معايير الجودة البيئية للمياه العذبة

من الصعب بشكلٍ مفاجئ أخذ عينات من المياه العذبة لأنها نادراً ما تكون متجانسة ، وتختلف جودتها على مدار اليوم وعلى مدار السنة. إضافةً إلى ذلك، غالباً ما تكون مواقع أخذ العينات الأكثر تمثيلاً بعيدة عن الشاطئ أو الضفة، مما يزيد من التعقيد اللوجستي.

غالباً ما يصعب الوصول إلى المياه الجوفية لأخذ عينات منها. ونتيجةً لذلك ، تأتي غالبية بيانات المياه الجوفية من عينات مأخوذة من الينابيع والآبار وخطوط إمداد المياه والكهوف الطبيعية . وفي العقود الأخيرة، ومع ازدياد الحاجة إلى فهم ديناميكيات المياه الجوفية، ازداد عدد آبار المراقبة المحفورة في طبقات المياه الجوفية.

قد تكون البحيرات والبرك كبيرة جدًا، وتدعم نظامًا بيئيًا معقدًا تتفاوت فيه المعايير البيئية بشكل كبير في الأبعاد الفيزيائية الثلاثة ومع مرور الوقت. غالبًا ما تشهد البحيرات الكبيرة في المناطق المعتدلة تطبقًا حراريًا خلال الأشهر الدافئة، حيث تتكون من طبقة علوية دافئة غنية بالأكسجين، وطبقة سفلية باردة منخفضة الأكسجين. في الخريف، يؤدي انخفاض درجات الحرارة وهبوب رياح قوية أحيانًا إلى اختلاط الطبقتين لتكوين طبقة أكثر تجانسًا. عند حدوث التطبق الحراري، لا يؤثر ذلك على مستويات الأكسجين فحسب، بل يؤثر أيضًا على العديد من المعايير ذات الصلة، مثل الحديد والفوسفات والمنغنيز ، والتي تتغير جميعها في تركيبها الكيميائي نتيجة لتغير جهد الأكسدة والاختزال في البيئة.

تستقبل البحيرات المياه، غالبًا من مصادر متعددة ذات خصائص متفاوتة. عادةً ما تترسب المواد الصلبة القادمة من الجداول قرب مصبها، وتبعًا لعوامل مختلفة، قد تطفو المياه الواردة فوق سطح البحيرة، أو تغوص تحته، أو تختلط بسرعة بمياهها. كل هذه الظواهر قد تؤثر على نتائج أي رصد بيئي ما لم تُفهم هذه العمليات جيدًا.

غالباً ما يكون لون المياه العذبة، أو مدى صفائها أو عكارتها، هو السمة المرئية الأكثر وضوحاً. مع ذلك، لا يُعدّ اللون ولا العكارة مؤشرين قويين على التركيب الكيميائي العام للماء. لكنّ كلاً من اللون والعكارة يُقلّلان من كمية الضوء التي تخترق الماء، وقد يكون لهما تأثير كبير على الطحالب والنباتات المائية. وتعتمد بعض الطحالب بشكل خاص على المياه ذات اللون والعكارة المنخفضين.

تتميز العديد من الأنهار التي تصب في الأراضي المرتفعة المغطاة بالخث بلون بني مصفر داكن للغاية ناتج عن الأحماض الدبالية الذائبة .

يُعدّ الصرف الصحي المعالج أحد المصادر الرئيسية لارتفاع تركيزات المكونات الكيميائية العضوية.

تُقاس المواد العضوية الذائبة عادةً باستخدام اختبار الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) أو اختبار الطلب الكيميائي على الأكسجين (COD). وتُعدّ المكونات العضوية ذات أهمية بالغة في كيمياء الأنهار لما لها من تأثير على تركيز الأكسجين الذائب، ولما قد تُحدثه الأنواع العضوية الفردية من تأثير مباشر على الكائنات المائية.

تستهلك أي مادة عضوية قابلة للتحلل الأكسجين أثناء تحللها. وعندما ترتفع تركيزات المواد العضوية بشكل ملحوظ، قد يكون تأثير ذلك على تركيزات الأكسجين كبيراً، ومع ازدياد الظروف قسوةً، قد يصبح قاع النهر خالياً من الأكسجين .

تُؤثر بعض المكونات العضوية، مثل الهرمونات الاصطناعية والمبيدات الحشرية والفثالات ، بشكل مباشر على عمليات الأيض في الكائنات المائية، بل وحتى على الإنسان الذي يشرب مياه النهر. ويكتسب فهم هذه المكونات وكيفية تحديدها وقياسها أهمية متزايدة في فهم كيمياء المياه العذبة.

