Загрязнение из неточечных источников ( NPS ) относится к диффузному загрязнению (или загрязнению ) воды или воздуха, которое не происходит из одного дискретного источника. Этот тип загрязнения часто является кумулятивным эффектом небольших количеств загрязняющих веществ, собранных с большой площади. Он контрастирует с загрязнением из точечных источников , которое происходит из одного источника. Загрязнение из неточечных источников обычно возникает из- за стока с поверхности земли , осадков, атмосферных отложений , дренажа , просачивания или гидрологических изменений (дождей и таяния снега), когда отслеживание загрязнения до одного источника затруднено. [1] Загрязнение воды из неточечных источников влияет на водоем из таких источников, как загрязненные стоки с сельскохозяйственных угодий, стекающие в реку, или переносимый ветром мусор, уносимый в море. Загрязнение воздуха из неточечных источников влияет на качество воздуха из таких источников, как дымовые трубы или выхлопные трубы автомобилей . Хотя эти загрязняющие вещества произошли из точечного источника, способность переноса на большие расстояния и множественные источники загрязняющего вещества делают его неточечным источником загрязнения; Если бы сбросы в водоем или в атмосферу происходили в одном месте, загрязнение было бы точечным.
Неточечное загрязнение воды может происходить из многих различных источников без каких-либо конкретных решений или изменений для исправления проблемы, что затрудняет ее регулирование. Неточечное загрязнение воды трудно контролировать, поскольку оно возникает в результате повседневной деятельности многих разных людей, такой как удобрение газонов , применение пестицидов , строительство дорог или зданий . [2] Контроль неточечного загрязнения требует улучшения управления городскими и пригородными территориями, сельскохозяйственными работами, лесными работами и пристанями для яхт.
Типы неточечного источника загрязнения воды включают осадки , питательные вещества , токсичные загрязняющие вещества, а также химикаты и патогены . Основные источники неточечного источника загрязнения воды включают: городские и пригородные районы, сельскохозяйственные работы, атмосферные выбросы, сток с автомагистралей, лесное хозяйство и горнодобывающие работы, пристани для яхт и лодочные прогулки. В городских районах загрязненная ливневая вода, смываемая с парковок , дорог и автомагистралей, называемая городским стоком , обычно включается в категорию неточечных источников (она может стать точечным источником, если она направляется в системы ливневой канализации и сбрасывается по трубам в местные поверхностные воды). В сельском хозяйстве выщелачивание соединений азота из удобренных сельскохозяйственных земель является неточечным источником загрязнения воды. [3] Сток питательных веществ в ливневой воде из «потока листа» по сельскохозяйственному полю или лесу также является примером неточечного источника загрязнения.
Осадок (рыхлая почва ) включает ил (мелкие частицы) и взвешенные твердые частицы (более крупные частицы). Осадок может попадать в поверхностные воды из-за размывания берегов ручьев и из поверхностного стока из-за неправильного растительного покрова на городских и сельских землях. [5] Осадок создает мутность (помутнение) в водоемах, уменьшая количество света, достигающего более низких глубин, что может подавлять рост погруженных водных растений и, следовательно, влиять на виды, которые зависят от них, такие как рыба и моллюски . [6] При увеличении нагрузки осадка в водоеме кислород также может истощиться или снизиться до уровня, который вреден для видов, обитающих в этой области. [7] Высокий уровень мутности также подавляет системы очистки питьевой воды . Осадки также переносятся в толщу воды из-за волн и ветра. Когда осадки размываются с постоянной скоростью, они остаются в толще воды, и уровень мутности увеличивается. [8]
Седиментация — это процесс, при котором осадок транспортируется в водоем. Затем осадок будет откладываться в водной системе или оставаться в водной толще. При высоких скоростях седиментации может произойти наводнение из-за накопления слишком большого количества осадка. Когда происходит наводнение, прибрежные свойства могут быть еще больше повреждены из-за большого количества присутствующего осадка. [9]
Осадок также может сбрасываться из нескольких различных источников. Источники включают строительные площадки (хотя это точечные источники, которые можно контролировать с помощью контроля эрозии и контроля осадка ), сельскохозяйственные поля, берега рек и сильно нарушенные территории. [10]
