Муниципальное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №1 г. Чулыма Новосибирской области

Учебно-исследовательская работа

Оценка экологического состояния воды реки Чулым с целью его улучшения

Автор: учащиеся 9 «а» класса

Ахвердиева Эльмира, Лукьяненко Екатерина, Редкачева Аинна,  (15 лет)

Руководитель: учитель химии высшей категории

Черкасова Елена Михайловна

г. Чулым

2009

Оглавление

1. Введение………………………………………………3
2. Актуальность темы, цели и задачи……………...………………………………..3-6
3. Ионный состав природных вод ..…………………6-8
4. Определение  экологического состояния воды…8-15

Определение температуры и органолептических характеристик воды

Определение кислотности воды

Определение содержания в воде растворимого кислорода

Определение минерального состава

1. Результаты мониторинга экологического состояния воды  ………………………………………….........15-18
2. Выводы……………………………………………..18
3. Заключение и перспективы работы ……………...18-19
4. Список использованной литературы………….….20
5. Приложение: «Предельно допустимые концентрации  некоторых ионов в  воде» ……...…………………21

ВВЕДЕНИЕ

Аристотель считал воду одним из основных элементов мироздания. Трудно не согласиться с ним. Земля почти на три четверти покрыта водой. Инопланетянам она  показалась бы «жидкой» планетой с небольшими вкраплениями твердого вещества. Объем гидросферы (от греческого hydor – вода, влага) составляет 1,5 млрд. км³  Огромная масса гидросферы создает иллюзию неисчерпаемости водных ресурсов. Однако только 3 л. воды из 100 л. приходится на долю пресных вод, причем 2 л. из них заключены в малодоступных льдах. Источником питьевой воды в первую очередь являются реки и озера, поверхностные и подземные водохранилища.

По одной из версий название нашего города – Чулым – произошло от слияния тюркских слов, в дословном переводе обозначающих “гнилая вода”. Подобное название дано неслучайно. Чулым окружают многочисленные болота, по территории города протекает река Чулым, в непосредственной близости находится озеро Иткуль.

Актуальность темы:

В последние  годы усилилась антропогенная нагрузка на реку и проблема обмеления и загрязнения реки превратилась в одну из самых актуальных проблем не только нашего, но и соседних  районов.

Река Чулым, одна из главных рек левобережья Новосибирской области, протекает по территории Чулымского, Коченевского, Каргатского, Доволенского и Здвинского районов. Протяженность реки – 392 километра, в черте нашего района – 120 километров, в черте населенных пунктов – около 17 километров, , берет начало в Васюганских болотах и впадает в озеро Малые Чаны. Течение реки спокойное, уклоны — небольшие. Основной источник питания реки — зимние осадки (93 %), доля дождевого стока — 2 %, грунтового — 5 %. Половодье обычно происходит одной волной с середины апреля до середины июня.

Усиление антропогенной  нагрузки  ведет к обмелению, заиливанию, зарастанию, загрязнению и в перспективе – уничтожению нашей реки – од­ной из главных питающих артерий уникального реликтового озера Западной Сибири – озера Чаны. Природный  комплекс «река» подвержен влиянию местных факторов, наиболее губительны из которых:

• вырубка лесов в водоохранной зоне

• распашка освободившейся земли

• вытаптывание пойменной травяной растительности в результате не­контролируемого выпаса скота

• осушение пойменных болот

• замедление скорости течения реки за счет автотракторных переправ и запруд, что приводит к заиливанию русла реки и последующему его забо­лачиванию

•сельскохозяйственное и бытовое загрязнение.

Состояние воды реки Чулым зависит от культуры ведения хозяйства на его бере­гах, поэтому в задачу рационального использования водных ресурсов входит, в первую очередь, восстановление равновесия между поступлением воды и го­довым стоком, устранение губительного воздействия сточных вод и бытового загрязнения.

Ясно, что природные воды не могут быть идеально чистыми вследствие их высокой растворяющей способности, но при употреблении человеком она, естественно,  должна соответствовать определенным требованиям, зафиксированным в виде предельно допустимых концентраций (ПДК).

