RADU POPA

MODELAREA CALITTII APEI

DIN RURI

Serie coordonat de : Radu DROBOT Jean Pierre CARBONNEL S_JEP 09781/95 GESTION ET PROTECTION DE LA RESSOURCE EN EAU

Editura *H*G*A*, Bucureti

1998

Descierea CIP a Bibliotecii Naionale POPA, RADU Modelarea calitii apei din ruri/ Radu Popa. - Bucureti : *H*G*A*, 1998 p. ; cm. Bibliogr. ISBN 973- 98530 - 2 - 1 519.86:504.45

Redactor: Marina NEAGU

Copyright 1998. Toate drepturile asupra acestei ediii sunt rezervate Editurii *H*G*A* - Bucureti.

Prefa Lucrarea Modelarea calitii apei din ruri continu i ntregete coninutul volumului aprut anterior (Elemente de hidrodinamica rurilor). Prin cele dou materiale s-a urmrit prezentarea unui cadru teoretic i aplicativ ct mai detaliat, referitor la modelarea matematic a proceselor complexe de natur fizico-mecanic, fizico-chimic i biologic aprnd pe albiile rurilor i canale. Aceste procese includ aspecte hidrodinamice n interaciune cu sedimentele, dar i aspecte privind transportul i transformarea poluanilor de diverse sorturi n ecosistemele acvatice. Alturi de atmosfer, apele, n general, i cele curgtoare n particular, joac un rol principal n diseminarea rapid i pe distane mari a produselor reziduale generate de activitatea omului. Utilizarea corpurilor de ap ca receptori pentru aceste reziduuri, trebuie s fie nsoit de cunoaterea modului de comportare a poluanilor clasici i a contaminanilor n mediul nconjurtor acvatic, astfel nct s fie posibile evaluarea consecinelor, elaborarea strategiilor de control i managementul operaional, cantitativ i calitativ al resurselor de ap. Lucrarea se adreseaz studenilor de la cursurile de zi i studii aprofundate, cursanilor de la colile academice post-universitare i doctoranzilor din nvmntul tehnic universitar, care urmeaz specializri de ingineria mediului. Ea este conceput ca un material didactic, majoritatea formulrilor teoretice fiind nsoite de reprezentri numerice adecvate i ilustrate prin circa 20 exemple de calcul, 9 probleme complexe de interes practic i 17 programe de calcul. S-a cutat acomodarea cititorului cu maniera de abordare sistemic a problemelor, avnd n vedere puternicele interdependene dintre procese i interaciunile multiple dintre factorii biotici i abiotici care alctuiesc un ecosistem acvatic. De asemenea, s-a ncercat elucidarea aspectelor care trebuie luate n consideraie la elaborarea modelului de calitate a apei, funcie de: sistemul fizic analizat, problema de poluare considerat n studiu i scopul n care se va utiliza modelul respectiv. Nu s-a intenionat alctuirea unui material exhaustiv, acest lucru fiind practic imposibil n condiiile avalanei de lucrri care apar pe plan mondial n domeniu. Totui, n msura posibilului, s-a urmrit realizarea unei documentaii ct mai complete i actuale. n acest sens, autorul mulumete fostelor studente, domnioarelor Carina Moraru, Margareta Mihilescu i Irina Bratu pentru ajutorul acordat. Apariia lucrrii a fost posibil datorit sprijinului financiar al Programului TEMPUS S-JEP 09781/95 Gestion et Protection de la Ressource en Eau, coordonat de Universitatea Tehnic de Construcii Bucureti. Att la acest material, ct i la volumele anterioare, autorul a primit cele mai susinute ncurajri i suportul cel mai eficient din partea profesorului Radu Drobot, coordonatorul romn al seriei de lucrri editat n cadrul programelor TEMPUS.

Autorul

DIN PARTEA COORDONATORILOR:

Necesitatea organizrii unor cursuri de actualizare a cunotinelor tiinifice n domeniul resurselor de ap i mediului a fost enunat n cursul anului 1990 de cadrele didactice i inginerii romni, cu ocazia primelor vizite efectuate dup 1989 de ctre colegii francezi la Bucureti. Acest proiect a putut fi transpus n via datorit sprijinului financiar al Programului TEMPUS - PHARE, iniiat de Comunitatea European pentru a ajuta rile Europei de Est s-i restructureze nvmntul superior. Programul organizat dup principiile ciclului 3 francez (D.E.A. - Diplome d'Etudes Approfondies) a nceput s funcioneze efectiv din anul universitar 1992/1993 i a avut parteneri din Frana (Universitatea "Pierre et Marie Curie", care a fost de altfel i coordonatorul acestui program), Belgia (Universitatea din Lige), Italia (Universit degli Studi di Genova) i, evident, din Romnia (Universitatea Tehnic de Construcii Bucureti i Universitatea Bucureti); de la nceput unitile de profil din domeniu (Regia autonom "Apele Romne", Institutul Naional de Meteorologie i Hidrologie, Institutul de Cercetri pentru Ingineria Mediului) au susinut n mod activ derularea programului care a fost denumit: SCIENCES DE L'EAU ET ENVIRONNEMENT (S.E.E. - tiinele Apei i Mediului). Un numr important de profesori i cercettori de nalt nivel tiinific din Frana, Belgia, Italia i Romnia au susinut prelegeri n limba francez sau romn, pentru circa 50 de tineri cercettori i ingineri, n cei 3 ani de funcio-nare ai program ului. Acest prim program se continu (1995-1998) cu un nou curs, intitulat GESTION ET PROTECTION DE LA RESSOURCE EN EAU, sub coordonarea Universitii Tehnice de Construcii Bucureti. Coordonatorii programului au considerat totui c s-ar putea face i mai mult pentru formarea specialitilor din domeniul tiinelor apei i mediului i au decis s rspndeasc n cea mai mare msur posibil cunotinele predate n cadrul acestor programe. Rezultatul acestei intenii l constituie editarea unei serii de 30 manuale din domeniul Hidrologiei, Hidrogeologiei sau al pregtirii tiinifice fundamentale. n sperana c acesta serie va fi util studenilor din ciclul 2 i 3, precum i specialitilor, coordonatorii acestei serii i exprim intenia de a continua activitatea nceput, n vederea acoperirii cu materiale scrise, n ct mai mare msur, a domeniului tiinelor apei i mediului.

Coordonatori: Radu DROBOT i Jean - Pierre CARBONNEL

CUPRINS

1. INTRODUCERE ........................................................................................ 7 1.1. Apele curgtoare i poluarea ................................................................. 8 1.2. Modele de calitatea apei ........................................................................ 10 1.3. Structura lucrrii .................................................................................... 15 2. ASPECTE DE ECOLOGIE I POLUAREA APELOR CURGTOARE ........................................................................

21

2.1. Elemente de ecologia apelor curgtoare i efectele polurii................... 22 2.2. Asupra poluanilor i problemelor de poluare ....................................... 30 2.3. Unele date statistice ............................................................................... 42 2.4. Utilizarea modelelor de calitate a apei ................................................... 45 3. REPREZENTAREA MATEMATIC A PROCESELOR ESENIALE CARE APAR N ECOSISTEMELE ACVATICE ALE RURILOR .......................................................................................

49 3.1. Modelarea matematic a proceselor de transport n medii fluide........... 50 3.2. Elemente de modelare matematic a proceselor de transformare (reacii) n ecosisteme acvatice ....................................

78

3.3. Reprezentri matematice aplicative pentru procesele de transport-transformare n apele curgtoare ........................................

108

4. ABORDAREA ANALITIC SAU NUMERIC A MODELELOR DE CALITATEA APEI PENTRU RURI ..............

157

4.1. Soluii analitice pentru forme particulare ale ecuaiei conveciei-difuziei ...................................................................................

158

4.2. Integrarea numeric a ecuaiilor difereniale ordinare ........................... 174 4.3. Tratarea numeric a ecuaiei conveciei-difuziei ................................... 184 5. DATE EXPERIMENTALE I CORELAII UTILIZATE N MODELARE .........................................................................................

220

5.1. Dispersia i amestecul pe albii ............................................................... 221 5.2. Oxigenul dizolvat .................................................................................. 229 5.3. Transferul de cldur ............................................................................. 251 5.4. Ageni patogeni ..................................................................................... 264 5.5. Elemente de chimismul apei .................................................................. 271 6. UNELE ASPECTE PRIVIND CALIBRAREA I VALIDAREA MODELELOR DE CALITATE A APEI ...................

292

6.1. Gradul de complexitate al MCA - dificulti de calibrare, validare etc. ............................................................................................

293

5

6.2. Analiza de senzitivitate .......................................................................... 297 6.3. Evaluarea calitii prediciilor i exemple de calcul a unor parametri .....................................................................................

309

7. PROBLEME SPECIALE DE POLUAREA APELOR ........................... 323 7.1. Eutrofizarea ........................................................................................... 324 7.2. Evoluia substanelor toxice n corpurile de ap .................................... 259 8. APLICAII NUMERICE .......................................................................... 380 8.1. Coeficientul de difuzie transversal i lungimea de amestec ntr-o curgere bidimensional ................................................................

381

8.2. Distribuia bidimensional de concentraie n micarea potenial plan... 386 8.3. Variaiile substratului, populaiilor bacteriene i oxigenului dizolvat consumat la descompunerea materiei organice......................................

396

8.4. Interaciunea nutrient-fitoplancton-zooplancton ntr-un sistem acvatic nchis....................................................................

403

8.5. Poluarea accidental cu PCB i splarea apei i sedimentelor active dintr-un lac ..................................................................................

407

8.6. Distribuia CBO i OD pe o albie poluat din surse multiple, n regim hidraulic uniform i condiii staionare ....................................

413

8.7. Lungimea tronsonului fr pod de ghea pe o albie poluat termic...... 420 8.8. Influena numrului de trepte de barare asupra evoluiei CBO i OD pe un sector poluat accidental din amonte..............................................

429

8.9. Interaciunea ap-sedimente pe o albie poluat accidental cu o mixtur de radionuclizi...................................................................

437

9. ANEXE - PROGRAME DE CALCUL ..................................................... 452 BIBLIOGRAFIE .................................................................................... 491

6

1

INTRODUCERE

Volumul de fa este a doua parte dintr-o lucrare ce urmrete s prezinte elemente de modelare matematic a proceselor complexe care apar pe albii naturale i canale. Primul volum a fost orientat asupra aspectelor legate de modelarea curgerii cu suprafa liber pe albii cu pat fix i respectiv pe albii deformabile, n care eroziunea, transportul i depunerea sedimentelor joac un rol semnificativ. S-a pus deci accentul pe elucidarea i simularea proceselor de natur hidrodinamic, n conjuncie cu alte procese fizico-mecanice privind interaciunea dintre curent i aluviuni. n acest volum se extinde analiza asupra unei categorii de probleme de actualitate tot mai stringent i anume cele referitoare la soarta poluanilor de diverse sorturi, ajuni n apele curgtoare. Ca i prima parte, acest material se dorete a fi o lucrare didactic, n care se expun noiunile teoretice de baz utilizate pentru modelarea proceselor complexe de natur fizico-chimic i biologic implicate, se prezint metodele matematice necesare pentru rezolvarea modelelor i se exemplific abordarea concret prin numeroase exerciii i probleme dintre care majoritatea se soluioneaz cu programe de calcul anexate n lucrare. Avnd n vedere dezvoltarea pe care o cunoate nvmntul superior n domeniul problemelor mediului nconjurtor, se sper c acest material va fi util studenilor, cursanilor post-universitari i doctoranzilor interesai de hidrodinamica i biochimia ecosistemelor acvatice n special de tip sector de albie natural/canal. Faptul c la ora actual exist posibilitatea obinerii de instrumente informatice/programe de calcul prin reeaua Internet este att de tentant pentru potenialii utilizatori, nct exist riscul ca aceste programe s fie preluate i folosite fr discernmnt, ca nite cutii negre, despre care se tie (eventual) ce date de intrare se cer i de la care se primesc nite rezultate care pot fi (cel mult) admirate. Aceast facilitate extraordinar stimuleaz arareori un utilizator s ncerce s aprofundeze, sub aspect fenomenologic, teoretic, numeric i ca semnificaie, procesele simulate n program, interaciunile dintre ele, gradul de plauzibilitate al rezultatelor furnizate n raport cu problema concret de rezolvat .a.m.d. Lucrarea de fa ncearc s se opun acestor ispite i s ajute pe cei care sunt curioi s descifreze interiorul cutiilor negre.