Питательные вещества в основном относятся к неорганическим веществам из стоков, свалок , животноводческих операций и сельскохозяйственных угодий. Двумя основными питательными веществами, вызывающими беспокойство, являются фосфор и азот. [11]
Фосфор — это питательное вещество, которое встречается во многих формах, которые являются биодоступными . Известно, что его слишком много в осадках сточных вод человека . Он является основным ингредиентом многих удобрений, используемых в сельском хозяйстве, а также в жилых и коммерческих помещениях, и может стать ограничивающим питательным веществом в пресноводных системах и некоторых эстуариях . Фосфор чаще всего переносится в водоемы через эрозию почвы, поскольку многие формы фосфора имеют тенденцию адсорбироваться на частицах почвы. Избыточное количество фосфора в водных системах (особенно в пресноводных озерах, водохранилищах и прудах) приводит к размножению микроскопических водорослей, называемых фитопланктоном . Увеличение поставок органического вещества из-за чрезмерного роста фитопланктона называется эвтрофикацией . Распространенным симптомом эвтрофикации является цветение водорослей , которое может образовывать неприглядные поверхностные отложения, затенять полезные виды растений, производить соединения, вызывающие вкус и запах, и отравлять воду из-за токсинов, вырабатываемых водорослями. Эти токсины представляют особую проблему в системах, используемых для питьевой воды, поскольку некоторые токсины могут вызывать заболевания у людей, а удаление токсинов является сложным и дорогостоящим. Бактериальное разложение цветения водорослей потребляет растворенный в воде кислород, создавая гипоксию с пагубными последствиями для рыб и водных беспозвоночных. [12]
Азот является другим ключевым ингредиентом в удобрениях, и он обычно становится загрязняющим веществом в соленой воде или солоноватых эстуарных системах, где азот является ограничивающим питательным веществом. Подобно фосфору в пресных водах, избыточное количество биодоступного азота в морских системах приводит к эвтрофикации и цветению водорослей. Гипоксия становится все более распространенным результатом эвтрофикации в морских системах и может влиять на большие площади эстуариев, заливов и прибрежных вод у берега. Каждое лето гипоксические условия формируются в придонных водах , где река Миссисипи впадает в Мексиканский залив . В течение последних летних месяцев воздушная протяженность этой «мертвой зоны» сопоставима с площадью Нью-Джерси и имеет серьезные пагубные последствия для рыболовства в регионе. [13]
Азот чаще всего переносится водой в виде нитрата (NO 3 ). Азот обычно добавляется в водораздел в виде органического N или аммиака (NH 3 ), поэтому азот остается прикрепленным к почве до тех пор, пока окисление не превратит его в нитрат. Поскольку нитрат, как правило, уже включен в почву, вода, проходящая через почву (т. е. межпочвенный и плиточный дренаж ), вероятнее всего, перенесет его, а не поверхностный сток. [14]
Токсичные химикаты в основном включают органические и неорганические соединения . Неорганические соединения, включая тяжелые металлы, такие как свинец , ртуть , цинк и кадмий , устойчивы к распаду. [10] Эти загрязняющие вещества могут поступать из различных источников, включая осадок человеческих сточных вод, горнодобывающие работы, выбросы транспортных средств, сжигание ископаемого топлива , городские стоки, промышленные операции и свалки. [11]
Другие токсичные загрязнители включают органические соединения, такие как полихлорированные бифенилы (ПХБ) и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), антипирены и многие агрохимикаты, такие как ДДТ , другие пестициды и удобрения. Эти соединения могут оказывать серьезное воздействие на экосистему и водоемы и могут угрожать здоровью как людей, так и водных видов, будучи устойчивыми к разрушению в окружающей среде, что позволяет им сохраняться в окружающей среде. [10] Эти соединения также могут присутствовать в воздушной и водной среде, нанося ущерб окружающей среде и создавая риск вредного воздействия на живые виды. [15] Эти токсичные химикаты могут поступать с пахотных земель, питомников, садов, строительных площадок, садов, газонов и свалок. [11]
Кислоты и соли в основном являются неорганическими загрязнителями с орошаемых земель, горнодобывающих предприятий, городских стоков, промышленных площадок и свалок. [11] Другие неорганические токсичные загрязнители могут поступать с литейных заводов и других заводов, из сточных вод, горнодобывающей промышленности и угольных электростанций.