                         Членами школьного экологического общества в течение ряда лет ведется мониторинг экологического состояния водных ресурсов. («Река Чулым – боль и надежда» в рамках областного конкурса «Чистая Обь» - 1999 год, «Экологические ресурсы Чулымского района» - 2001 год, «Анализ экологического состояния водных ресурсов города Чулыма» - 2003 год, «Оценка экологического состояния  и анализ некоторых бытовых способов очистки питьевой воды в городе Чулыме.» - 2006 год).  Учащимися нашей школы в 2006 году были очищены берега реки от мусора (В субботнике приняло участие 767 учащихся 5- 11 классов, 67 педагогов, 28 жителей города (субботник состоялся  в рабочее время, поэтому взрослых было немного). Во время субботника было вывезено 15 автомобилей  мусора.

         В настоящее время членами школьного экологического общества ведется  патрулирование берегов в пределах города Чулым, отбор и анализ  проб воды, результаты анализа доводятся до сведения администрации района и жителей посредством публикаций в местной газете.  

Целью данной работы является изучение динамики экологического состояния воды  реки Чулым за период с 1999 по 2009 год.

При выполнении работы мы ставим следующие задачи

• Проведение  анализа органолептических характеристик, кислотности, содержания растворенного кислорода, минерального состава воды реки Чулым
• Сравнение показателей состава и качества воды реки Чулым за последние 10 лет.

Для анализа вода отбиралась в чистую стеклянную посуду и анализировалась в течение нескольких часов

Работа проводилась в соответствии с методиками С.В. Алексеева, Н.  .В. Груздева, А.Г. Муравьева, Э.В. Гущина.

ИОННЫЙ СОСТАВ ПРИРОДНЫХ ВОД.^(4,5,6,7)

         Происходящее в почвах процессы окисления органических веществ вызывают расход кислорода и выделение углекислоты, поэтому в воде при фильтрации её через почву возрастает содержание углекислоты, что приводит к обогащению природных вод карбонатами кальция, магния и железа, с образованием растворимых в воде кислых солей типа:

CaCO₃ + H₂O + CO₂ ® Ca (HCO₃)₂

         Бикарбонаты присутствуют почти во всех водах в тех или иных количествах. Большую роль в формировании химического состава воды играют подстилающие почву грунты, с которыми вода вступает в соприкосновение, фильтруясь и растворяя  некоторые минералы. Особенно интенсивно обогащают воды осадочные породы, такие, как известняки, доломиты, мергели, гипс, каменная соль и др. В свою очередь почва и породы обладают способностью адсорбировать из природной воды некоторые ионы ( например, Ca²⁺ , Mg²⁺ ), замещая их эквивалентным количество других ионов ( Na⁺ , K⁺ ).

         Подпочвенными водами легче всего растворяются хлориды и сульфаты натрия и магния, хлорид кальция. Силикатные и алюмосиликатные породы

( граниты, кварцевые породы и т.д.) почти нерастворимы в воде и содержащей углекислоту и органические кислоты.

         Наиболее распространенными в природных водах являются следующие

ионы: Cl- ,SO ,HCO ,CO ,Na⁺ ,Mg²⁺ ,Ca²⁺ ,H⁺.

            Ион хлора присутствует почти во всех природных водоемах, причем его содержание меняется в очень широких пределах. Сульфат - ион также распространен повсеместно. Основным источником растворенных в воде сульфатов является гипс. В подземных водах с содержанием сульфат - иона обычно выше, чем в воде рек и озер.

         Ионы водорода в природной воде обусловлены диссоциацией угольной кислоты. Большинство природных вод имеют pH в пределах 6,5 - 8,5. Для поверхностных вод, в связи с меньшим содержанием в них углекислоты, pH обычно выше, чем для подземных.,

         Соединения азота в природной воде представлены ионами аммония, нитридными, нитратными ионами за счет разложения органических веществ животного и растительного происхождения. Ионы аммония, кроме того, попадают в водоемы со сточными промышленными водами.

         Соединения железа очень часто встречаются в природных водах, причем переход железа в раствор может происходить под действием кислорода или кислот (угольной, органических). Так, например, при окислении весьма распространенного в породах пирита получается сернокислое железо:

FeS₂ + 4O₂ ® Fe²⁺ + 2SO

а при действии угольной кислоты - карбонат железа:

FeS₂ + 2H₂CO₃ ® Fe²⁺ + 2HCO₃ ^-+ H₂S + S.