7

1.1. APELE CURGTOARE I POLUAREA

Cursurile de ap, naturale sau amenajate, servesc ca surse de alimentare cu ap pentru populaie, industrii i agricultur, ca mijloc de transport i pentru producerea energiei electrice. Totodat, ele ofer mediul de via pentru peti i alte vieuitoare, precum i pentru flora acvatic, dar i un mijloc de recreaie pentru om. Din cele mai vechi timpuri, apele au fost ns folosite i pentru a prelua produse reziduale generate de activitatea societii. Ele au rmas i astzi unul dintre receptorii majori ai acestor produse, att sub form de ape uzate de diverse sorturi (menajere, industriale, agricole), ct i ca poluani chimici sau radioactivi. La acestea se adaug energia termic rezidual provenit din industria energetic, materiile solide provenite din eroziuni naturale sau de la construcii edilitare, preparaii miniere etc., precum i o serie ntreag de ageni patogeni originari din diverse surse. Prin nsi natura lor de ape curgtoare, aceti receptori, alturi de atmosfer, au capacitatea de a disemina pe distane mari i ntr-un timp relativ scurt, orice produs rezidual deversat ntr-o anumit seciune/poziie dat. Tot din cauza naturii lor, cursurile de ap colecteaz poluani din surse punctuale sau difuze plasate n lungul albiilor. Este adevrat c rurile au capacitatea de a dilua i dispersa impuritile ajunse n masa de ap i, de asemenea, au calitatea de a se autopurifica n mod natural. Tocmai pe aceast observaie s-a bazat utilizarea lor iniial ca receptori de ape uzate rezultate din activitatea omului. Totui, posibilitile de auto-refacere a calitilor naturale nu sunt nelimitate, iar la depirea anumitor praguri, poluarea poate s induc modificri ireversibile n ecosistemele acva-tice sau s afecteze nepermis de mult alte folosine benefice ale resursei de ap. n momentul de fa exist reglementri legale, naionale i internaionale, care impun restricii asupra modului de utilizare a apelor ca receptori de reziduuri. Aceste reglementri precizeaz, n termeni specifici, limitele pn la care este permis degradarea calitii emisarului, astfel nct ea s nu intre n conflict cu natura i cu celelalte utilizri poteniale ale apei. Obligaiile stipulate prin lege se refer n primul rnd la gradul de tratare prealabil care trebuie asigurat apelor uzate, funcie de caracteristicile fizico-chimice, biologice i mecanice ale deeurilor, nainte de a fi descrcate n receptori. Totodat, aceste prevederi specific valorile limit (standard) ale indicatorilor/parametrilor care msoar sub diferite forme concentraiile de substane poluante din emisar. Reglementrile n sine, nu sunt ns suficiente pentru rezolvarea eficient a problemelor. Pe lng aspectele de monitorizare i control, pe lng aspectele de management al calitii apei receptorului n acord cu costurile de tratare i respectiv cu pagubele induse altor utilizatori i distrugerea condiiilor naturale, pe lng toate acestea i multe altele este necesar s se cunoasc profund modul n care evolueaz i interacioneaz poluanii n ecosistemul acvatic receptor. Pe

8

baza acestei cunoateri temeinice se pot imagina soluiile cele mai potrivite din punct de vedere tehnic, economic i ambiental, se pot gndi strategii pe termen lung, se pot decide tehnici de supraveghere i control eficace etc. Rspunsurile cu suport teoretic la problemele de mai sus sunt furnizate de modelele de calitate a apei. Ce se nelege ns prin poluarea apelor i care este coninutul studiilor de poluare? Att definiiile polurii, ct i subiectele ncadrate n sintagma polua-rea apelor au cunoscut o dinamic remarcabil, n special n ultimii 50-70 de ani. Referitor la evoluia definiiilor, se citeaz n continuare doar cteva dintre acestea:

adugarea a ceva, orice, n ap - care provoac modificarea calitilor ei naturale astfel nct proprietarii riverani nu mai dispun de apa oferit lor de ru n condiii naturale (dup legea englez a apelor din 1952);

din punct de vedere tiinific este poate mai uor a privi poluarea ca pe o impuritate real introdus n curent, dect ca actul de introducere a ei, i a defini poluarea ca incluznd orice care cauzeaz sau induce condiii criticabile ntr-un curs de ap oarecare, afectnd nefavorabil orice utilizare posibil a ei (Klein L., 1962);

apa se consider poluat cnd i s-au alterat compoziia sau condiia astfel nct devine mai puin potrivit pentru oricare sau toate funciunile i scopurile pentru care ar fi fost adecvat n starea sa natural (W.H.O., 1972);

orice modificare, natural sau artificial care n mod direct sau indirect, schimb calitatea apei i perturb sau distruge echilibrul ecosistemelor i resursele naturale, prin aceea c: i) provoac pericole pentru sntatea public; ii) deranjeaz obinuinele, eficiena i bunstarea omului i comunitii sale i iii) afecteaz utilizabilitatea ei pentru orice folosin benefic actual sau de perspectiv (Whitehead, P.G., Lack, T., 1982) .a.

Dac prima definiie are mai mult o conotaie juridic, ultima dintre ele face precizarea c i modificrile naturale defavorabile sunt ncadrate n acelai context cu cele provocate de om. Definiia respectiv extinde impactul de la apa n sine, la ecosistemul acvatic n ansamblul su i se poate afirma c ea acoper trei puncte de vedere diferite: al resurselor naturale, al sntii omului i al mediului ambiant. Dezvoltarea coninutului studiilor de poluare a cunoscut patru etape importante, difereniate prin tematica abordat i mijloacele de rezolvare utilizate (Chapra, S.C., 1996):

ntre anii 1925-1960, ncepnd cu primul model dezvoltat de Streeter i Phelps, atenia s-a focalizat pe problema efluenilor organici netratai sau cu

9

tratare primar (sub aspectul cererii biochimice de oxigen i a oxigenului dizolvat), deversai n ruri i estuare. S-au folosit schematizri unidimensionale, cinetici de reacie de ordinul nti i s-au indicat soluii analitice;

ntre 1960-1970, odat cu evoluia metodelor numerice, a mijloacelor de calcul, dar i a echipamentelor de depoluare, problemele analizate s-au referit la efluenii organici cu tratament primar i secundar (sub aspectul CBO i OD), deversai n ruri i estuare. S-au admis schematizri uni- i bidimensionale, cu cinetici de reacie lineare, iar soluiile numerice le-au completat pe cele analitice;

ntre 1970-1977, n centrul preocuprilor au trecut problemele eutrofizrii generate de nutrieni n sisteme acvatice uni-, bi- i tridimensionale (de tip ru/estuar/lac). S-a nceput utilizarea cineticilor de cretere de tip Monod, neliniare i cu efect de reacie invers, iar majoritatea soluiilor oferite au fost soluii numerice;

ncepnd cu 1977, atenia s-a deplasat asupra substanelor toxice (de natur organic sau anorganic, metale grele, radionuclizi etc.) i evoluiei lor n lacuri/estuare/ruri, n interaciune cu sedimentele i componentele lanului trofic. Pe lng cinetici lineare i neliniare, s-a apelat la reacii de adsorbie/desorbie i de echilibru, rezultnd mai ales soluii numerice.

Din cauza actualitii i specificitii lor, ultimele dou aspecte, eutrofizarea i toxinele, sunt tratate mai pe larg ntr-un capitol separat al acestei lucrri.

1.2. MODELE DE CALITATEA APEI

Ca i n alte domenii tiinifico-tehnice, orice analiz mai profund asupra problemelor de poluare presupune realizarea unui model al realitii i ntreprinderea unor studii asupra lui. Dei multe dintre cunotinele acumulate de-a lungul anilor s-au obinut apelndu-se la modele fizice, practica actual se concentreaz tot mai mult pe dezvoltarea unor modele matematice. Evoluia mijloacelor de calcul i a metodelor de valorificare a acestora, au stimulat tendina respectiv. Modelele de calitatea apei (MCA) pot fi privite ca structuri teoretice caracterizate prin trei coordonate majore:

coordonata temporal, n sensul c MCA se refer la procese dinamice/ evolutive n timp sau staionare;

coordonata spaial, care se refer la rezoluia discretizrii geometrice a sistemului acvatic analizat (o incint global, o succesiune de volume de control alctuind o schematizare unidimensional, cu corp tridimensional discretizat n volume de control etc.);

10

gradul de detaliere al componentei ecologice, respectiv numrul de variabile de stare/parametrii care reflect aspectele de calitate. Plasarea unui sistem dat i a unei probleme date n acest spaiu tridimensional, depinde de o multitudine de factori care decurg din structura intim a sistemului, din numrul subproceselor implicate i importana lor relativ .a. Neglijnd momentan coordonata temporal, se poate spune c MCA aflate astzi n uz se plaseaz undeva ntre dou tipuri extreme i anume:

modele orientate pe transport, care furnizeaz detalii considerabile despre distribuia spaial, dar includ o singur variabil de stare ecologic (un singur constituent poluant, conservativ sau nu) i

modele orientate pe ecologie, care admit sistemul ca o incint global cu amestec complet (repartiie uniform a diverselor proprieti), caracterizat prin multe variabile de stare/parametrii de calitate interdependente, dar care ignor total (sau trateaz foarte simplificat) transportul. La prima vedere pare relativ simplu s se dezvolte modele care s mbine particularitile celor dou tipuri extreme. ntr-adevr, utiliznd ecuaia de transport n legtur nu cu unul, ci succesiv, pentru mai muli constitueni i completnd-o cu diveri termeni de reacie i interaciuni, se pot obine MCA mai complexe. Dar att ecuaia de transport, ct i ecuaiile hidrodinamice care furnizeaz valorile parametrilor hidraulici necesari n ecuaia de transport (vitez, suprafaa seciunii vii, limea la suprafaa liber etc.) sunt ecuaii cu derivate pariale neliniare, care trebuie integrate simultan n timp i spaiu. Nivelul cunotinelor teoretice n privina fenomenelor hidrodinamice i de transport este suficient de ridicat i ele ofer o baz solid pentru modelarea matematic a acestor procese. Pe de alt parte, termenii de reacie (procesele de transformare ale constituenilor) inclui n ecuaia de transport, se refer la fenomene de natur chimic i biochimic, sau la procese fizice mai complicate (cum ar fi transferul de cldur la interfaa ap-aer), pentru care nu exist nc reprezentri teoretice profund justificate i general valabile. Aceasta face s apar necesar, pentru fiecare caz de studiu n parte, apelul la msurtori in situ i la alte observaii experimentale care s permit depistarea particularitilor locale (compoziia i rspunsul biomasei acvatice, interaciunile factorilor poluani cu sedimentele i ecosistemul etc.). i atunci devine fireasc ndoiala n ceea ce privete utilitatea final a unui MCA complex, care trateaz foarte minuios (i costisitor ca memorie/timp de calcul) procese binecunoscute, dar include i termeni despre care se tie foarte puin, ns al cror efect compromite plauzibilitatea rezultatelor obinute. n plus, structura acestor modele exclude practic aplicarea tehnicilor de estimare i identificare a parametrilor sau de testare a ipotezelor privind termenii de reacie i interaciunile din corpul de ap, ceea ce mpiedic nelegerea proceselor

