Загальні та сумарні показники вмісту природних та антропогенних компонентів, що застосовуються в програмах спостереження

торфовищ в басейні ріки і т.п. Стічні води деяких підприємств також можуть створювати досить інтенсивне забарвлення води.

Забарвлення природних вод коливається від одиниць до тисяч градусів.

Розрізняють "натуральний колір", обумовлений тільки розчиненими речовинами, і "вдаваний колір", викликаний присутністю у воді колоїдних і зважених часток, співвідношення між який значною мірою визначаються розміром pН.

Гранично припустимий розмір забарвлення у водах, використовуваних для питних цілей, складає 35 градусів по платиново-кобальтовій шкалі. Відповідно до  вимог до якості води в зонах рекреації забарвлення води не повинно виявлятися візуально в стовпчику висотою 10 см.

Високе забарвлення води погіршує її органолептичні властивості і має негативний вплив на розвиток водяних рослинних і тваринних організмів у результаті різкого зниження концентрації розчиненого кисню у воді, що витрачається на окислювання сполук заліза і гумусових речовин [3] , [2] .

Прозорість

Прозорість (або світлопропускання) природних вод обумовлене їхнім кольором і каламутністю, тобто вмістом у них різноманітних пофарбованих і зважених органічних і мінеральних речовин.

Воду в залежності від ступеня прозорості умовно підрозділяють на прозору, що слабоопалесціює, опалесцентну, злегка каламутну, каламутну, сильно каламутну. Мірою прозорості слугує висота стовпа води, при якій можна спостерігати білу пластину визначених розмірів (диск Секкі), що опускається у водойму або розрізняти на білому папері шрифт визначеного розміру і типу (як правило, шрифт середньої товщини висотою 3.5 мм). Результати виражаються в сантиметрах із вказанням засобу виміру.

Ослаблення в каламутній воді інтенсивності світла з глибиною, призводить до більшого поглинання сонячної енергії поблизу поверхні. Поява більш теплої води в поверхні зменшує перенос кисню з повітря у воду, знижує щільність води, стабілізує стратифікацію. Зменшення потоку світла також знижує ефективність фотосинтезу і біологічної продуктивності водойми.

Визначення прозорості води - обов'язковий компонент програм спостережень за станом водних об'єктів. Збільшення кількості грубодисперсних домішок і каламутності характерно для забруднених і евтрофних водойм [3] , [2] .

Водневий показник рН

Вміст іонів водню (точніше, гідроксонію) у природних водах визначається в основному кількісним співвідношенням концентрацій вугільної кислоти і її іонів.

CO2 + H20 <---> H+ + HCO3- <---> 2 H+ + CO32-

Для зручності вираження вмісту водневих іонів був ведений розмір, що являє  собою логарифм їхньої концентрації, узятий з оберненим знаком:

p = - lg[H+].

Для поверхневих вод, що містять невеликі кількості діоксиду вуглецю, характерна лужна реакція. Зміни pН тісно пов'язані з процесами фотосинтезу (через споживання CO2 водяною рослинністю). Джерелом іонів водню є також гумусові кислоти, що присутні в грунтах. Гідроліз солей важких металів відіграє роль у тих випадках, коли у воду потрапляють значні кількості сульфатів заліза, алюмінію, міді й інших металів:

Fe2+ + 2H2O --> Fe(OH)2 + 2H+

Значення pН у річкових водах звичайно варіює в межах 6. 5-8. 5, в атмосферних осадах 4. 6-6. 1, у болотах 5. 5-6. 0, у морських водах 7. 9-8. 3. Концентрація іонів водню схильна до сезонних коливань. Зимою розмір pН для більшості річкових вод складає 6. 8-7. 4, улітку 7. 4-8. 2. pН природних вод визначається до деякої міри геологією водозбірного басейну [2] .

Відповідно до  вимог до складу і властивостей води водойм пунктів питного водокористування, води водяних об'єктів у зонах рекреації, а також води водойм рибогосподарського призначення розмір pН не повинний виходити за межі інтервалу значень 6. 5-8. 5 [4] .

pH води - один із найважливіших показників якості вод. Розмір концентрації іонів водню має велике значення для хімічних і біологічних процесів, що відбуваються в природних водах. Від розміру pН залежить розвиток і життєдіяльність водяних рослин, сталість різноманітних форм міграції елементів, агресивна дія води на метали і бетон. pН води також впливає на процеси перетворення різноманітних форм біогенних елементів, змінює токсичність забруднюючих речовин.

У водоймі можна виділити декілька етапів процесу її закисления:

на першому етапі рН практично не змінюються (іони бікарбонату встигають цілком нейтралізувати іони Н+). Так продовжується доти, поки загальна лужність у водоймі не впаде приблизно в 10 разів до розміру менше 0.1 моль/дм3.