                  Помимо веществ ионного типа природные воды содержат также газы и органические и грубодисперсные взвеси. Наиболее распространенными в природных водах газами являются кислород и углекислый газ. Источником кислорода является атмосфера, углекислоты - биохимические процессы, происходящие в глубинных слоях земной коры, углекислота из атмосферы.

         Из органических веществ, попадающих извне, следует отметить гуминовые вещества, вымываемые водой из гумусовых почв (торфяников, сапропелитов и др.). Большая часть из них находится в коллоидном состоянии. В самих водоемах органические вещества непрерывно поступают в воду в результате отмирания различных водных организмов. При этом часть из них остается взвешенной в воде, а другая опускается на дно, где происходит их распад.

         Грубодисперсные примеси, обуславливающие мутность природных вод, представляют собой вещества минерального и органического происхождения, смываемые с верхнего покрова земли дождями или талыми водами во время весенних паводков.

П.ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВОДЫ РОЕКИ ЧУЛЫМ.

П.1 Определение температуры и органолептических характеристик воды.

     Определение запаха. Поочередно заполняли колбы на 1/3  объема пробами воды, закрыв пробками, интенсивно встряхивали пробы. Открыв колбу, осторожно вдыхали воздух. Если запах сразу не ощущался или был неотчетливый, испытание повторяли, слегка нагрев колбу.

     Определение цветности. Заполнили пробирку водой на высоту 10-12 см. Определили цветность воды, рассмотрев пробирку сверху на белом фоне при дневном свете.

     Определение мутности. Заполнили пробирку водой, определили мутность воды, рассмотрев пробирку сверху на темном фоне при дневном освещении.

Занесли полученные данные в таблицу 1

Таблица 1 Температура и органолептические характеристики воды.

П.2. Определение кислотности воды

     В пробирку налили 5 мл. анализируемой воды, добавили в пробирку пипеткой-капельницей 4-5 капель раствора универсального индикатора (ГОСТ 1030-81). Содержимое пробирки перемешали и сравнили с контрольной шкалой. Кислотность определялась при помощи универсального индикатора.

Таблица 2 Кислотность воды

П. 3.Определение содержания в воде растворенного кислорода.

1.Проба отобрана в кислородную склянку с мешалкой(заполнен весь объем склянки)

   Определены температура и атмосферное давление при опытах.

2.После перемешивания содержимого склянки туда ввели пипеткой 1 мл раствора соли марганца  

   (концентрация 425 г/л 4-водного хлорида марганца) и 1 мл щелочного раствора йодида калия.

   Проба опять тщательно перемешивается.

   Таким образом происходит связывание кислорода в пробе.

3.Титрование пробы.

   Перед титрованием в склянку внесли 5 мл раствора соляной кислоты(2:1)

   Проба титровалась раствором тиосульфата натрия 00,2 н до слабо-желтой окраски. Затем добавлен 1 мл раствора крахмала (0,5%) и титрование продолжено до полного обесцвечивания раствора.

  4.Содержание кислорода рассчитали по формуле

                                               Vтс*Cн* 1000 *8

                                Cpk= 

                                                        Vкс-Vа

     Где Vтс – объем раствора тиосульфата натрия, мл;

     Сн – величина  концентрации раствора тиосульфата натрия, г-экв/л

     8-молярная масса кислорода;

    1000 – коэффициент пересчета единиц измерения;

    Vкс – объем кислородной склянки;

    Vа – объем потерь

5.Определение степени насыщения воды кислородом .

По изображенному графику определили величину насыщенной (равновесной) концентрации кислорода в воде (С нас, мг О/л)

Рассчитали степень насыщения воды кислородом ( R ) в % по формуле:

                                             Cрк*Cн*100*760

                            R=                                 ,

                                          Снас*Р

где 100 – коэффициент  пересчета единиц измерения;

760 – нормальное атмосферное давление, мм.рт.ст.;

Снас – величина равновесной концентрации раствора кислорода , определяемая по графику;

Р – фактическая величина атмосферного давления;

П.3.Определение минерального состава.

1.Определение карбонат анионов.

В склянку с 10-ю мл анализируемой воды добавили 5 – 6 капель фенолфталеина (При отсутствии окрашивания раствора считают, что карбонат анионов нет  )

2.Определение гидрокарбонат-анионов.