توجد مجموعة واسعة من المعادن في الأنهار من مصادر طبيعية، حيث توجد خامات المعادن في الصخور التي يجري فوقها النهر أو في طبقات المياه الجوفية التي تغذيه. ومع ذلك، فإن العديد من الأنهار تعاني من زيادة في تركيز المعادن نتيجة للأنشطة الصناعية، بما في ذلك التعدين واستخراج المعادن ومعالجتها واستخدامها.

تتنوع مصادر المركبات النيتروجينية، بما في ذلك انجراف أكاسيد النيتروجين من الغلاف الجوي، وبعض المدخلات الجيولوجية، وبعضها الآخر ناتج عن تثبيت النيتروجين بواسطة النباتات المائية والطحالب . مع ذلك، بالنسبة للعديد من الأنهار القريبة من المناطق السكنية، يُعدّ الصرف الصحي، سواءً كان معالجًا أم لا، المصدر الرئيسي للنيتروجين. وينتج النيتروجين من نواتج تحلل البروتينات الموجودة في البول والبراز . ونظرًا لذوبان هذه النواتج بدرجة عالية، فإنها غالبًا ما تمر عبر عملية معالجة مياه الصرف الصحي وتُصرّف إلى الأنهار كجزء من مياه الصرف الصحي المعالجة. وقد يكون النيتروجين على شكل نترات ، أو نتريت ، أو أمونيا ، أو أملاح الأمونيوم، أو ما يُسمى بالنيتروجين الألبوميني، أي النيتروجين الموجود داخل جزيء بروتيني عضوي.

تُعدّ أشكال النيتروجين المختلفة مستقرة نسبيًا في معظم أنظمة الأنهار، حيث يتحول النتريت ببطء إلى نترات في الأنهار الغنية بالأكسجين، بينما يتحول الأمونيا إلى نتريت/نترات. مع ذلك، تكون هذه العمليات بطيئة في الأنهار الباردة، وغالبًا ما يُعزى انخفاض التركيز إلى التخفيف البسيط. تمتص النباتات المائية والطحالب جميع أشكال النيتروجين، وغالبًا ما ترتبط المستويات المرتفعة منه بنمو النباتات المفرط أو التخثث . قد يؤدي ذلك إلى انسداد القنوات وإعاقة الملاحة . مع ذلك، من الناحية البيئية، يكمن التأثير الأهم في تركيزات الأكسجين المذاب، الذي قد يصل إلى حالة فوق التشبع خلال النهار نتيجة لعملية التمثيل الضوئي للنباتات ، ثم ينخفض ​​إلى مستويات منخفضة جدًا خلال الليل مع استهلاك تنفس النباتات للأكسجين المذاب. يصاحب إطلاق الأكسجين في عملية التمثيل الضوئي تكوّن أيونات البيكربونات التي تُسبب ارتفاعًا حادًا في درجة الحموضة، ويقابل ذلك في الظلام إطلاق ثاني أكسيد الكربون من خلال التنفس، مما يُخفض درجة الحموضة بشكل كبير. وبالتالي فإن المستويات العالية من المركبات النيتروجينية تميل إلى أن تؤدي إلى التخثث مع اختلافات شديدة في المعايير التي بدورها يمكن أن تؤدي إلى تدهور كبير في القيمة البيئية للمجرى المائي.

لأيونات الأمونيوم تأثير سام، خاصةً على الأسماك . وتعتمد سمية الأمونيا على كلٍ من الرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة، ويزيد من تعقيد الأمر تأثير التوازن الذي يُحدثه غشاء الخياشيم عند مستوى حموضة أعلى من 8.0 تقريبًا، والذي يُخفي أي سمية إضافية. وتُعد إدارة كيمياء الأنهار لتجنب الأضرار البيئية أمرًا بالغ الصعوبة، لا سيما في حالة الأمونيا، إذ يجب مراعاة نطاق واسع من السيناريوهات المحتملة للتركيز والرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة، بالإضافة إلى التقلبات اليومية في الرقم الهيدروجيني الناتجة عن عملية التمثيل الضوئي. وفي أيام الصيف الدافئة ذات التركيزات العالية من البيكربونات، قد تنشأ ظروف سامة غير متوقعة.

توجد مركبات الفوسفور عادةً على شكل فوسفات غير قابل للذوبان نسبيًا في مياه الأنهار، وباستثناء بعض الحالات الاستثنائية، يكون مصدرها الزراعة أو مياه الصرف الصحي. يُمكن للفوسفور أن يُحفز النمو المفرط للنباتات والطحالب، ويُساهم في ظاهرة التخثث . إذا صب نهر في بحيرة أو خزان مائي، يُمكن أن تتحرك الفوسفات عامًا بعد عام بفعل العمليات الطبيعية. في فصل الصيف، تتطبق مياه البحيرات بحيث تطفو المياه الدافئة الغنية بالأكسجين فوق المياه الباردة الفقيرة بالأكسجين. في الطبقات العليا الدافئة - الإبيليمينيون - تستهلك النباتات الفوسفات المتاح. وعندما تموت النباتات في أواخر الصيف، تسقط في طبقات المياه الباردة في الأسفل - الهيبوليمينيون - وتتحلل. خلال انقلاب المياه في فصل الشتاء، عندما تختلط مياه البحيرة تمامًا بفعل الرياح على مسطح مائي بارد، تنتشر الفوسفات في جميع أنحاء البحيرة مرة أخرى لتغذية جيل جديد من النباتات. تُعد هذه العملية أحد الأسباب الرئيسية لازدهار الطحالب المستمر في بعض البحيرات.