Патогены — это бактерии и вирусы, которые могут находиться в воде и вызывать заболевания у людей. [10] Обычно патогены вызывают заболевания, когда они присутствуют в общественных системах питьевого водоснабжения. Патогены, обнаруженные в загрязненных стоках, могут включать: [16]
В стоках также могут быть обнаружены колиформные бактерии и фекалии . [10] Эти бактерии являются широко используемым индикатором загрязнения воды, но не являются фактической причиной заболеваний. [17]
Патогены могут загрязнять стоки из-за плохого управления животноводческими операциями, неисправных септических систем , неправильного обращения с отходами домашних животных, чрезмерного использования человеческих сточных вод , загрязненных ливневых канализаций и переполнений бытовой канализации . [5] [10]
Городские и пригородные районы являются основными источниками неточечного загрязнения из-за количества стоков, которые производятся из-за большого количества мощеных поверхностей. Мощеные поверхности, такие как асфальт и бетон, непроницаемы для воды, проникающей в них. Любая вода, которая контактирует с этими поверхностями, будет стекать и поглощаться окружающей средой. Эти поверхности облегчают ливневым водам перенос загрязняющих веществ в окружающую почву. [18]
Строительные площадки, как правило, имеют нарушенную почву, которая легко размывается осадками , такими как дождь , снег и град . Кроме того, выброшенный на площадке мусор может быть унесен стоком воды и попасть в водную среду. [18]
Загрязненные ливневые воды, смываемые с парковок, дорог и автомагистралей, а также газонов (часто содержащие удобрения и пестициды ), называются городскими стоками . Эти стоки часто классифицируются как тип загрязнения NPS. Некоторые люди также могут считать их точечным источником, поскольку во многих случаях они направляются в муниципальные системы ливневой канализации и сбрасываются по трубам в близлежащие поверхностные воды . Однако не все городские стоки проходят через системы ливневой канализации перед попаданием в водоемы. Некоторые могут попадать непосредственно в водоемы, особенно в развивающихся и пригородных районах. Кроме того, в отличие от других типов точечных источников, таких как промышленные сбросы, очистные сооружения и другие операции, загрязнение городских стоков нельзя отнести к одному виду деятельности или даже группе видов деятельности. Поэтому, поскольку они не вызваны легко идентифицируемой и регулируемой деятельностью, источники загрязнения городских стоков также часто рассматриваются как настоящие неточечные источники, поскольку муниципалитеты работают над их устранением. Примером этого является Мичиган, где действует программа NPS (неточечный источник). Эта программа помогает заинтересованным сторонам создавать планы управления водоразделом для борьбы с загрязнением из неточечных источников. [19]
Обычно в пригородных районах химикаты используются для ухода за газонами. Эти химикаты могут попасть в стоки и окружающую среду через ливневые стоки в городе. Поскольку вода в ливневых стоках не очищается перед попаданием в окружающие водоемы, химикаты попадают в воду напрямую. [ необходима цитата ]
Другими значительными источниками стока являются изменение среды обитания и лесоводство . [20] [21]
Питательные вещества ( азот и фосфор ) обычно применяются на сельскохозяйственных угодьях в качестве коммерческих удобрений , навоза или распыления муниципальных или промышленных сточных вод (стоков) или ила. Питательные вещества также могут попадать в стоки из остатков урожая , поливной воды, диких животных и атмосферных осадков . [22] : стр. 2–9 Загрязнение питательными веществами, такими как нитраты, может нанести вред водной среде, ухудшая качество воды за счет снижения уровня кислорода, что в свою очередь может вызвать цветение водорослей и эвтрофикацию . [23]
Другие агрохимикаты, такие как пестициды и фунгициды, также могут попадать в окружающую среду с сельскохозяйственных угодий через стоки и отложения. Пестициды, такие как ДДТ или атразин, могут перемещаться по водным путям или оставаться взвешенными в воздухе и переноситься ветром в процессе, известном как «дрейф распыления» . [24] Осадок (рыхлая почва ), смываемый с полей, является формой сельскохозяйственного загрязнения . Фермы с крупными животноводческими и птицеводческими операциями, такие как агропромышленные фермы , часто являются точечными источниками сбросов. Эти объекты называются «концентрированными операциями по кормлению животных» или «откормочными площадками» в США и подлежат все большему государственному регулированию. [25] [26]
Сельскохозяйственные работы составляют большую долю всех неточечных источников загрязнения в Соединенных Штатах. Когда большие участки земли вспахиваются для выращивания сельскохозяйственных культур , это обнажает и разрыхляет почву, которая когда-то была погребена. Это делает открытую почву более уязвимой для эрозии во время ливней . Это также может увеличить количество удобрений и пестицидов, переносимых в близлежащие водоемы. [18]