на другій стадії закисления водойми рН води звичайно не піднімається вище 5.5 протягом усього року. Про такі водойми говорять як про помірно кислі. На цьому етапі закисления відбуваються значні зміни у видовому складі живих організмів.

на третьому етапі закисления рН водойм стабілізується на значеннях рН<5 (звичайно рН=4.5), навіть якщо атмосферні опади мають більш високі значення рН. Це пов'язано з присутністю гумусових речовин і сполук алюмінію у водоймах і грунтовому прошарку.

Природні води в залежності від рН раціонально поділяти на сім груп: [5]

сильно кислі води	рН < 3	результат гідролізу солей важких металів (шахтні і рудні води)
кислі води	рН = 3...5	надходження у воду вугільної кислоти, фульвокислот та інших органічних кислот у результаті розкладання органічних речовин
слабокислі води	рН = 5...6.5	присутність гумусових кислот у грунті і болотних водах (води лісової зони)
нейтральні води	рН = 6.5...7.5	наявність у водах Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2
слаболужні води	рН = 7.5...8.5	те ж
лужні води	рН = 8.5...9.5	присутність Na2CO3 або NaHCO3
Сильно лужні води	рН > 9.5	те ж

Окисно-відновний потенціал (Eh)

Міра хімічної активності елементів або їхніх сполук в оборотних хімічних процесах, пов'язаних із зміною заряду іонів у розчинах. Значення окисно-відновних потенціалів виражаються у вольтах (мілівольтах). Окисно-відновний потенціал будь-якої оборотної системи визначається по формулі

Eh = E0 + (0. 0581/n) lg(Ox/Red) при t = 20°С

де Eh - окисно-відновний потенціал середовища;

E0 - нормальний окисно-відновний потенціал, при якому концентрації окисленої і відновленої форм рівні між собою;

Ox - концентрація окисленої форми;

Red - концентрація відновленої форми;

n - число електронів, що приймають участь у процесі.

У природній воді значення Eh коливаються від - 400 до + 700 мВ, визначається всією сукупністю у ній окисних і відновних процесів, проходять і в умовах рівноваги характеризує середовище відразу щодо всіх елементів, що мають змінну валентність.

Вивчення редокс-потенціалу дозволяє виявити природні середовища, у котрих можливо існування хімічних елементів із перемінною валентністю у визначеній формі, а також виділити умови, при яких можлива міграція металів [2] , [1] .

Розрізняють декілька основних типів геохімічних обстановок у природних водах [13] :

окислювальну - що характеризується значеннями Еh > + (100 - 150) мВ, присутністю вільного кисню, а також цілого ряду елементів у вищій формі своєї валентності (Fe3+, Mo6+, As5-, V5+, U6+, Sr4+, Cu2+, Pb2+);

перехідну окисно-відновну - обумовлену розмірами Еh + (100-0) мВ, хитливим геохімічним режимом і перемінним вмістом сірководню і кисню. У цих умовах протікає як слабке окислювання, так і слабке відновлення цілого ряду металів;

відновну - що характеризується значеннями Еh < 0. У підземних водах присутні метали низьких ступенів валентності (Fe2+, Mn2+, Mo4+, V4+, U4+), а також сірководень.

Еh і рН взаємозалежні.

Кислотність

Кислотністю називають вміст у воді речовин, що вступають у реакцію з гідроксил іонами. Витрата гідроксиду відбиває загальну кислотність води. У звичайних природних водах кислотність у більшості випадків залежить тільки від вмісту вільного діоксиду вуглецю. Природну частину кислотності створюють також гумінові й інші слабкі органічні кислоти і катіони слабких основ (іони амонію, заліза, алюмінію, органічних основ). У цих випадках pН води не буває нижче 4.5.

У забруднених водоймах може міститися велика кількість сильних кислот або їхніх солей за рахунок скидання промислових стічних вод. У цих випадках pН може бути нижче 4.5. Частина загальної кислотності, що знижує pН до розмірів <4.5, називається вільною.

Лужність

Під лужністю природних або очищених вод розуміють спроможність деяких їхніх компонентів зв'язувати еквівалентну кількість сильних кислот. Лужність обумовлена наявністю у воді аніонів слабких кислот (карбонатів, гідрокарбонатів, силікатів, боратів, сульфітів, гідросульфітів, сульфідів, гідросульфідів, аніонів гумінових кислот, фосфатів) - їхня сума називається загальною лужністю. Через незначну концентрацію трьох останніх іонів загальна лужність води звичайно визначається тільки аніонами вугільної кислоти (карбонатна лужність). Аніони, гідролізуючись, утворять гідроксильні іони:

CO32- + H2O <---> HCO3- + OH- ;

HCO3- + H2O <---> H2CO3 + OH-.

Лужність визначається кількістю сильної кислоти, необхідної для нейтралізації 1 дм3 води. Лужність більшості природних вод визначається тільки гідрокарбонатами кальцію і магнію, pН цих вод не перевищує 8.3.