قد تتسرب رواسب الزرنيخ الجيولوجية إلى الأنهار حيث تُستغل المياه الجوفية العميقة، كما هو الحال في بعض مناطق باكستان . تحتوي العديد من خامات أشباه المعادن، مثل الرصاص والذهب والنحاس ، على آثار من الزرنيخ، وقد يؤدي سوء تخزين المخلفات إلى دخول الزرنيخ إلى الدورة الهيدرولوجية .

تُنتج جميع الأنهار الجبلية مواد صلبة خاملة، حيث تُساعد طاقة الماء في تفتيت الصخور وتحويلها إلى حصى ورمل ومواد أدق. يترسب جزء كبير من هذه المواد بسرعة، مُشكلاً ركيزة أساسية للعديد من الكائنات المائية. تحتاج العديد من أسماك السلمونيات إلى طبقات من الحصى والرمل لوضع بيضها. ^{[ 5 ]} قد تحجب أنواع أخرى كثيرة من المواد الصلبة، الناتجة عن الزراعة والتعدين واستخراج المحاجر ومياه الصرف الصحي، ضوء الشمس عن النهر، وقد تسد المسامات في طبقات الحصى، مما يجعلها غير صالحة للتكاثر ودعم حياة الحشرات.

تُساهم كلٌ من الزراعة ومعالجة مياه الصرف الصحي في تغذية الأنهار بتركيزات عالية جدًا من البكتيريا والفيروسات ، بما في ذلك طيف واسع من الكائنات الممرضة . حتى في المناطق قليلة النشاط البشري، يُمكن رصد مستويات كبيرة من البكتيريا والفيروسات مصدرها الأسماك والثدييات المائية، والحيوانات التي ترعى بالقرب من الأنهار، كالغزلان . كما قد تُؤوي المياه الجبلية التي تصب في المناطق التي ترعى فيها الأغنام والماعز والغزلان أنواعًا مختلفة من الطفيليات الانتهازية التي تُصيب الإنسان، مثل دودة الكبد . ونتيجةً لذلك، فإنّ عددًا قليلًا جدًا من الأنهار يُمكن شرب مياهها بأمان دون تعقيم أو تطهير. أما في الأنهار المُستخدمة في الأنشطة الترفيهية التي تتطلب ملامسة الماء، كالسباحة، فيُمكن تحديد مستويات آمنة من البكتيريا والفيروسات بناءً على تقييم المخاطر.

في ظل ظروف معينة، تستطيع البكتيريا استعمار المياه العذبة، مكونةً أحيانًا طبقات كثيفة من الحصائر الخيطية تُعرف بفطريات الصرف الصحي ، وعادةً ما تكون من نوع Sphaerotilus natans . ويُعد وجود هذه الكائنات مؤشرًا شبه دائم على التلوث العضوي الشديد ، ومن المتوقع أن يصاحبه انخفاض في تركيز الأكسجين المذاب وارتفاع في قيم الطلب البيولوجي على الأكسجين.

تُعدّ بكتيريا الإشريكية القولونية شائعة الوجود في المياه الترفيهية، ويُستخدم وجودها كمؤشر على التلوث البرازي الحديث، إلا أن وجودها لا يدل بالضرورة على وجود نفايات بشرية. وتوجد هذه البكتيريا في جميع الحيوانات ذوات الدم الحار، كما وُجدت في الأسماك والسلاحف. ^{[ 6 ]} وقد تبقى البكتيريا المعوية في البيئة لفترات طويلة في الطين والرواسب والرمل والتربة. ^{[ 7 ]}

يتأثر الرقم الهيدروجيني في الأنهار بتكوين جيولوجيا مصدر المياه، والملوثات الجوية، ومجموعة من الملوثات الكيميائية الأخرى. ولا يُرجح أن يُصبح الرقم الهيدروجيني مشكلة إلا في أنهار المرتفعات ذات القدرة المنخفضة جدًا على تنظيم الرقم الهيدروجيني، حيث قد تُؤدي أكاسيد الكبريت والنيتروجين الجوية إلى انخفاضه بشكل كبير ليصل إلى 4، أو في الأنهار القلوية الغنية بالمغذيات، حيث قد يُؤدي إنتاج أيونات البيكربونات في عملية التمثيل الضوئي إلى رفع الرقم الهيدروجيني إلى ما فوق 10.