Введение
Термическое загрязнение, иногда называемое «термическим обогащением», – это ухудшение качества воды в результате любого процесса, изменяющего температуру окружающей воды. Термическое загрязнение представляет собой повышение или понижение температуры естественного водоема, вызванное антропогенным воздействием. В отличие от химического загрязнения, термическое загрязнение приводит к изменению физических свойств воды. Распространенной причиной термического загрязнения является использование воды в качестве охлаждающей жидкости электростанциями и промышленными предприятиями. Городской сток – дождевая вода, стекающая с крыш, дорог и парковок – и водохранилища также могут быть источником термического загрязнения. Термическое загрязнение может быть вызвано и сбросом очень холодной воды из нижней части водохранилищ в более теплые реки. При возврате использованной для охлаждения воды в природную среду при более высокой температуре, резкое изменение температуры снижает содержание кислорода и влияет на состав экосистемы. Рыбы и другие организмы, адаптированные к определенному температурному диапазону, могут погибнуть от резкого изменения температуры воды (быстрого повышения или понижения), известного как «тепловой шок». Теплая охлаждающая вода также может оказывать долгосрочное воздействие на температуру воды, повышая общую температуру водных объектов, включая глубокие слои. Сезонность влияет на распределение этих повышений температуры по водному столбу. Повышенная температура воды снижает уровень кислорода, что может привести к гибели рыбы, изменению состава пищевой цепи, сокращению видового биоразнообразия и способствовать инвазии новых теплолюбивых видов.
Thermal pollution, sometimes called "thermal enrichment", is the degradation of water quality by any process that changes ambient water temperature. Thermal pollution is the rise or drop in the temperature of a natural body of water caused by human influence. Thermal pollution, unlike chemical pollution, results in a change in the physical properties of water. A common cause of thermal pollution is the use of water as a coolant by power plants and industrial manufacturers. Urban runoff—stormwater discharged to surface waters from rooftops, roads, and parking lots—and reservoirs can also be a source of thermal pollution. Thermal pollution can also be caused by the release of very cold water from the base of reservoirs into warmer rivers. When water used as a coolant is returned to the natural environment at a higher temperature, the sudden change in temperature decreases oxygen supply and affects ecosystem composition. Fish and other organisms adapted to particular temperature range can be killed by an abrupt change in water temperature (either a rapid increase or decrease) known as "thermal shock". Warm coolant water can also have long term effects on water temperature, increasing the overall temperature of water bodies, including deep water. Seasonality effects how these temperature increases are distributed throughout the water column. Elevated water temperatures decrease oxygen levels, which can kill fish and alter food chain composition, reduce species biodiversity, and foster invasion by new thermophilic species.
Городской сток
В теплую погоду городские стоки могут оказывать значительное тепловое воздействие на небольшие ручьи. Проходя над горячими крышами, парковками, дорогами и тротуарами, ливневая вода поглощает часть тепла – это эффект городского острова тепла. Сооружения для управления ливневыми водами, поглощающие сток или направляющие его в грунтовые воды, такие как системы биоретенции и инфильтрационные бассейны, снижают эти тепловые эффекты, давая воде больше времени на рассеивание избыточного тепла перед попаданием в водную среду. Эти взаимосвязанные системы управления стоком являются элементами расширяющегося подхода к городскому планированию, широко известного как «зеленая инфраструктура». Бассейны-накопители (ливневые пруды) обычно менее эффективны для снижения температуры стока, так как вода может нагреваться на солнце до сброса в водоем-приемник.
Эффекты теплой воды
Повышенная температура обычно снижает уровень растворенного кислорода и объем воды, поскольку газы менее растворимы в более горячих жидкостях. Это может нанести вред водным животным, таким как рыбы, амфибии и другие водные организмы. Термическое загрязнение также может увеличить скорость метаболизма водных животных из-за повышения активности ферментов, что приводит к потреблению ими большего количества пищи за более короткий период времени, чем в стабильной среде. Изменения температуры даже на один-два градуса Цельсия могут вызвать значительные изменения в метаболизме организмов и другие неблагоприятные эффекты на клеточном уровне. Основные неблагоприятные изменения могут включать снижение проницаемости клеточных стенок для необходимого осмоса, коагуляцию клеточных белков и нарушение ферментативного метаболизма. Эти эффекты на клеточном уровне могут негативно повлиять на смертность и размножение. Значительное повышение температуры может привести к денатурации жизненно важных ферментов из-за разрыва водородных и дисульфидных связей в их кватернарной структуре. Снижение активности ферментов у водных организмов может вызвать проблемы, такие как неспособность расщеплять липиды, что приводит к недоеданию. Повышение температуры воды также может увеличить растворимость и скорость реакций металлов, что способствует увеличению поглощения тяжелых металлов водными организмами. Это может привести к токсическим последствиям для этих видов, а также к накоплению тяжелых металлов на более высоких трофических уровнях пищевой цепи, увеличивая риск воздействия на человека при употреблении пищи.
Холодная вода
Выбросы неестественно холодной воды из водохранилищ могут резко изменить рыбную и макробеспозвоночную фауну рек и снизить их продуктивность. В Австралии, где во многих реках преобладают более теплые температурные режимы, местные виды рыб были истреблены, а фауна макробеспозвоночных значительно изменилась. Выживаемость рыб упала до 75% из-за сброса холодной воды.
Биогеохимические эффекты
Водопотепление, в отличие от охлаждения воды, наиболее полно изучено в контексте биогеохимических эффектов. Значительная часть этих исследований посвящена долгосрочным последствиям работы атомных электростанций для озер после их вывода из эксплуатации. В целом, имеются данные, подтверждающие, что тепловое загрязнение приводит к повышению температуры воды. При работе электростанций кратковременное повышение температуры воды связано с потребностью в электроэнергии, при этом зимой сбрасывается больше теплоносителя. Наблюдается также, что потепление воды может сохраняться в экосистемах в течение длительного времени, даже после остановки электростанций. Подобно эффектам, наблюдаемым в водных системах в результате глобального потепления, тепловое загрязнение также приводит к повышению температуры поверхности воды летом. Это может создавать условия для выброса теплого воздуха в атмосферу и, как следствие, повышения температуры воздуха. Многие экологические последствия будут усугубляться изменением климата и повышением температуры воды в водоемах. Реки представляют собой особую проблему в отношении теплового загрязнения. Повышение температуры воды выше по течению приводит к тому, что электростанции ниже по течению получают более теплую воду. Подтверждение этого эффекта наблюдается на реке Миссисипи, где электростанции вынуждены использовать более теплую воду в качестве охлаждающей. Это снижает эффективность работы станций и вынуждает их использовать больше воды, что приводит к увеличению теплового загрязнения.