11

chimice i biochimice i deci utilizarea eficient a modelului. Observaiile de mai sus au condus la concluzia (Somlyody, L., 1983) c nu este realist s se ncerce obinerea unor MCA cu valabilitate universal, ci pare indicat s se defineasc un cadru general pentru operaiunea de modelare n sine, iar n acest cadru, de la caz la caz, s se aleag sau s se elaboreze MCA cel mai adecvat pentru sistemul, problema i scopul n discuie. Referitor la cele dou tipuri extreme deja menionate, trebuie spus c, din punct de vedere matematic, modelele orientate pe transport revin la sisteme de ecuaii cu derivate pariale, neliniare, n timp ce modelele orientate pe ecologie sunt alctuite din sisteme de ecuaii difereniale ordinare. Aceast deosebire implic diferene eseniale att n ceea ce privete strategia de modelare, necesarul de date de intrare i interaciunea lor cu procesul de modelare, ct i n gradul de dificultate matematic, algoritmii numerici de rezolvare i costul obinerii soluiei. Etapele principale care trebuiesc parcurse n elaborarea unui MCA i interdependenele dintre ele, vor fi descrise n mod succint n cele ce urmeaz i sunt schematizate n diagrama din figura 1.1, inspirat de (Beck, M.B., 1982). Prima faz a oricrei proceduri de modelare va avea n vedere definirea sistemului (tronson de albie de ru, lac pe firul apei, lac de acumulare etc.), a problemei de interes (bilanul oxigenului dizolvat, regimul termic, eutrofizarea etc.) i a scopului n care va fi utilizat MCA (aprofundarea cunoaterii proceselor, prognoz, control, proiectare, management .a.). Odat aceste aspecte clarificate, se urmrete construirea unui MCA care s redea ct mai fidel posibil realitatea, n acord cu sistemul, problema i scopul propuse. Pentru aceasta se apeleaz la dou categorii de cunotine: pe de o parte cunotine teoretice, structurale, dobndite de echipa de cercettori n activitatea anterioar i, pe de alt parte, cunotine i informaii de natur experimental. Cunotinele teoretice necesare se refer la maniera de reprezentare matematic a diverselor procese fizice, chimice i biologice implicate i a interaciunilor dintre acestea, n baza legilor naturii (mai ales legi de conservare a masei, cantitii de micare, entalpiei, speciei chimice etc.) i a unor legi semiempirice universal acceptate. Aceast reprezentare matematic exhaustiv este constituit din sisteme de ecuaii cu derivate pariale, neliniare, coninnd o multitudine de parametri greu sau imposibil de evaluat/msurat, dar care, teoretic, ar descrie evoluia proceselor n regim nepermanent, pentru curgerea turbulent, tridimensional i innd seama de toate interaciunile constituenilor cu mediul acvatic nconjurtor. Dificultile de rezolvare a acestor ecuaii sub forma lor complet, sunt aproape de nedepit chiar cu tehnica actual de calcul i atunci, n acord cu natura problemei concrete supuse analizei, se caut reprezentri matematice aplicative, bazate pe schematizri simplificate, dar care s permit soluionarea ei efectiv.

12

Fig. 1.1. Schematizarea etapelor de realizare a unui MCA.

Aceste reprezentri aplicative pot fi gradual mai simple, ncepnd de la schematizri unidimensionale, cu procesele guvernate de ecuaii cu derivate pariale nelineare continund cu ecuaii cu derivate pariale linearizate i ajungnd chiar la schematizri de ordin zero, n care procesele sunt descrise de ecuaii difereniale ordinare. ndat ce s-a convenit asupra reprezentrii matematice adecvate, aceasta trebuie transpus ntr-o reprezentare numeric, prin algoritmi specifici fiecrei clase de probleme matematice. n cazul sistemelor de ecuaii cu derivate pariale se va apela fie la scheme n diferene finite (de tip explicit sau implicit), fie la metode integrale (ca metoda elementelor finite, metoda volumelor finite etc.).

13

n cazul sistemelor de ecuaii difereniale ordinare se vor utiliza fie metode directe de integrare (de tipul Runge-Kutta), fie metode indirecte (de tip predictor-corector). n sfrit, pentru modelele mai simple este posibil s se dispun i de soluii analitice. Pe baza reprezentrii numerice i a cunotinelor de informatic, se elaboreaz instrumentele/programele de calcul necesare obinerii soluiei. n ceea ce privete cunotinele experimentale, acestea se ntreptrund cu cele teoretice n procesul de elaborare al MCA. Chiar nainte de orice ncercare de reprezentare matematic, trebuie s se dispun de date msurate din sistemul fizic (sectorul de ru, lacul) pentru care se va elabora MCA. Aceste date permit s se aleag variabilele de stare a calitii reprezentative pentru sistem (oxigenul dizolvat, nutrieni, metale grele etc.) i s se estimeze ordinele de mrime ale variaiei lor temporale i respectiv n spaiu, n interiorul sistemului. Alte date necesare se refer la hidrologia sistemului, condiiile meteoclimatice locale, precum i la geomorfologia sectorului de albie/lacului analizat (geometria profilelor transversale, pante longitudinale, rugoziti, hri batimetrice etc.). Toate aceste date asigur ca sistemul fizic s fie reflectat n MCA i ajut la conceptualizarea problemei de rezolvat, la determinarea unei structuri prealabile a modelului i la alegerea tipului de schematizare adecvat. Alt categorie de informaii experimentale devine necesar pe msur ce avanseaz elaborarea MCA. Ele se obin prin experiene dirijate, colectarea i prelucrarea datelor, n vederea comparrii acestora cu rezultatele furnizate de model. Aceste noi date pot s conduc la schimbarea primei impresii asupra structurii modelului (ceea ce presupune reluarea reprezentrii matematice, a celei numerice, refacerea programelor etc). De asemenea, trebuie culese date care s permit estimarea valorilor parametrilor din model (viteze de reacie, coeficieni de dispersie, rugoziti .a.), n vederea calibrrii acestuia, iar n final date pentru validarea lui. Combinnd cele dou tipuri de cunotine, ntr-o succesiune de faze care pot s presupun i reveniri, este de ateptat s se obin un MCA adecvat sistemului i problemei, capabil s minimizeze erorile inerente pe care le implic att reprezentrile teoretice (idealizarea matematic a unei realiti extrem de complexe) sau numerice (erori de trunchiere/rotunjire), ct i achiziionarea datelor (erori de msur) sau prelucrarea lor (erori de estimare). O imagine asupra importanei relative a erorilor sau necunoaterii precise a valorilor unor parametri se poate forma printr-o analiz de senzitivitate a MCA. n figura 1.2 se rezum paii procedurii de modelare schiat mai sus.

14

Fig. 1.2. Rezumatul etapelor de modelare.

1.3. STRUCTURA LUCRRII

Cuprinsul lucrrii de fa s-a organizat n acord cu schematizarea din figura 1.1. Dei poate nu este cea mai inspirat alegere, avnd n vedere vastitatea i varietatea tematicilor legate de acest subiect a fost necesar s se adopte un criteriu de sistematizare a materialului. Msura n care s-a reuit aceasta rmne la aprecierea cititorului. Pe de alt parte, autorul este convins c lecturarea pe fragmente, doar sub titlurile care par s aib legtur cu o anumit problem de interes, nu va ajuta foarte mult la elucidarea ei complet, ci va lumina numai una/unele dintre faetele posibile. Din raiuni de spaiu, informaiile despre un aspect dat (de exemplu: cineticile de cretere, transferul de cldur la interfaa ap-aer etc.) se gsesc dispersate n mai multe capitole (unele n partea care descrie formularea matematic a procesului, altele n partea care indic valori experimentale obinute pentru parametrii din modelul procesului, altele n aplicaiile din capitolul despre calibrare/validare sau n problemele mai complexe din capitolul final). Pentru a uura orientarea cititorului, s-a considerat potrivit o scurt trecere n revist a coninutului lucrrii, pe capitole,

15

i o listare a exemplelor incluse n textul explicativ. Subiectele problemelor din capitolul final pot fi deduse prin lectura cuprinsului. Conform schematizrii din figura 1.1, n capitolul 2 se prezint unele elemente referitoare la ecologia apelor curgtoare (privite ca ecosisteme), n corelaie cu particularitile hidrologice, geomorfologice i climatice, dar i cu influenele antropice, nepoluante sau agresive la adresa mediului. Se enumer principalele caracteristici biologice ale apelor i clasificarea sistemelor acvatice n raport cu starea lor de poluare. n continuare se menioneaz unele aspecte eseniale privind poluanii i problemele de poluare generate, cum ar fi: natura poluanilor (bio sau nebiodegradabili, conservativi sau neconservativi, clasificare dup compoziie, provenien natural/artificial etc.); sursele de poluare (funcie de tipul de activitate, modul de descrcare n emisar .a.) i efectele induse n corpul de ap (maniera de manifestare, natura lor etc.). Sunt amintii principalii indicatori de calitate a apei reflectnd cele patru mari categorii de proprieti (fizice, chimice, radioactive i biologice) i se indic unele date statistice privind nivelul acestor indicatori n cazul surselor punctuale frecvent ntlnite (ape uzate menajere) i respectiv pentru sursele difuze (de natur agricol sau provenind din fondul natural). n final se comenteaz rolul modelelor de calitatea apei i particularitile acestora, funcie de scopul n care MCA se va utiliza ntr-o problem i pentru un ecosistem date. Capitolul 3 aparine ramurii din stnga a diagramei din figura 1.1, cea care se refer la cunotinele teoretice structurale necesare n faza de elaborare a MCA. n acest capitol sunt incluse elementele care stau la baza modelrii matematice a proceselor de transport n medii fluide, precum i a proceselor de transformare suferite de poluani n ecosistemele acvatice. Prima parte a capitolului introduce reprezentrile matematice cele mai complexe, pentru a oferi imaginea nivelului teoretic la care se pot formula astzi problemele respective. n acest sens, referitor la procesele de transport se menioneaz ecuaiile generale de conservare (sub form integral i diferenial) pentru o entitate fizic scalar/vectorial i particularizrile lor pentru diverse entiti de interes (mas de specie chimic, entalpie, cantitate de micare etc.), n cazul micrii laminare i respectiv n regim turbulent, tridimensional i nepermanent. Se indic manierele de modelare a fluxurilor turbulente i consecinele adopt-rii lor. n ceea ce privete modelarea proceselor de transformare, s-au exemplificat variantele adoptate astzi pentru trei categorii i anume: cinetici de cretere (cu includerea efectului limitativ al neabundenei factorilor de influen); reacii fizico-chimice din interiorul corpului de ap (de tipul proceselor de adsorbie-desorbie .a.) i procese de transfer la interfaa ap-atmosfer (schimb termic, volatilizare etc.). Partea a doua a acestui capitol explic i ilustreaz maniera n care, pornind de la aceast reprezentare matematic exhaustiv dar prea complex, se pot obine reprezentri matematice mai simple, destinate rezolvrii efective, cu date i mijloace informaionale rezonabile, a problemelor concrete