Атмосферные отложения являются источником неорганических и органических компонентов, поскольку эти компоненты переносятся от источников загрязнения воздуха к рецепторам на земле. [27] [28] Обычно промышленные предприятия, такие как фабрики , выбрасывают загрязнение воздуха через дымовую трубу . Хотя это точечный источник, из-за распределительной природы, дальнего переноса и множественных источников загрязнения его можно рассматривать как неточечный источник в области осадконакопления. Атмосферные поступления, которые влияют на качество стока, могут исходить от сухого осаждения между штормовыми событиями и мокрого осаждения во время штормовых событий. Влияние движения транспортных средств на мокрое и сухое осаждение, которое происходит на автомагистралях, проезжих частях и парковках или вблизи них, создает неопределенности в величинах различных атмосферных источников в стоке. Существующие сети, которые используют протоколы, достаточные для количественной оценки этих концентраций и нагрузок, не измеряют многие из интересующих компонентов, и эти сети слишком редки, чтобы обеспечить хорошие оценки осаждения в локальном масштабе [27] [28]
Сток с автомагистралей составляет небольшой, но широко распространенный процент всех неточечных источников загрязнения. [29] [30] [31] [32] [33] [34] Харнед (1988) подсчитал, что стоки состоят из атмосферных осадков (9%), отложений транспортных средств (25%) и материалов для обслуживания автомагистралей (67%). Он также подсчитал, что около 9 процентов этих загрязнений повторно захватываются атмосферой. [35]
Лесное хозяйство и горнодобывающая промышленность могут вносить значительный вклад в неточечное загрязнение. [36]
Лесохозяйственные операции сокращают количество деревьев в данной области, тем самым снижая уровень кислорода в этой области. Это действие, в сочетании с тяжелой техникой (харвестеры и т. д.), катящейся по почве, увеличивает риск эрозии . [37]
Активные горнодобывающие работы считаются точечными источниками, однако стоки от заброшенных горнодобывающих работ способствуют загрязнению неточечным источником. При добыче полезных ископаемых методом открытой добычи верхняя часть горы удаляется, чтобы обнажить желаемую руду . Если эта область не будет должным образом восстановлена после завершения добычи, может произойти эрозия почвы . Кроме того, могут происходить химические реакции с воздухом и недавно обнаженной породой, что приводит к образованию кислотных стоков. Вода, которая просачивается из заброшенных подземных шахт, также может быть очень кислотной. Она может просочиться в ближайший водоем и изменить pH в водной среде. [18]
Химикаты, используемые для обслуживания лодок, такие как краска , растворители и масла, попадают в воду через стоки. Кроме того, разлив топлива или утечка топлива непосредственно в воду с лодок способствуют загрязнению из неточечных источников. Уровни питательных веществ и бактерий увеличиваются из-за плохо обслуживаемых санитарных отходов на лодке и насосных станциях. [18]
Для контроля загрязнения неточечным источником можно использовать множество различных подходов как в городских, так и в пригородных районах. Буферные полосы создают барьер из травы между непроницаемым материалом для мощения, таким как парковки и дороги, и ближайшим водоемом. Это позволяет почве поглощать любые загрязнения до того, как они попадут в местную водную систему. На дренажных участках можно построить отстойники , чтобы создать водный буфер между загрязнением стока и водной средой. Отток и ливневая вода стекают в отстойник, позволяя загрязняющим веществам осаждаться и задерживаться в водоеме. Использование пористого покрытия позволяет дождевой и ливневой воде стекать в землю под покрытием, уменьшая объем стока, который стекает непосредственно в водоем. Методы восстановления, такие как строительство водно-болотных угодий, также используются для замедления стока, а также для поглощения загрязнений. [38]
Строительные площадки обычно реализуют простые меры по сокращению загрязнения и стока. Во-первых, вокруг строительных площадок возводятся иловые заграждения или ограждения от осадков, чтобы уменьшить количество осадков и крупных материалов, стекающих в близлежащий водоем. Во-вторых, укладка травы или соломы вдоль границ строительных площадок также способствует сокращению загрязнения из неточечных источников. [18]
В районах, обслуживаемых одноквартирными септическими системами, местные правительственные постановления могут обязать техническое обслуживание септических систем обеспечивать соответствие стандартам качества воды. В Вашингтоне (штат) был разработан новый подход посредством создания «района защиты моллюсков», когда либо коммерческое, либо рекреационное место обитания моллюсков понижается из-за продолжающегося загрязнения неточечным источником. Район защиты моллюсков — это географическая область, назначенная округом для защиты качества воды и ресурсов приливной зоны, и обеспечивает механизм для создания местных фондов для служб качества воды с целью контроля неточечных источников загрязнения. [39] По крайней мере два района защиты моллюсков на юге залива Пьюджет-Саунд ввели требования к эксплуатации и обслуживанию септических систем с программными сборами, напрямую связанными с налогами на имущество. [40]
