyter och alger och förhöjda kvävehalter är ofta förknippade med överväxt av växter eller eutrofiering . Dessa kan ha effekten av att blockera kanaler och hindra navigering . Ekologiskt är emellertid den mer signifikanta effekten på koncentrationer av upplöst syre som kan bli supermättade under dagsljus på grund av växtfotosyntes men sedan sjunka till mycket låga nivåer under mörker då växtandningen förbrukar det upplösta syret. Tillsammans med frisättningen av syre i fotosyntesen skapas tvåkarbonatjoner som orsakar en brant ökning av pH och detta matchas i mörker då koldioxid frigörs genom andning vilket sänker pH väsentligt. Således tenderar höga halter av kväveföreningar att leda till eutrofiering med extrema variationer i parametrar som i sin tur kan försämra vattendragets ekologiska värde.

Ammoniumjoner har också en toxisk effekt, särskilt på fisk . Ammoniakens toxicitet är beroende av både pH och temperatur och en extra komplexitet är den buffrande effekten av blod / vatten-gränsytan över gälmembranet , vilket maskerar eventuell ytterligare toxicitet över ca pH 8,0. Att hantera flodkemi för att undvika ekologiska skador är särskilt svårt när det gäller ammoniak, eftersom ett stort antal potentiella scenarier för koncentration, pH och temperatur måste övervägas och den dagliga pH-fluktuationen orsakad av fotosyntes måste övervägas. På varma sommardagar med höga bi-karbonatkoncentrationer kan oväntat giftiga förhållanden skapas.

Fosfor

Fosforföreningar finns vanligtvis som relativt olösliga fosfater i flodvatten och förutom i vissa exceptionella fall är deras ursprung jordbruk eller avloppsvatten från människor. Fosfor kan uppmuntra överdriven tillväxt av växter och alger och bidra till övergödning . Om en flod släpps ut i en sjö eller reservoar kan fosfat mobiliseras år efter år med naturliga processer. På sommaren stratifieras sjöarna så att varmt syrerikt vatten flyter ovanpå kallt syrefattigt vatten. I de varma övre lagren - epilimnionen - konsumerar växter det tillgängliga fosfatet. När växterna dör på sensommaren faller de ner i de svala vattenskikten under - hypolimnionen - och sönderdelas. Under vinteromsättningen, när en sjö blandas helt genom vindens verkan på en sval vattenkropp - sprids fosfaterna igenom hela sjön igen för att mata en ny generation växter. Denna process är en av de främsta orsakerna till ihållande algblomning i vissa sjöar.

Arsenik

Geologiska avlagringar av arsenik kan släppas ut i floder där djupa grundvatten utnyttjas som i delar av Pakistan . Många metalloidmalmer som bly, guld och koppar innehåller spår av arsenik och dåligt lagrade avfall kan resultera i att arsenik kommer in i den hydrologiska cykeln .

Torrsubstanser

Inerta fasta ämnen produceras i alla montana floder eftersom vattnets energi hjälper till att slipa bort stenar till grus, sand och finare material. Mycket av detta avgör mycket snabbt och ger ett viktigt substrat för många vattenlevande organismer. Många laxfiskar behöver bäddar av grus och sand för att lägga sina ägg i. Många andra typer av fasta ämnen från jordbruk, gruvdrift, stenbrott, stadsavrinning och avlopp kan blockera solljus från floden och kan blockera mellanrum i grusbäddar vilket gör dem värdelösa för att leka och stödja insektsliv.

Bakteriella, virala och parasitinmatningar

Både jordbruk och avloppsrening producerar tillförsel till floder med mycket höga koncentrationer av bakterier och virus inklusive ett brett spektrum av patogena organismer. Även i områden med liten mänsklig aktivitet kan signifikanta nivåer av bakterier och virus detekteras med ursprung i fiskar och vattenlevande däggdjur och från djur som betar nära floder som rådjur . Upplandsvattnet som dränerar områden som får , getter eller hjortar kan också innehålla en mängd olika opportunistiska mänskliga parasiter som leversjuka . Följaktligen finns det mycket få floder från vilka vattnet är säkert att dricka utan någon form av sterilisering eller desinfektion. I floder som används för kontaktrekreation som simning kan säkra nivåer av bakterier och virus fastställas baserat på riskbedömning.

Under vissa förhållanden kan bakterier kolonisera sötvatten och ibland skapa stora flottar av trådmattor som kallas avloppsvamp - vanligtvis Sphaerotilus natans . Förekomsten av sådana organismer är nästan alltid en indikator på extrem organisk förorening och kan förväntas matchas med låga koncentrationer av upplöst syre och höga BOD-värden.

E. coli- bakterier har vanligen hittats i fritidsvatten och deras närvaro används för att indikera förekomsten av nyligen fekal kontaminering, men E. coli-närvaro kanske inte är ett tecken på humant avfall. E. coli finns i alla varmblodiga djur. E. coli har också hittats i fisk och sköldpaddor. Enterobakterier kan också kvarstå i miljön i lera, sediment, sand och jord under lång tid.

pH

pH i floder påverkas av vattenkällans geologi, atmosfäriska ingångar och en rad andra kemiska föroreningar. pH kommer sannolikt bara att bli ett problem på mycket dåligt buffrade höglandstränder där atmosfäriska svavel- och kväveoxider kan väsentligt sänka pH så lågt som pH4 eller i eutrofiska alkaliska floder där fotosyntetisk produktion av bi-karbonatjon i fotosyntes kan driva pH-värdet över pH 10

Languages

In other projects