16

ridicate de practica operaional din domeniu. Se comenteaz ipotezele posibile de schematizare geometric a ecosistemelor acvatice (cu implicaiile asociate), precum i aspectele referitoare la scara temporal a proceselor. n continuare se prezint calea de obinere a modelelor bidimensionale pentru ecuaia conveciei-difuziei i se fac referiri la exemple simple de utilizare. Reprezentrile aplicative n schematizarea unidimensional sunt ilustrate prin aplicaii enunate succint, dar care se regsesc aproape toate n capitolul 8. Aceste aplicaii difer prin problema de poluare considerat i prin scopul MCA. Ele introduc simplificri graduale, ncepnd de la probleme n regim hidraulic nepermanent (descrise de un sistem de ecuaii cu derivate pariale, neliniare, de tip hiperbolic i parabolic), continund cu situaii de regim hidraulic permanent, gradual-variat (ecuaii cu derivate pariale, neliniare), apoi cu regim hidraulic uniform i linearizarea ecuaiei conveciei-difuziei i terminnd cu modele n care att regimul hidraulic, ct i evoluia poluanilor sunt descrise de ecuaii difereniale ordinare. Finalul capitolului este dedicat reprezentrilor aplicative prin modele de ordin zero, care apeleaz la schematizarea conceptual de tipul bazinului de reacie cu amestecare continu (BRAC). Sunt prezentate rspunsurile sistemului la diferite tipuri de sarcini de poluant (hidrografe de debit masic poluant afluent) i se explic maniera de adaptare a modelului pentru a descrie evoluia poluanilor n lungul albiilor, pe ruri i canale. n capitolul 4 sunt descrise reprezentrile numerice care permit transpunerea modelelor matematice aplicative n instrumente informatice (programe de calcul), capabile s rezolve efectiv problemele. Dac la reprezentarea teoretic din capitolul anterior s-a considerat util ca lucrurile s fie prezentate de la forma cea mai dezvoltat, ctre formulri gradual mai simplificate (aceasta oferind imaginea contextului i consecinelor ipotezelor necesar a fi fcute pentru adoptarea unui model de un anumit nivel de complexitate), n capitolul 4 s-a ales ordinea invers, de la reprezentrile numerice simple, spre cele mai complicate. n acest sens sunt indicate diverse forme particulare ale ecuaiei conveciei-difuziei i condiiilor iniiale i la limite, forme pentru care sunt posibile soluii analitice, att n situaiile de curgere la numere Peclet mari (dominant advective), ct i pentru curgeri convectiv-difuzive (la numere Peclet moderate). Modelul Streeter-Phelps este prezentat sub forma cea mai dezvoltat n care poate fi utilizat pentru aplicaii practice privind bilanul oxigenului dizolvat pe albii. n continuare sunt detaliate metodele numerice frecvent utilizate pentru integrarea ecuaiilor i sistemelor de ecuaii difereniale ordinare, de ordinul nti, cu condiii iniiale. Majoritatea MCA orientate pe ecologie sunt alctuite din astfel de ecuaii, care redau evoluia n timp a variabilelor de stare (parametrii de calitate a apei) din ecosistemul acvatic analizat. Se descriu att metodele directe de integrare numeric (de tip Euler i Runge-Kutta), ct i unele metode indirecte, de tip predictor-corector. n sfrit, tratarea numeric a ecuaiei conveciei-difuziei (ecuaie cu derivate pariale, de

17

tip parabolic, adesea nelinear) este dezvoltat pe larg. Schemelor n diferene finite (de tip explicit i respectiv implicit) li s-a alocat un spaiu mai restrns, deoarece despre acestea se gsesc referiri mai multe n literatura de specialitate. n schimb, metoda volumelor finite (din categoria metodelor integrale) este prezentat foarte n detaliu, avnd n vedere utilitatea ei pentru integrarea ecuaiilor de tip parabolic. Dei cursurile de ap sunt schematizate de regul ca sisteme unidimensionale, ntre problemele din capitolul 8 se gsete o aplicaie a metodei volumelor finite pentru cazul curgerii bidimensionale. Trecnd la ramura din dreapta a diagramei din figura 1.1, cea referitoare la cunotinele de natur experimental utilizate n modelare, se menioneaz faptul c lucrarea de fa este orientat spre modelarea matematic a proceselor. Din aceast cauz, ea nu conine referiri la metode, mijloace i instrumente de msur folosite n cercetarea experimental din domeniu. Coninutul capitolelor 5 i 6 s-a gndit n acord cu aceast viziune. Astfel, n capitolul 5 s-au sintetizat date experimentale i corelaii deduse ntre diveri parametri, aa cum se gsesc ele raportate n diverse lucrri de specialitate. De asemenea, se prezint numeroase exemple de utilizare a acestor date i corelaii n cadrul modelelor de calitate a apei. Referitor la dispersia i amestecul poluanilor pe albii, sunt indicate numeroase rezultate experimentale i corelaii obinute prin prelucrarea lor (att pentru coeficientul de dispersie longitudinal, ct i pentru dispersia lateral), n legtur cu parametrii geometrici i hidraulici ai curentului. Pentru oxigenul dizolvat sunt redate relaii de calcul a concentraiei la saturaie n ap, iar apoi se detaliaz aspectele experimentale rezultate din analiza surselor i a puurilor (consumatorilor) de oxigen din corpul de ap, cum ar fi: reoxigenarea natural i factorii care o influeneaz; consumul de oxigen n faza carbonului, n faza azotului i respectiv consumul bental i, n sfrit, aportul/consumul de oxigen dizolvat prin activitatea algal. n ceea ce privete transferul de cldur ap-atmosfer, se indic formule i grafice pentru determinarea radiaiei solare incidente pe cer senin. Deoarece una dintre consecinele polurii termice este sporirea umiditii aerului i favorizarea condiiilor de apariie a ceei de evaporaie, se descrie modul n care corelaiile obinute pe cale experimental pot fi utilizate pentru evaluarea acestor situaii. Dei n contextul enunat pentru acest capitol pare puin deplasat, s-a considerat util s se ataeze aici i unele elemente de natur experimental i aspecte de modelare, referitoare la subiecte mai puin dezvoltate n unele lucrri cu specific tehnic, cum ar fi agenii patogeni i probleme de chimismul apei (modelarea distribuiei n spaiu i timp a coliformilor, innd seama de interaciunea cu sedimentele i factorii de mediu care le influeneaz viteza de dispariie; determinarea numeric a concentraiilor de specii chimice n soluii la echilibru i utilizarea noiunii de echilibru local n modelare, calculul pH-ului i componentelor sistemului carbonailor n apele curgtoare etc.).

18

Capitolul 6 rezum cteva aspecte care privesc relaia dintre datele experimentale i procesul de calibrare, validare i postaudit a modelelor de calitatea apei. Se subliniaz importana analizei de senzitivitate pentru depistarea parametrilor cu influen decisiv asupra evoluiei proceselor din sistem i se exemplific maniere de realizare a acestei analize, prin metode mai simple (de ordinul nti), i prin metoda Monte Carlo (de tip probabilist). Se menioneaz unele criterii simple de evaluare a calitii prediciilor MCA i se ilustreaz maniera de utilizare a acestor criterii la calibrarea modelelor, fie prin metoda celor mai mici ptrate, nelinear (exemplificat n cazul parametrilor cineticii de tip Monod), fie prin metode mai laborioase implicnd un algoritm de optimizare (exemplificat n cazul reaciilor dintre constitueni, n regim dinamic de poluare a unei incinte lacustre). Urmnd structura din diagrama 1.1, ultimele dou capitole (7 i 8) sunt orientate spre aspectele cele mai n vog la ora actual n domeniu (cap. 7) i respectiv spre unele aplicaii mai complexe care pot reprezenta exemple de utilizare a MCA n probleme de interes practic (cap. 8). Capitolul 7 prezint elementele de baz referitoare la eutrofizarea apelor de suprafa i respectiv la evoluia contaminanilor n corpurile de ap, subiecte intrate n atenia specialitilor ncepnd cu anii 1970. Avnd n vedere impactul mai puternic i localizarea spaial clar a procesului de eutrofizare n cazul incintelor stagnante de ap, se detaliaz unele modele simple (global sau bistrat) de simulare a proceselor n lacuri tranzitate de debite relativ reduse. n continuare se explic particularitile de tratare pentru cazul apelor curgtoare i se descriu trsturile principale ale modelului QUAL2E, unul dintre modelele cu larg rspndire pe plan mondial. Spre deosebire de poluarea organic sau cu substane coninnd azot i fosfor (care face parte din categoria proceselor de poluare convenional), n cazul polurii cu substane toxice, acestea nu intr n procese de transformare natural succesiv la care particip componentele lanului trofic, ci ele agreseaz fauna i flora acvatic. Cele de natur organic dispar din corpul de ap prin splare, volatilizare, fotoliz, hidroliz etc. dar, ca i cele anorganice (metale grele, radionuclizi), sunt adsorbite/desorbite de ctre sedimente i se acumuleaz n organismele vii. n special interaciunea cu sedimentele i acumularea n lanul trofic, fac ca efectele lor negative s se manifeste n timp, chiar dup ncetarea episodului de poluare propriu-zis. n sfrit, capitolul 8 reunete o serie de probleme enunate i rezolvate complet. Aceste probleme ilustreaz fie metode matematice specifice de rezolvare (integrarea sistemelor de ecuaii difereniale ordinare, scheme implicite n diferene finite pentru integrarea ecuaiei cu derivate pariale, nelinear, de tip parabolic, metoda volumelor finite pentru cazul uni- i bidimensional .a.), fie aspecte de poluare diferite (poluare termic, poluare organic, contaminare cu PCB, interaciunea nutrient-fitoplancton-zooplancton etc.), fie variante de modelare matematic a proceselor (schematizarea bi-, uni-

19

sau zero dimensional, regim hidrauluic nepermanent, permanent, gradual-variat sau uniform etc.). Programele de calcul pot reprezenta surs de inspiraie pentru cei interesai n construirea unor instrumente informatice de rezolvare a modelelor de calitate a apei. Caracterul didactic al lucrrii a impus ca aceste programe s ilustreze, fiecare, maniera de abordare a cte unei chestiuni specifice (tratarea ecuaiilor nelineare; cazul regimului hidraulic permanent, gradual-variat; modelarea interaciunii cu sedimentele etc.). Din acest motiv, ele nu pot fi folosite ca atare dect pentru probleme absolut similare. Cumularea informaiilor i asamblarea lor ntr-un produs informatic de utilitate mai general va rmne desigur n sarcina cititorului.