Для контроля над осадками и стоком фермеры могут использовать средства контроля эрозии, чтобы уменьшить стоки и сохранить почву на своих полях. Обычные методы включают контурную вспашку , мульчирование культур , севооборот , посадку многолетних культур или установку прибрежных буферов . [22] : стр. 4-95–4-96 [41] [42] Противоэрозионная обработка почвы — это концепция, используемая для уменьшения стока при посадке новой культуры. Фермер оставляет часть урожая от предыдущей посадки в земле, чтобы предотвратить сток во время процесса посадки. [18]
Питательные вещества обычно применяются на сельскохозяйственных угодьях в качестве коммерческих удобрений; навоза животных ; или распыления муниципальных или промышленных сточных вод (стоков) или ила. Питательные вещества также могут попадать в стоки из остатков урожая , поливной воды, диких животных и атмосферных осадков . [22] : стр. 2–9 Фермеры могут разрабатывать и внедрять планы управления питательными веществами , чтобы сократить избыточное внесение питательных веществ. [22] : стр. 4-37–4-38 [43]
Чтобы свести к минимуму воздействие пестицидов, фермеры могут использовать методы комплексной борьбы с вредителями (IPM) (которые могут включать биологическую борьбу с вредителями ) для поддержания контроля над вредителями, снижения зависимости от химических пестицидов и защиты качества воды . [44] [45]
При хорошо спланированном размещении обоих лесозаготовительных волоков, также называемых волоками для трелевки, можно сократить количество образующихся осадков. Планируя расположение путей как можно дальше от лесозаготовительной деятельности, а также контурируя пути с землей, можно сократить количество рыхлых осадков в стоке. Кроме того, пересаживая деревья на землю после вырубки, это обеспечивает структуру для восстановления стабильности почвы, а также заменяет вырубленную среду. [18]
Установка запорных клапанов на топливных насосах в доке пристани может помочь сократить количество перелива в воду. Кроме того, насосные станции, которые легко доступны для лодочников в пристани, могут обеспечить чистое место для утилизации санитарных отходов без сброса их прямо в воду. Наконец, что-то такое простое, как наличие мусорных контейнеров вокруг пристани, может предотвратить попадание более крупных объектов в воду. [18]
На сегодняшний день основной причиной загрязнения воды в Соединенных Штатах является загрязнение из неточечных источников, основными источниками которого являются загрязненные стоки с сельскохозяйственных угодий и гидромодификации . [46] : 15 [22]
Определение неточечного источника рассматривается в Законе США о чистой воде , как его интерпретирует Агентство по охране окружающей среды США (EPA). Закон не предусматривает прямого федерального регулирования неточечных источников, но государственные и местные органы власти могут делать это в соответствии с законами штата. Например, многие штаты предприняли шаги по внедрению собственных программ управления для таких мест, как их береговые линии, все из которых должны быть одобрены Национальным управлением океанических и атмосферных исследований и EPA. [47] Цели этих и подобных программ заключаются в создании основ, которые поощряют сокращение загрязнения на уровне штата путем развития и улучшения уже существующих систем. [48] Программы в рамках этих государственных и местных органов власти обращаются к передовым методам управления (BMP) для достижения своих целей по поиску наименее затратного метода для сокращения наибольшего количества загрязнения. BMP могут быть внедрены как для сельскохозяйственных, так и для городских стоков, и также могут быть как структурными, так и неструктурными методами. Федеральные агентства, включая Агентство по охране окружающей среды и Службу охраны природных ресурсов , одобрили и предоставили список наиболее часто используемых BMP для различных категорий неточечных источников загрязнения. [49]
Конгресс одобрил программу грантов CWA section 319 в 1987 году. Гранты предоставляются штатам, территориям и племенам для поощрения внедрения и дальнейшего развития политики. [50] Закон требует, чтобы все штаты осуществляли программы управления NPS. EPA требует регулярных обновлений программ для эффективного управления постоянно меняющейся природой своих вод и обеспечения эффективного использования средств и ресурсов гранта 319. [51]
Поправки к Закону о прибрежной зоне (CZARA) 1990 года создали программу в рамках Закона об управлении прибрежной зоной , которая предписывает разработку мер по управлению неточечными источниками загрязнения в штатах с прибрежными водами. [52] CZARA требует от штатов с береговой линией внедрять меры по управлению для устранения загрязнения воды и обеспечивать, чтобы результатом этих мер была реализация, а не принятие. [53]