Визначення лужності корисно при дозуванні хімічних речовин, необхідних при обробці вод для водопостачання, а також при реагентному очищенні деяких стічних вод. Визначення лужності при надлишкових концентраціях лужноземельних металів важливо при встановленні придатності води для іригації. Разом із значеннями рН лужність води служить для розрахунку вмісту карбонатів і балансу вугільної кислоти у воді [3] , [2] .

Кисень

Розчинений кисень знаходиться в природній воді у вигляді молекул O2.  На його вміст у воді впливають дві групи протилежно спрямованих процесів: одні збільшують концентрацію кисню, інші зменшують її.  До першої групи процесів, що збагачують воду киснем, варто віднести

: процес абсорбції кисню з атмосфери

; виділення кисню водяною рослинністю в процесі фотосинтезу

надходження у водойми з дощовими і сніговими водами, що звичайно пересичені киснем.

Абсорбція кисню з атмосфери відбувається на поверхні водного об'єкта.  Швидкість цього процесу підвищується зі зниженням температури, із підвищенням тиску і зниженням мінералізації.  Аерація - збагачення глибинних прошарків води киснем - відбувається в результаті перемішування водяних мас, у тому числі вітрового, вертикальної температурної циркуляції і т.д. 

Фотосинтетичне виділення кисню відбувається при асиміляції діоксиду вуглецю водяною рослинністю (прикріпленими, плаваючими рослинами і фітопланктоном).  Процес фотосинтезу протікає тим сильніше, чим вище температура води, інтенсивність сонячного освітлення і більше біогенних (живильних) речовин (P,N і ін.) у воді.  Продукування кисню відбувається в поверхневому прошарку водойми, глибина якого залежить від прозорості води (для кожної водойми і сезону може бути різноманітною - від декількох сантиметрів - до декількох десятків метрів). 

До групи процесів, що зменшують вміст кисню у воді, відносяться реакції споживання його на окислювання органічних речовин: біологічне (дихання організмів), біохімічне (дихання бактерій, витрата кисню при розкладанні органічних речовин) і хімічне (окислювання Fe2+, Mn2+, NO2-, NH4+, CH4 , H2S).  Швидкість споживання кисню збільшується з підвищенням температури, кількості бактерій і інших водяних організмів і речовин, що піддаються хімічному і біохімічному окислюванню.  Крім того, зменшення вмісту кисню у воді може відбуватися внаслідок виділення його в атмосферу з поверхневих прошарків і тільки в тому випадку, якщо вода при даній температурі і тиску виявиться пересиченою киснем. 

У поверхневих водах вміст розчиненого кисню варіює в широких межах - від 0 до 14 мг/дм3 - і схильний до сезонних і добових коливань.  Добові коливання залежать від інтенсивності процесів його продукування і споживання і можуть досягати 2.5 мг/дм3 розчиненого кисню. У зимовий і літній періоди розподіл кисню носить характер стратифікації. Дефіцит кисню частіше спостерігається у водяних об'єктах із високими концентраціями забруднюючих органічних речовин і в евтрофікованих водоймах, що містять велику кількість біогенних і гумусових речовин [2] .

Концентрація кисню визначає розмір окисно-відновного потенціалу і значною мірою напрямок і швидкість процесів хімічного і біохімічного окислювання органічних і неорганічних сполук. Кисневий режим робить глибокий вплив на життя водойми.  Мінімальний вміст розчиненого кисню, що забезпечує нормальний розвиток риб, складає біля 5 мг O2/дм3. Зниження його до 2 мг/дм3 викликає масову загибель (замор) риби. Негативно позначається на стані водного населення і пересичення води киснем у результаті процесів фотосинтезу при недостатньо інтенсивному перемішуванні прошарків води. 

Відповідно до вимог до складу і властивостей води водойм у пунктах питного і санітарного водокористування вміст розчиненого кисню в пробі, відібраної до 12 часів дня, не повинно бути нижче 4 мг/дм3 у будь-який період року; для водойм рибогосподарського призначення концентрація розчиненого у воді кисню не повинна бути нижче 4 мг/дм3 у зимовий період (при льодоставі) і 6 мг/дм3 - у літній [1] .

Визначення кисню в поверхневих водах включено в програми спостережень з метою оцінки умов існування гідробіонтів, у тому числі риб, а також як непряма характеристика оцінки якості поверхневих вод і регулювання процесу очищення стоків. Вона суттєва для аеробного дихання і є індикатором біологічної активності (тобто фотосинтезу) у водоймі. 

Рівень забруднення води і клас якості [4] .	розчинений кисень
літо, мг/дм3	зима, мг/дм3	% насичення
дуже чисті, I	9	14-13	95
чисті, II	8	12-11	80
Помірно забруднені, III	7-6	10-9	70
Забруднені, IV	5-4	5-4	60
Брудні, V	3-2	5-1