20

2

ASPECTE DE ECOLOGIE I POLUAREA APELOR CURGTOARE

n cadrul acestui capitol se prezint o seria de aspecte generale referitoare la ecologia i calitatea apelor curgtoare, aspecte care trebuie cunoscute i avute n vedere la precizarea caracteristicilor unui sistem fizic dat (tronson de albie, lac etc.), n care a aprut (sau va apare) o problem de poluare ce urmeaz a fi definit i modelat (ca tip, surse, consecine .a.), n scopul: limitrii impactului negativ general (la faza de proiectare), al urmririi i controlului (n faza de operare curent a sistemului), al elaborrii prognozelor de evoluie viitoare, al managementului cantitativ i calitativ al resurselor etc. Dup cum se cunoate, influena parametrilor fizici ai mediului asupra dispunerii i evoluiei poluanilor n emisari este diferit de la caz la caz, att funcie de caracteristicile receptorului, ct i funcie de natura poluanilor. Parametrii fizici determin tipul proceselor hidrodinamice dominante. n cazul sistemelor sector de albie natural/canal, procesele hidrodinamice influeneaz soarta poluanilor n principal prin transportul advectiv asociat cu deplasarea maselor de ap i unde este foarte important distribuia vitezei n seciune transversal i n lungul albiei. Dimpotriv, n cazul sistemelor de tip lac, procesele hidrodinamice determin evoluia poluanilor mai ales prin transportul difuziv i dispersiv asociat cu procese de amestec i influenat de caracteristicile de turbulen ale corpului de ap. Alte interaciuni de natur fizico-mecanic se refer la aluviunile n suspensie, sedimentarea i repunerea n curent a materialului solid, toate acestea influennd distribuia anumitor sorturi de poluani. n primul volum al lucrrii s-au prezentat suficient de multe elemente privind modelarea proceselor hidrodinamice pe ruri i canale, fr sau n interaciune cu patul mobil al albiei. Dar pe lng aceste procese, n ecosistemele acvatice se desfoar o multitudine de procese chimice, biochimice i biologice care sunt afectate i respectiv afecteaz comportarea constituenilor poluani. Paragraful urmtor prezint unele aspecte referitoare la ecologia apelor curgtoare, n corelaie cu problemele polurii. n continuare se dau detalii asupra naturii poluanilor, surselor care i genereaz i efectelor pe care acetia le induc. Sunt trecui n

21

revist principalii indicatori de calitate ai apei (monitorizai n activitatea operaional curent) n legtur cu proprietile fizice, chimice, radioactive i biologice ale apelor. Un scurt paragraf listeaz cteva date statistice din literatur privind compoziia apelor uzate menajere (ca principal surs punctual de poluare) i respectiv producia de poluani pe bazinul hidrografic (ca surs difuz), funcie de utilizarea terenului. n final se evoc aspecte despre utilizarea MCA, clasificarea i particularitile tipurilor de MCA, precum i despre realizarea modelelor integrate, pentru managementul cantitativ i calitativ la nivel de bazin hidrografic.

2.1. ELEMENTE DE ECOLOGIA APELOR CURGTOARE I EFECTELE POLURII

Dup Larousse (1993) ecologia este o parte a biologiei care studiaz raporturile fiinelor vii cu mediul natural. Prin ecosistem se nelege unitatea funcional constituit din biotop i biocenoz. n cazul ecosistemelor acvatice, biotopul (mediul de via) este reprezentat de ansamblul factorilor ecologici abiotici (fr via) i biotici care caracterizeaz mediul (sectorul de ru, lacul etc) unde triete biocenoza. Biocenoza este format din ansamblul de fiine vii grupate prin atracia nereciproc pe care o exercit asupra lor factorii de mediu (Mihilescu, M., 1995). Un ru ideal curge rapid din zona montan, peste roci i bolovani, spre zona mai joas de deal unde curentul este nc suficient de puternic pentru a eroda nisipul i pietrele mici, formndu-i un pat de pietri. Ajungnd n zona de es, viteza apei se reduce i permite sedimentarea aluviunilor n suspensie, iar rul se lrgete i are tendina de meandrare. Majoritatea apelor curgtoare nu respect ns aceast schematizare, unele din cauza lungimii reduse dintre izvor i vrsare, altele datorit neregularitilor geomorfologice de pe traseul lor. Aceste neregulariti fac s alterneze sectoarele rapide, cu tronsoane de curgere lent care includ i zone cu meandre i ap moart de adncimi reduse. Dei s-au propus diverse sisteme de clasificare pentru a descrie sectoarele de albie ale unui curs de ap (fie dup populaia piscicol, fie dup flora acvatic riveran, fie lund n consideraie parametrii fizici ca debitul, tipul aluviunilor din pat, temperatura apei .a.) nici unul dintre acestea nu este complet relevant deoarece fiecare ru are particularitile sale unice, variabile nu numai n lungul su, dar i pentru tronsoane de ruri vecine, plasate n acelai context geografic. Ignornd orice alte considerente, condiiile locale (biotopul local) determin biocenoza (animalele i plantele) care populeaz un anumit sector dintr-un curs de ap dat. Pe lng poziia geografic, factorii care influeneaz decisiv

22

speciile faunei acvatice dintr-un anumit tronson sunt: viteza curentului, natura substratului, tipul de vegetaie, temperatura, oxigenul dizolvat, cantitatea de ml aluvionar i duritatea apei. Chiar dac ar exista condiii fizico-chimice de mediu absolut identice (habitate similare) n dou amplasamente diferite, arealul geografic al diverselor specii este limitat, iar ansa de a regsi aceleai populaii n cele dou zone este practic foarte redus. Caracterul dinamic al apelor curgtoare, reflectat prin variaia debitelor, vitezelor i adncimilor curentului, contribuie la apariia a numeroase habitate (biotopuri), diferite prin caracteristicile hidrodinamice, de substrat aluvionar i chimice. Plantele i animalele care triesc n zonele de curgere rapid, cu fund stncos, sunt special adaptate pentru a supravieui n aceste condiii (alge ataate la pat, peti cu profil hidrodinamic adecvat pentru not contra unor cureni rapizi .a.). n zonele cu turbulen i vitez mai reduse, dac exist condiii de fund favorabile, pot s se dezvolte plante acvatice cu rdcini i peti de talie mai mare. Depozitele de aluviuni de pe cursurile inferioare (nisip fin, ml, argil) i turbiditatea sporit a apei, creaz condiii pentru o faun similar celei de lac (viermi, scoici etc i peti ca somnul, crapul .a. care se hrnesc i cu organisme bentale). Sub aspectele menionate, diversele biotopuri din apele curgtoare se pot mpri, n mare, n urmtoarele categorii:

biotop de pru, cu pant mare, viteze apreciabile, aerare foarte puternic, debit redus, transparen bun, temperatur joas;

biotop de ru, cu pante i viteze mai reduse, existena meandrelor i zonelor de ap moart, transparen i aerare mai sczute, temperatur mai ridicat dar cu variaii anotimpuale mari;

biotop de fluviu, la debite mari dar viteze sczute, cu oxigen dizolvat puin, turbiditate ridicat, temperaturi mari, i avnd particulariti diferite n albiile minor, respectiv major.

Variaiile sezoniere ale regimului hidrologic, specifice apelor curgtoare din climatul temperat, pot s induc variaii dramatice ale condiiilor de mediu i s creeze biotopuri instabile, n modificare continu. Viiturile puternice pot transforma un mic pru ntr-un torent de noroi care spal tot ce ntlnete n cale i distruge habitatele anterior constituite. Pe de alt parte, perioadele de secet acut reduc debitele/adncimea apei i pun pe uscat flora sau chiar fauna acvatic sau conduc la suprapopularea zonelor de ap nc active. Intervenia omului prin lucrri de amenajare cu baraje i regularizri de albii provoac modificarea habitatelor naturale. Mai grave dect acestea sunt ns efectele produse prin utilizarea apelor ca receptori de reziduuri din activitatea social-economic. Dac poluarea indus de om nu depete anumite limite suportabile de ctre natur, atunci ea provoac doar schimbarea tipului preexistent de habitat, ntr-un alt tip, mai mult sau mai puin natural, dar nu anormal sau periculos. n caz contrar ns, att apa n sine, ct i ecosistemul

23

acvatic i pierd calitile naturale i devin inutilizabil, respectiv o malformaie ambiental. n mod obinuit exist patru categorii mari de probleme care perturb acest echilibru natural i atrag atenia specialitilor din domeniu i anume:

creterea turbiditii apei din cauza eroziunilor naturale (n perioadele de viituri) sau ca efect al construciilor riverane, preparaiilor miniere, industriei forestiere etc.;

deversarea de ape uzate menajere insuficient tratate, conducnd la poluare organic i reducerea nivelului de oxigen dizolvat sub limitele acceptabile pentru biomasa acvatic;

mbogirea artificial cu nutrieni (prin splarea ngrmintelor agricole sau din alte surse), care stimuleaz procesul de nmulire excesiv a florei acvatice (eutrofizarea);

deversarea substanelor toxice provenite din diverse activiti industriale. Desigur c la acestea se pot aduga i alte forme specifice (cum ar fi poluarea cu energie termic rezidual) care sunt capabile s modifice total sau chiar s distrug habitatele naturale.

2.1.1. COMUNITI ACVATICE I PRODUCTIVITATEA LOR

nsi existena, dar i structura, gradul de dezvoltare i populaiile speciilor ce alctuiesc o biocenoz (comunitate acvatic), depind de interrelaiile dintre grupurile de faun i flor, precum i de fluxurile energetice i nutritive (care la rndul lor sunt legate de caracteristicile fizice i chimice ale biotopului). Aceste interdependene sunt mai comod de explicat dac se au n vedere tipurile de activiti desfurate de fiecare specie pentru a-i asigura hrana i, din acest punct de vedere, sistemul ecologic al unui sector de ru se poate schematiza ca n figura 2.1 (Lebreton, J.C., 1974). n mod tradiional, se pot distinge patru componente majore ale acestui sistem:

1. Substratul: substane chimice (oxigen, amoniac, dioxid de carbon etc) i materie organic, adic toate substanele nutritive care servesc ca substrat i hran pentru microorganismele responsabile de epurarea biologic.

2. Productorii: organisme vii, capabile s se dezvolte (nmulire i cretere) sintetiznd substane chimice simple (nutrieni) n prezena radiaiei solare ca surs de energie. Acest prim nivel din lanul trofic include algele cu clorofil, plantele ataate sau plutitoare i bacteriile fotosintetizatoare.

3. Consumatorii de toate ordinele, sunt incapabili de a realiza fotosinteza i depind direct sau indirect de productorii din nivelul inferior. Consumatorii de ordinul nti sunt cele mai mici animale ierbivore sau chiar peti, broate etc.

24

Fig. 2.1. Componentele sistemului ecologic al unui corp de ap.