В склянку с 10-ю мл анализируемой воды добавили 1 –2 капли раствора метилового оранжевого и титровали пробу раствором соляной кислоты (0,02н) до перехода желтой окраски в розовую. Определили объем раствора, израсходованного на титрование (Vгк,мл)

И рассчитали концентрацию гидрокарбонат-аниона по формуле:

Сгк=Vгк*305

Полученные результаты использовали для рассчета карбонатной жесткости:

Жк=Ск*0,0333+Сгк*0,0164

3.Определение сульфат-анионов.

В пробирку с рисунком на дне налили анализируемую воду на высоту 100 мм и добавили 2 капли раствора соляной кислоты и 14 капель раствора нитрата бария (насыщенный) и перемешали. Пипеткой переносили образовавшуюся суспензию во вторую (пустую) пробирку пока не появилось изображение рисунка на дне(высота h1, мм). Продолжаем переносить суспензию во вторую пробирку до тех пор, пока в ней не скроется изображение рисунка (высота h2, мм). Рассчитываем среднее арифметическое по формуле:

                                       H= (h1+h2)/2

         Определяют концентрацию сульфат-анионов по таблице в мг/л:

4.Определение хлорид-аниона.

В склянку с 10-ю мл анализируемой воды добавили 3 капли раствора хромата калия (10%) и перемешали. Титровали пробу раствором нитрата серебра до появления неисчезающей бурой окраски. Объем израсходованный на титрование Vхл, мл. рассчитали массовую концентрацию хлорид-аниона по формуле:

Схл=Vхл*178.

5.Определение содержания нитратов воде.

         Мы приготовили раствор дифениламина в серной кислоте . В  20 мл. дистиллированной воды растворили 0,5 г дифениламина и довели объем раствора до 100 мл., приливая концентрированную серную кислоту. В пробирку налили  5 мл анализируемой воды  и добавили 2-3 мл дифениламина . Темно-синий цвет указывает на высокое содержание нитратов ; голубой –на нормальное их  содержание; зеленоватый оттенок раствора указывает на присутствие нитратов.

6. Определение содержания окисляемой органики по Куббелю .

В коническую колбу для титрования помещали  250 мл анализируемой воды . добавляли 15 мл  раствора серной  кислоты (1:3 ). Титровали раствором  перманганата калия (0,01 н )  до появления слабо-розовой окраски        Далее в колбу прилили 20 мл раствора  перманганата калия (0,01 н )довели до кипения и кипятили 10 мин. После чего добавили 20 мл 0,01 н раствора щавелевой кислоты  Обесцветившийся  раствор снова титровали  раствором  перманганата калия (0,01 н ) до слабо-розовой окраски.

Количество кислорода израсходованных на окисление органических веществ во взятом объеме воды , вычислили по формуле Х=0,08а , где Х-количество кислорода (мг),израсходованное на окисление органических веществ в воде ; а – объем (мл ) затраченного на второе титрование ; 0,08 - количество миллиграммов кислорода ,соответствующее 1 мл  0,01 н раствора КMnО₄ .

5. Определение солей железа (III). К 5-10 мл анализируемой воды  и добавили на кончике шпателя гидросульфат  калия  и  столько  же  роданида калия . В присутствии  солей железа (3) наблюдали красное окрашивание  раствора . Примерное содержание солей железа (3) определили по таблице

4. Результаты мониторинга экологического состояния воды за период 1999 по 2009 год

Таблица .   Итоговая таблица по определению минерального состава

Растворенный в воде кислород имеет важнейшее экологическое значение. Он должен содержаться  в воде в достаточном количестве, обеспечивая среду для дыхания гидробионтов. Он также необходим для самоочищения водоемов, так как участвует в процессах окисления органических и других примесей, разложения отмерших организмов. Динамика насыщенности воды кислородом показывает определенную тенденцию, непосредственно зависящую от экономической ситуации на Чулымском масло-сыр комбинате в непосредственной близости от которого и производился отбор воды. Комбинат снижал производство продукции в интервале 1999-2007 годы, только осенью 2007 года производство возобновилось, в данное время на базе завода функционирует ООО «Фаворит». Часть отходов производства может попадать в воду, а растворенный кислород использоваться на окисление органики, содержание которой в воде возросло в 2009 году почти в два раза.