Acestea servesc ca hran consumatorilor de ordin superior (carnivori). O enumerare sumar ar cuprinde: protozoare i crustaceelarve de insecte, viermi insectepeti i prdtori de ordin superior (avnd omul la captul acestui lan). 4. Descompuntorii reprezentai de bacteriile heterotrofe i fungi care utilizeaz materia organic a plantelor i animalelor moarte ca surs de hran pentru cretere i reproducere. Deeurile acestei activiti sunt nutrieni anorganici (substane chimice simple) care reintr n sistem pentru a fi sintetizai de productori .a.m.d. Organismele vii (plante, animale, microorganisme de diverse tipuri) alctuind biocenoza unui ecosistem acvatic dat, sunt adeseori reprezentate sub forma piramidei biomasei, organizat pe nivele, de la productori primari (la baz) spre prdtorii de ordinul cel mai ridicat (n vrf). Un exemplu preluat din (Hammer, M.J., .a., 1981) este redat n figura 2.2. Legturile de nutriie dintre organismele plasate la nivele diferite n piramida biomasei se numesc lanuri/cicluri trofice. Ele reprezint ci de circulaie i transformare a materiei n cadrul ecosistemului, fr a fi ns nici pe departe legturi simple, unidirecionale i bine definite ci, mai degrab, o ncrengtur de relaii cu reacie invers.

25

Fig. 2.2. Exemplu de piramid a biomasei ntr-un ecosistem acvatic.

ntr-o clasificare mai detaliat, lanurile trofice pot fi:

principale, formate ntre speciile dominante din sistem, cu rol esenial n transformarea materiei i energiei, avnd o stabilitate mai mare, prin autoreglarea eficient a strii biocenozei;

secundare, cauzate mai ales de modificrile ambientale, avnd stabilitate mai redus, dar putnd deveni principale sau singurele existente cnd modificrile persist i sunt prea intense.

Principiile de baz ale teoriei ciclurilor trofice afirm c ntr-un biotop dat:

26

numrul de specii este cu att mai mare, iar al indivizilor din fiecare specie, cu att mai mic, cu ct condiiile de mediu sunt mai variate i mai apropiate de normal i respectiv,

numrul speciilor scade, iar al indivizilor crete odat cu ndeprtarea de la condiiile naturale (Mihilescu, M., 1995).

Pe de alt parte, varietatea i densitatea consumatorilor depinde de productivitatea primar a rului, definit ca rata/viteza produciei de materie organic prin fotosintez, pe unitatea de suprafa a patului albiei. Cantitatea de biomas (greutate uscat) constatat prin msurtori la cele

patru nivele trofice din figura 2.2 ntr-un ru din SUA, se cifreaz la 870 g m

pentru productorii primari; circa 40 g m la nivelul primilor consumatori

(insecte, molute, broate estoase, unii peti ierbivori), n jur de 12 g m la

nivelul consumatorilor secundari (unii peti carnivori i alte animale mici) i

respectiv doar circa 2 la prdtorii de ordin superior (tiuc .a.).

2 2

2

g m 2 Declinul drastic al greutii biomasei la nivelele superioare se datoreaz transferului energetic ineficient. Pentru a transforma hrana n materie incorporat proprie, animalele consum o mare cantitate de energie sub form de cldur, pentru micare i respiraie. n plus, o mare parte din componentele nivelelor inferioare dispar prin deces i descompunere, n loc s alimenteze consumatori de ordin superior. Trebuie menionat i faptul c la fiecare nivel al lanului trofic apare fie o producie, fie un consum de oxigen dizolvat. Producia este realizat de flora cu clorofil, pe parcursul fotoperioadei zilnice, n timp ce consumul se nregistreaz la toate nivelele, n perioada de respiraie a plantelor. Tipurile de biocenoze sunt asociate cu biotopurile i ele difer foarte mult ca diversitate de specii i numr de indivizi. n general, cursurile de ap lente favorizeaz nmulirea numrului de specii, att prin substratul (detritus organic, ml etc.) mai bogat, ct i prin viteza redus a curentului. Unele aspecte referitoare la ecologia lacurilor vor fi prezentate n capitolul 7, legat de procesul de eutrofizare.

2.1.2. CARACTERISTICILE BIOLOGICE ALE APELOR I POLUAREA

Urmrirea biomasei acvatice a devenit o operaiune curent i de mare importan n evaluarea strii ecologice a corpurilor de ap. Delimitarea rurilor curate sau poluate se realizeaz cu ajutorul unui sistem de ecologie saprobic (Negulescu, M., 1985), caracterizat prin speciile de organisme existente n sistem i de cantitatea de substrat organic aflat la dispoziia lor. Cunoaterea speciilor din sistemul saprobic i respectiv a celor dintr-un ecosistem acvatic

27

supus analizei, permite s se evalueze gradul de poluare al rului, deoarece diveri parametri de calitate a apei corespund la tipuri diferite de organisme i pot s ofere informaii asupra intensitii procesului de autoepurare. n mare sistemul de ecologie saprobic specific trei categorii distincte, caracterizate prin biocenoze i reflectnd grade de poluare dup cum urmeaz:

tipul polisaprobic, caracteristic apelor intens poluate organic, unde numrul de specii este foarte redus, cu excepia bacteriilor (Zooglea ramigera, Sphaerotilus natans, Beggiatoa alba .a.);

tipurile mezosaprobic i . n zona procesul de purificare natural rmne mai mult sau mai puin dominant, dar apare i oxidarea la care iau parte unele organisme cu clorofil. Condiiile sunt asemntoare celor din apele reziduale diluate sau efluenii tratai insuficient, cu procesele de oxidare avnd loc la limita dintre condiiile aerobe i anaerobe. Numrul bacteriilor rmne apreciabil, dar apar i alge albastre i verzi, viermi, rotiferi, protozoare etc. n zona se realizeaz mineralizarea, iar numrul speciilor se mbogete cu diverse alge filamentoase, diatomee, crustacee, larve de insecte .a.;

tipul oligosaprobic, este specific apelor practic curate, unde s-a terminat mineralizarea substanelor organice. Oxigenul dizolvat ajunge la saturaie, iar din punct de vedere biologic exist puine bacterii, ns un numr mare de protozoare, rotiferi, scoici, melci, viermi, larve etc. care servesc ca hran pentru diverse specii de peti.

Observarea viruilor, fagilor i bacteriilor se realizeaz direct la microscop sau urmrind comportarea lor n diverse culturi. Speciile mai mari, de alge, protozoare, rotiferi, larve de insecte, viermi, scoici etc. se depisteaz fie direct fie la microscop. n funcie de activitatea lor, microorganismele sunt: banale (inofensive); utile (bacteriile heterotrofe care particip la procesul de autopurificare) i periculoase (care pot s reziste n apele reziduale, iar apoi, ajunse n curent, transmit boli). Prezena coliformilor n ap indic poluarea cu fecale de origine animal/uman, potenial periculoas prin agenii patogeni care pot s-o nsoeasc (virui ai febrei tifoide, dizenteriei, holerei etc.). Dei bacteriile i viruii existeni n ap fac parte din sistemul biotic al emisarului, se obinuiete ca informaiile despre acestea s fie grupate separat, n ceea ce se numesc caracteristicile bacteriologice ale ecosistemului (tocmai din cauza efectelor periculoase pentru sntate pe care pot s le reflecte). Pe de alt parte, absena organismelor vii din ap este un indiciu pentru o eventual poluare cu substane toxice. Chiar dac reducerea oxigenului dizolvat este considerat de obicei ca foarte grav, prezena substanelor toxice este mult mai periculoas pentru biocenoza corpului de ap. n aval de punctul de deversare, uneori pe distane apreciabile, fauna i flora acvatic se reduc drastic,

28

rencepnd s apar ncet, n numr mic i cu diversitate limitat acolo unde concentraiile de toxine s-au micorat suficient prin diluie i alte procese. Reacia algelor i a vieuitoarelor la substanele toxice este foarte diferit, ceea ce perturb revenirea la condiiile naturale. De exemplu, algele (mai rezistente) se dezvolt mai rapid dect consumatorii lor (mai sensibili), iar revenirea sistemului la o stare de echilibru are loc la alte nivele dect cele naturale. n plus, impactul negativ al toxinelor poate fi amplificat de unele condiii ambientale. De exemplu, la o concentraie dat de toxine, creterea temperaturii apei cu 10oC reduce la jumtate timpul de supravieuire al petilor, deci substanele toxice devin mai letale n sezonul cald. Alte substane sporesc mortalitatea odat cu reducerea concentraiei de oxigen dizolvat. Concentraia de ioni de hidrogen din ap (pH-ul) este tolerat de organisme doar la valori ntre aproximativ 5 i 9, n afara acestui domeniu devenind periculoas. n schimb, ntre aceste limite, aciditatea sau alcalinitatea apei accentueaz toxicitatea unor substane (de exemplu cianuri i respectiv amoniac). Materiile solide inerte afecteaz densitile de populaii i numrul speciilor. Cele aflate n suspensie, mresc turbiditatea apei, reduc accesul luminii i mpiedic dezvoltarea plantelor. Materiile sedimentabile altereaz vegetaia de fund i biomasa bental, provocnd modificarea biocenozei naturale. Dac acestea acoper oule depuse de peti mpiedicnd accesul oxigenului, reproducerea petilor este stopat prin asfixiere. Poluarea organic se manifest diferit n zona din vecintatea efluentului de ape uzate i respectiv pe tronsoanele din aval de acesta. Dac tratarea eflentului este neadecvat i diluia lui n emisar prea redus, zona de deversare este compromis ecologic prin dispariia majoritii speciilor de faun i flor, cu excepia bacteriilor, protozoarelor, fungilor care creaz colonii de culoare alb i brun pe obiectele solide i chiar pe patul albiei. Locul nevertebratelor este luat de viermi i alte specii care formeaz o faun de poluare, nespecific rului n condiii naturale. Petii obinuii migreaz sau mor i nu se mai regsesc dect n tronsoane deprtate din aval, unde condiiile naturale ncep s se refac. Populaiile de alge se reduc sau dispar, dar dac efluentul conine nutrieni ele se pot reface n alte structuri, dezvoltndu-se exagerat n funcie i de condiiile climatice sezoniere. Mai departe spre aval, n ape relativ curate, masa algal este inut sub control de consumatori, dar n perioadele calde, cu debite/viteze reduse, cnd temperatura este apropiat de cea optim pentru dezvoltarea algelor albastre i verzi, acestea pot s creasc exploziv, consumnd mult oxigen n perioada de respiraie, genernd mirosuri neplcute prin putrezire etc. n sfrit, regimul termic (natural sau artificial) joac un rol foarte important n evoluia ecosistemelor acvatice. n condiii naturale, populaiile acvatice se adapteaz la variaiile de temperatur diurne i sezoniere, specifice zonei geografice, condiiilor hidrologice etc. ale rului. Excesul de temperatur introdus artificial prin debitele de rcire ale centralelor electrice poate s

29

afecteze profund biocenoza natural i uneori n moduri neateptate. Apa mai cald favorizeaz evoluia timpurie a larvelor de insecte, dar acestea din urm odat aprute sunt inhibate de temperatura sczut a aerului (n sezonul de primvar). Petii sunt stimulai n sezonul rece, au nevoie de hran dar nu o gsesc n cantiti suficiente deoarece productorii primari (algele) nu au o fotoperioad zilnic adecvat pentru dezvoltarea n acelai ritm cu necesitile consumatorului .a.m.d. n mod normal, la temperaturi ale apei peste 40oC majoritatea fiinelor vii dispar din apele de suprafa. Aceast constatare a impus ca, n cele mai multe ri, excesul maxim de temperatur permis s nu depeasc 5oC fa de temperatura natural a rului.

2.2. ASUPRA POLUANILOR I PROBLEMELOR DE POLUARE

n paragraful anterior s-a prezentat deja o clasificare a categoriilor mari de probleme aflate n atenia specialitilor: turbiditatea, nivelul oxigenului dizolvat, excesul de nutrieni i substanele toxice. Desigur ns c aceast clasificare nu este complet edificatoare, fie din cauz c unele sorturi de poluare nu-i gsesc locul n ea (ca poluarea termic, de exemplu), fie c, n majoritatea cazurilor, analizele de impact asupra mediului presupun studiul unei combinaii de cauze/efecte care, mpreun, alctuiesc problema de poluare (eutrofizarea nu poate fi considerat singur i rupt de nivelul oxigenului dizolvat, de regimul termic etc.). n fapt, definirea problemei de poluare supus modelrii trebuie s in cont de natura poluanilor, sursele care i genereaz i efectele induse de ei.

2.2.1. NATURA POLUANILOR

Referitor la natura poluanilor din punctul de vedere al interaciunii cu ecosistemele, acetia se mpart n biodegradabili i nebiodegradabili. La rndul lor, poluanii nedegradabili prin procese biologice pot fi mprii n conservativi i neconservativi.

Substanele conservative sunt acelea care nu-i schimb caracteristicile/sta-rea chimic sau i-o schimb insesizabil pe parcursul duratei de retenie ntr-un ecosistem dat. Cel mai adesea diluia i dispersia n emisar reprezint mijlocul cel mai economic de evitare a polurii, dar este posibil ca diferite scheme de reciclare, tehnologii de producie mai bune etc., s minimizeze cantitile de astfel de substane ajunse n apele uzate.

Substanele neconservative sunt descompuse, sorbite, sedimentate etc. prin procese naturale (fizice, chimice, biochimice) n cursurile de ap. Un exemplu

30

ar fi radionuclizii care, pe lng procesul de dezintegrare natural, sunt sorbii pe sedimente i flora acvatic i se pot astfel acumula n lanul trofic, pot fi repui n suspensie la schimbarea condiiilor hidrologice etc. La fel, poluarea termic poate fi ncadrat n aceast categorie, cedarea de cldur la interfaa ap-aer conducnd la reducerea nivelului termic al receptorului.

Substanele biodegradabile sunt evident neconservative i ele pot fi rapid oxidate, reinute, descompuse etc., fie n instalaiile de tratare, fie n cursurile de ap, prin procese fizico-chimice sau biologice. Aa sunt materiile organice uor biodegradabile coninute n apele uzate menajere i din industria alimentar. Substanele poluante apar sub form solid, lichid sau gazoas, n stare de suspensie, coloidal sau dizolvat. Cele n suspensie sau coloidale pot fi eliminate n instalaii de tratare. Lucrarea de fa are n vedere n principal modelarea evoluiei poluanilor dizolvai n masa de ap. O alt clasificare frecvent ntlnit are la baz compoziia poluanilor. n mare, aceasta ar cuprinde: materii solide n suspensie; acizi i baze; ngrminte (nitrai i fosfai); cianuri; sulfii; fosfor; metale i metaloizi; compui organici (produse petrochimice i mase plastice); eflueni organici; pesticide; PCB; diveri compui metalici; radionuclizi; detergeni; micro-organisme; poluarea termic (Whitehead, P.G., 1982). Clasificarea substanelor chimice n naturale i poluante rmne relativ dificil i adesea controversat. Indiferent c ele aparin elementelor majore care susin viaa acvatic (oxigen, hidrogen, carbon, azot, fosfor) sau viaa n general (n plus fa de anterioarele: calciu, potasiu, magneziu, natriu, sulf, fier etc.), c sunt substane eseniale sau neeseniale, de provenien natural sau antropic, aproape toate pot constitui, n anumite condiii, o ameninare pentru mediul acvatic i pentru om. Rspunsul organismelor la creterea concentraiei diverselor substane. funcie de caracterul lor esenial sau neesenial a fost schematizat n (Odum, E.P., 1971) sub forma din figura 2.3 pentru o substan organic degradabil (a) i respectiv pentru o substan toxic nedegradabil (b). Pn la un anumit nivel, prezena poluanilor degradabili care furnizeaz energie sau nutrieni, va spori productivitatea ecosistemului. La nivele mai ridicate pot s apar oscilaii ale productivitii, iar dac aportul de energie/nutrieni se mrete, acesta devine un factor de stres care poate s duc la colapsul sistemului. Substanele neeseniale inofensive pot fi tolerate n cantiti reduse fr a influena productivitatea ecosistemului, n timp ce substanele toxice o afecteaz indiferent de valoarea concentraiei. Ambele ns devin mortale la concentraii ce depesc o anumit limit. Tipurile majore de poluani toxici, de natur organic sau anorganic sunt nominalizai de CEE pe grade de periculozitate (lista neagr, lista gri).

31

Fig. 2.3. Relaia concentraie poluant - productivitate ecosistem acvatic.

2.2.2. SURSE DE POLUARE

n ceea ce privete sursele de poluare, discuia comport aspectul tipului de activitate poluant i respectiv al modului de descrcare n emisar. ntr-un context mai larg, nu trebuie scpat din vedere poluarea natural care poate s contribuie la multe dintre categoriile enumerate mai sus, cum ar fi: materii solide n suspensie (din eroziunea versanilor i descrcarea n emisar, din repunerea n curent a sedimentelor la mrirea debitelor etc.); acizi i alcali (prin dizolvarea compuilor minerali naturali, ploi acide); fosfor i azot; materie organic (materie moart de origine vegetal sau animal splat de pe

32

versani); compui metalici naturali; radionuclizi (provenii din splarea zcmintelor sau cderi radioactive din atmosfer); microorganisme (virui, bacterii etc datorai faunei slbatice). Desigur c, n general, sursele de poluare natural sunt de tip difuz, fr o localizare precis i dificil de urmrit/controlat. Cuantificarea contribuiei lor la procesul general de poluare a unui ecosistem dat este, de asemenea, greu de estimat dar, cu excepia unor situaii particulare i episodice, aportul acestor surse rmne nesemnificativ. Tipurile principale de activiti umane generatoare de poluani obinuii sunt enumerate n tabelul 2.1 (Whitehead, .a., 1982):

Tabelul 2.1

Tip activitate Factori afectnd caltatea apei

Ape uzate menajere CBO, materii solide n suspensie, amoniac, nitrai, fosfai Procesarea vegetalelor CBO, materii solide n suspensie Industrie chimic CBO, amoniac, fenoli, substane organice

nebiodegradabile Industrie siderurgic Cianuri, fenoli, pH, amoniac, sulfii Industrie minier Materii solide n suspensie, fier, pH, metale dizolvate Industrie prelucrtoare Cianuri, cupru, cadmiu, nichel, pH Fabricarea berii Materii solide n suspensie, CBO, pH Industria laptelui CBO, pH Industria petrochimic Amoniac, fenoli, deeuri petroliere, sulfai Cariere Materii solide n suspensie, uleiuri Agricultur CBO, nitrai, fosfai

Dup cum se observ, industria energetic nu a fost inclus n aceast clasificare dei este una dintre activitile care polueaz mediul nconjurtor n cel mai nalt grad (emisii de noxe i microparticule n atmosfer, halde de cenu pe sol, energie termic rezidual n ape). Aportul de poluani n ecosistemele acvatice poate avea loc n mod neintenionat (majoritatea surselor naturale), accidental/episodic (din surse naturale sau autorizate) i continuu (din surse autorizate). Dup maniera de descrcare n emisar, sursele se clasific n punctuale i difuze, iar nelegerea diferenelor dintre ele este necesar pentru a putea exercita un control eficace al proceselor de poluare.

Sursele punctuale deverseaz efluenii printr-o conduct/canal bine definit. Ele au proprietatea c debitul masic de poluant, ca i compoziia acestuia pot fi determinate i ntr-o mare msur controlate, la seciunea de deversare n emisar.

Sursele difuze sunt reprezentate de aporturile laterale de debite, pentru care este practic imposibil s se determine compoziia sau s se evalueze mrimea

33

lor n mod direct. Procesele prin care aceste debite devin poluate pot fi discrete sau dispersate pe bazinul hidrografic. Diferena fa de sursele punctuale const i n aceea c cele de origine difuz nu pot fi controlate nemijlocit (de exemplu, nu poate fi oprit deversarea dac se constat un grad de tratare necoresponztor, ca n cazul unei staii de epurare), ci doar prin reglementri privind activitile care genereaz poluani (tipuri, cantiti i perioade de folosire pentru ngrminte n agricultur, de exemplu). Deoarece poluarea difuz apare adesea ca un rezultat al unei activiti extrem de folositoare, managementul calitii apei trebuie s in seama de acest aspect i s armonizeze criteriile de urmrire i control ale diverselor surse poluante din sistem, acionnd prioritar n legtur cu sursele punctuale, al cror aport de poluani poate fi reglat mai uor. n sensul celor menionate mai sus, se consider ca surse de poluare posibil a fi controlate:

1. Apele uzate menajere. 2. Apele uzate industriale de natur organic, anorganic, termic i

radioactiv.

3. Apele uzate provenite din splarea suprafeelor impermeabile, (prin evitarea polurii accidentale a acestor suprafee).

4. Apele uzate drenate din amplasamente specifice (materii solide n suspensie de la lucrri edilitare, cariere, mine, halde etc.).

5. Deversrile ilegale (teoretic controlate prin lege, dar care trebuiesc detectate i urmrite).

Sursele difuze includ (dup Whitehead, .a., 1982): apa subteran poluat i debitele de drenaj natural din bazin; ploile contaminate (acide, de exemplu) i cderile din atmosfer (radioactive .a.); repunerile n suspensie din cauza traficului naval i deversrile accidentale(imprevizibile n timp i spaiu). Gradul n care una sau alta dintre cele dou categorii concur la atingerea unui anumit nivel de poluare, depinde de particularitile bazinului hidrografic. ntr-o zon rural, slab populat i puin cultivat, apariia polurii se datoreaz cel mai probabil surselor difuze. Dimpotriv, n bazine intens populate i puternic urbanizate, este de ateptat ca poluarea s fie cauzat n principal de surse punctuale.

2.2.3. EFECTE INDUSE DE POLUANI

Efectele poluanilor se evalueaz dup: modul de comportare n timp i respectiv dup natura lor. Referitor la comportarea n timp a poluanilor, acetia pot crea un efect imediat i unic sau pot avea un efect cumulativ. Este greu de precizat care dintre

34

cele dou forme este mai periculoas pentru ecosistemul acvatic, deoarece totul depinde de nivelele la care se manifest aceste efecte. Exemple clasice de po-luare cu efect cumulativ pot fi: acumularea n timp a nutrienilor (care conduce la eutrofizare); acumularea substanelor toxice n lanul trofic (care devine peri-culoas pentru consumatorii de ordin superior); acumularea metalelor grele n sedimente i repunerea lor n suspensie la modificarea regimului hidrologic .a. O reprezentare sugestiv privind persistena n timp a efectelor unor cate-gorii de poluani este redat n figura 2.4 (Mihilescu, M., 1997). Dup natura efectelor, acestea se mpart, n mare, n ase grupe (Whitehead, .a., 1982):

prejudicii fiziologice aduse omului i faunei; degajarea i transmiterea de ageni patogeni; reducerea resurselor de oxigen dizolvat ale corpului de ap; eutrofizarea; degradarea lanurilor trofice prin acumularea substanelor toxice n

biomas; afectarea sau distrugerea calitilor estetice.