         Качество природной воды в значительной степени определяется концентрацией растворенных в ней минеральных солей. Основной вклад в общее солеобразование вносят соли 1-ого  класса. В первую очередь нарушение минерального состава воды сказывается на жизнедеятельности простейших организмов, так как растворимые соли определяют обмен веществ клеток с окружающей средой и являются строительным материалом для элементов живой клетки. Повышенная концентрация солей в воде пагубно сказывается на минеральном составе окружающей водоемы почвы, вызывая ее засоление как в процессе впитывания грунтовой воды почвой (транспирации), так и при орошении такой водой сельскохозяйственных посадок. Визуально видно, что за последние годы произошло значительное обмеление реки Чулым в пределах города, следствием чего и стало увеличение содержания в воде таких солей как гидрокарбонаты, хлориды и сульфаты. Причин обмеления можно выделить несколько – во-первых. Основной источник питания реки – атмосфереый, за счет снега. А количество зимних осадков сократилось, вторая группа причин кроется в антропогенном воздействии – строительстве заторов и платин жителями сел, расположенных выше по течению реки, о чем свидетельствуют результаты экспедиции 2006 года.

            За отмеченный период  произошло резкое снижение содержания нитратов в воде, в 2006 и 2009 году его  концентрация мала на столько, что наша методика не позволила высчитать содержание этого иона количественно. Причину данного явления мы видим в том, что за последние годы прекратили существование земледельческие предприятия в непосредственной близости с рекой, соответственно, не применяются минеральные удобрения; количество частного скота у населения города так же резко сократилось, что привело к уменьшению вывоза навоза непосредственно на берега реки.

5. Выводы

1. По результатам мониторинга содержание гидрокарбонатов и хлоридов в воде значительно превышает значение  ПДК (приложение 1). За последние годы произошло увеличение содержания этих ионов, что свидетельствует о засоленности воды и тенденциях обмеления реки Чулым.
2. Содержание сульфат анионов остается ниже ПДК, а нитрат-анионов снизилось в значительной степени и не превышает ПДК
3. Увеличилось содержание окисляемой органики. Что привело к снижению насыщения воды кислородом

6. Заключение и перспективы работы

Термин "мониторинг" происходит от латинского слова "напоминающий, надзирающий" и обозначает наблюдение с контрольными функциями, контроль, диспетчерское управление.
Наблюдения за состоянием природной среды осуществляют различные геофизические службы (метеорологические, гидрологические и пр.). Выделение тех изменений состояния, за которые ответственны антропогенные факторы, представляет отдельную и важную задачу. Основными задачами мониторинга являются:
• наблюдения за факторами воздействия, за состоянием и изменением состояния окружающей среды;
• оценка изменений и тенденций в изменениях этого состояния;

Наша работа, безусловно, не претендует на серьезное мониторинговое исследование, но мы планируем и в дальнейшем отслеживать изменения состава воды реки Чулым, заниматься поддержанием надлежавшего санитарного состояния  в зоне патруливания, вести разъяснительную работу с жителями города.

VI. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ РЕСУРСОВ

1. Алексеев С.В., Беккер А.М. Изучение экологии – экспериментальный курс (Практикум по оценки экологической среды) под редакцией Алексашиной. И.Ю. СПб., 1993.
2. Алексеев С.В. Груздева М.В. «Практикум по экологии», М, АО МДС, 1996г.,
3. Беспамятнов Г. П., Кротов Ю. А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде  Л.:  Химия 1987.
4. Жуков А. И., Монгайт И. Л., Родзиллер И. Д. Методы очистки производственных сточных вод М.: Стройиздат.1998г.

1. Плотников В. В. «Введение в экологическую химию», М., Наука 1989.

1. Стадницкий Г. В., Родионов А. И.. «Экология».М., Просвящение  2000

1. Сергеев Е. М, Кофф Г. Л.. «Рациональное использование и охрана окружающей      среды городов.» М., Наука, 1997

1. Государство и право – №1 (стр.100-119), 1997.
2. Экономист/ №8 (стр.14-28), 1997.
3. Рос. вести/ 13 апреля (стр. 13), 1996 (экология и здоровье)
4. http://www.eco.nw.ru/lib/data/08/3/030308.htm
5. http://planetadisser.com/see/dis_13315.html
6. http://www.sevin.ru/fundecology/news/n5_10_06.html

Приложение 1. Предельно допустимые концентрации  некоторых ионов в  воде