Fig. 2.4. Persistena efectelor n timp, pe tipuri de poluani.

35

La acestea se poate aduga, ca o categorie aparte, poluarea termic. Ea poate s stimuleze unele efecte nefavorabile deja menionate i, n plus, poate chiar s afecteze microclimatul local din zona corpului de ap. Dup (Chanlett, E.T., 1973), poluanii se clasific funcie de caracteristicile lor dezagreabile i efectele provocate de acestea, ca n tabelul 2.2.

Tabelul 2.2

Grup de compui Efecte induse

Substane biodegradabile exprimate prin CBO

Dezoxigenare, mirosuri neplcute, peti mori

Substane otrvitoare (As, Cr, Cd, Cu, Pb, Zn, Hg)

Otrvirea animalelor, plancton i peti mori, acumularea n esuturile faunei acvatice

Acizi i alcali Distrugerea capacitii de tamponare i pertur-barea echilibrului ecologic

Dezinfectani ( Cl , , formol, fenol) 2 H O2 2

Distrugerea selectiv a microorganismelor, gus-turi i mirosuri neplcute n apele tratate

Sruri (Fe, Ca, Mg, Mn, Cl, ) SO4 Schimbarea caracteristicilor apei (salinitate, duritate etc)

Ageni oxidani i reductori

( , , , , ) NH3 NO2 NO3 S2 SO32

Reducerea oxigenului dizolvat, eutrofizare, dezvoltarea selectiv a unor bacterii, mirosuri neplcute

Substane dezagreabile estetic Flotori i substane sedimentabile, eutrofizare, depozite de fund anaerobe, mirosuri, peti mori

Ageni patogeni Infecii la om i animalele domestice, boli ale plantelor

O corelai ntre sursele de poluare i efectele poluanilor implicai este redat n tabelul 2.3, unde prin (+) s-au marcat nivelele normale, iar prin (*), nivelele ridicate de impact.

Tabelul 2.3

Efecte poluani Surse Poten-

ial toxic

Trans-misie boli

Redu-cere OD

Eutrofi-zare

Afec-tare lan

trofic

Afec-tare

estetic

PUNCTUALE: 1. Ape uzate menajere + * * + 2. Ape uzate industriale

de natur: - organic

+

+

+

+ - anorganic * + + + + - termic * + - radioactiv + *

36

Tabelul 2.3 (continuare)

3. Ape uzate superficiale deversate: - din neatenie

+

+

+

*

+ - posibil de evitat + * +

4. Ape uzate drenate din: - construcii

+

- halde * + + - terasamente agricole + + * + + + - preparaii miniere + + + +

5. Deversri ilegale + + + + DIFUZE: 1. Ape subterane poluate

i drenaj natural

*

+

+

2. Trafic fluvial + + + * 3. Cderi atmosferice + * 4. Deversri accidentale * + + *

2.2.4. INDICATORI DE CALITATE A APEI

De obicei starea de calitate a unui corp de ap se evalueaz n raport cu patru categorii mari de proprieti i anume (Habrovsky, J., 1974):

proprieti fizice; proprieti chimice; proprieti radioactive; proprieti biologice.

Desigur c departajarea aceasta este relativ subiectiv i are eventual n vedere unitile de msur specifice utilizate pentru cuantificarea indicatorilor de calitate corespunztori diverselor categorii de proprieti.

Printre proprietile fizice importante sub aspectul managementului calitii apei, se au n vedere: temperatura, culoarea, turbiditatea, transparena, gustul i mirosul i materiile solide n suspensie.

Temperatura influeneaz majoritatea proceselor fizice, chimice i biologice care se desfoar n corpurile de ap. La temperaturi ridicate coninutul de oxigen dizolvat la saturaie se reduce n mod natural, ceea ce afecteaz reaciile de transformare din emisar.

Turbiditatea apei este atribuit substanelor coloidale i n suspensie. Gradul de turbiditate nu este echivalent cu concentraia materiilor solide n suspensie, ci el reflect msura n care se reduce intensitatea luminii la

37

traversarea coloanei de ap. Determinarea turbiditii se face fie cu colorimetre calibrate, fie cu turbidimetre, i se exprim n diverse uniti funcie de metoda utilizat. Transparena apei este o proprietate reciproc turbiditii, n sensul c ea este cu att mai bun, cu ct coninutul de materii n suspensie este mai redus i invers.

Materiile solide n suspensie provin fie din albia rului sau din aport natural de pe versani, fie ca poluani artificiali deversai de canalizrile urbane, splarea siturilor n construcie etc. Ele pot fi sedimentabile (cu dimensiuni > 100 ) sau coloidale (cu dimensiuni ntre 1 i 100 ) i se cuantific prin concentraie (mg l 1) sau debit masic (t zi 1). Deoarece majoritatea organismelor care populeaz cursurile de ap nu posed mecanisme care s le permit reglarea temperaturii interne la o valoare constant, ele sunt foarte dependente de regimul termic al apei, iar poluarea termic poate avea efecte letale similare cu ale substanelor toxice. Profilul termic al organismelor acvatice se definete, pentru fiecare specie, prin cteva valori obinute experimental, cum ar fi: temperatura letal de debut ( ), la care sucomb 50 % din indivizi ntr-un timp dat, de regul 24 de

ore; temperatura morii instantanee, la care toi indivizii mor ntr-un timp foarte scurt; temperatura de aclimatizare, pe care indivizii testai o suport, fr urmri vizibile, un timp suficient de lung (cel puin o sptmn). ntre aceasta i se ntinde zona de toleran, cu mortalitate < 50 %. n general,

creterea temperaturii de aclimatizare conduce la creterea valorii , dar

aceasta poate avea loc n limite restrnse.

TL50

TL50TL50

Pragurile menionate mai sus difer sensibil chiar n cadrul aceleiai grupe de organisme. La peti, de exemplu, familia salmonidelor este mult mai sensibil dect cea a cyprinidelor (crapul i roioara supravieuind i la 40oC).

Proprietile chimice ale apei sunt determinate de diveri constitueni, de la gaze dizolvate pn la substane anorganice i compui organici compleci. Cele mai relevante sub aspectul calitii apei sunt urmtoarele:

Oxigenul dizolvat (OD), component esenial pentru susinerea vieii i alte reacii prezente n corpul de ap. Solubilitatea oxigenului n ap depinde de

temperatur, presiune i salinitate. El se cuantific prin concentraie (mg ). O concentraie mai sczut dect cea corspunztoare condiiilor de saturaie poate s indice eventuala poluare cu materie organic. Diferena ntre concentraia momentan i cea de saturaie se numete deficit de oxigen dizolvat

i se exprim de asemanea n (mg

l 1

l 1). Materia organic ce urmeaz a fi descompus pe cale biologic se ex-

prim prin cererea biochimic de oxigen (CBO). CBO este o msur direct a

38

cantitii de oxigen necesar populaiei bacteriene heterotrofe care realizeaz descompunerea materiei organice i se evalueaz la o temperatur standard (20oC), fie pe durata a 5 zile ( ), fie ca CBO total. n mod indirect, CBO

cuantific cantitatea de materie organic descompus de bacteriile care au

exercitat aceast cerere de oxigen. CBO se exprim in mg

CBO5

l 1. De obicei CBO se refer la faza primar (faza carbonului), cnd oxigenul este utilizat pentru oxidarea materiei organice, iar durata acesteia se extinde pn la circa 20 zile. Dac se are n vedere i consumul de oxigen al bacteriilor autotrofe care realizeaz faza secundar (faza azotului, cnd amoniacul este transformat succesiv n nitrii i apoi nitrai), se poate vorbi separat de CBO n faza azotului (CBON) sau de CBO nsumnd cele dou contribuii. Durata nsumat a fazelor este de circa 100 zile. Pentru cursurile de ap i lacuri, cei doi parametri deja menionai, OD i CBO, sunt cei mai reprezentativi indicatori ai polurii cu materie organic.

Carbonul organic total (COT) este obinut ca diferen ntre carbonul total (CT) i carbonul anorganic total (CAT) i el permite evaluarea global a materiei organice (vii sau n descompunere) din corpul de ap.

pH-ul apei reflect concentraia ionilor de hidrogen din soluie. Funcie de concentraia lor, aceti ioni pot fi ei nii un poluant potenial sau un indicator al prezenei altor substane, n special acizi i baze, dizolvate n ap.

Pentru ap pur, valoarea pH-ului este 7, egal cu p (concentraia ionilor hidroxil, exprimat n aceeai form), iar n cursurile de ap pH-ul are valori cuprinse ntre 4 i 9.

OH

Aciditatea i alcalinitatea apei reflect msura n care aceasta poate neutraliza baze, respectiv acizi. n apele naturale alcalinitatea rezult din concentraiile combinate ale ionului hidroxil i ale ionilor sistemului

carbonailor ( , ), valorile individuale ale acestora depinznd de

pH, temperatur i substane solide dizolvate. Concentraiile de anioni i cationi

dizolvai se exprim fie n miliechivaleni pe litru (meq

HCO3 CO32

l 1 ), fie n mg . l 1 Duritatea apelor naturale este atribuit n principal ionilor de calciu i

magneziu (dar i ai altor substane ca stroniu, bariu, aluminiu, fier, cupru, zinc etc.). Ca i aciditatea sau alcalinitatea, se exprim de obicei n concentraii de

(mgCaCO3 l 1 ). Azotul i compuii azotului sunt ali indicatori ai strii de poluare.

Apele curate au un coninut relativ ridicat de azot organic i un nivel sczut al azotului amoniacal, n timp ce pentru apele poluate acest raport este invers. Nitriii ( ) sunt forme instabile care fie sunt redui la amoniac, fie oxidai

n nitrai. Existena lor indic prezena proceselor de descompunere. Nitraii

RNO2

39

( )sunt forme stabile ale materiei organice azotoase, ei stimuleaz

creterea algal i conduc prin aceasta la oxigenarea apelor, dar prezena lor n exces favorizeaz eutrofizarea. De obicei azotul i compuii si se exprim prin concentraii separate de amoniac i azot organic (Keildahl-N), de nitrii i de

nitrai (mg

RNO3

l 1 ), sau prin concentraia echivalent de azot elementar (mgN ). l 1

Conductivitatea (conductana specific) este inversa rezistenei (ohm) unei coloane de soluie cu lungimea de 1 cm i seciunea 1 , la temperatura standard (25

cm2oC) i ea permite evaluarea concentraiei de sruri n ap. Se

exprim de obicei n mho . cm 2 Ali parametri monitorizai uzual n scopuri operaionale sunt: absorbia razelor ultraviolete, fosforul i compuii si, fenolii, hidrocarburile, detergenii sintetici etc. Referitor la exprimarea cantitativ a toxicitii substanelor chimice se definesc i se utilizeaz o serie de praguri de concentraii raportate la amploarea efectelor destructive.

Concentraia mortal (lethal concentration - LC) se asociaz cu procentul de indivizi ai unei specii (50 % sau 70 %) care mor ntr-un timp de expunere dat (24 sau 48 ore) i se noteaz cu , etc. Concentraia mortal de

debut (incipient) se admite de regul la 24 ore, iar concentraia morii

instantanee este valoarea pentru care 100 % din indivizi mor n cteva minute.

LC50 LC70LC50

Concentraia de siguran se consider a fi valoarea maxim pentru care nu apare un efect observabil pe durata u