Природная вода, ее характеристика, распространение и использование.
Водные запасы на Земле огромны, они образуют гидросферу – одну из мощных сфер нашей планеты. Вода находится также в литосфере и атмосфере. Гидросфера объединяет Мировой океан, моря, реки и озера, болота, пруды, водохранилища, полярные льды и горные ледники, подземные воды, почвенную влагу и пары атмосферы. Водные ресурсы слагаются из статических (вековых) запасов и возобновляемых ресурсов.
Вода – химическое соединение водорода и кислорода (Н2О) – жидкость без запаха, вкуса, цвета (в толстых слоях голубоватая); плотность 1,000 г/см3 при температуре 3,98°С. При 0°С вода превращается в лед, при 100С – в пар. Молекулярная масса воды 18,0153.
Вода – уникальное вещество по своим физическим и химическим свойствам. Полярность молекул и наличие между ними «водородных» связей определяет уникальные свойства воды. Наибольшая плотность воды при температуре 3,98°С, при дальнейшем охлаждении вода переходит в лед, что сопровождается уменьшением ее плотности. Уменьшение объема вместо расширения происходит при плавлении (таянии) льда. Летучесть воды небольшая. У нее очень высокие теплота плавления и удельная теплоемкость: при плавлении льда теплоемкость увеличивается более чем в двое. Теплоемкость воды с повышением температуры до 27°С уменьшается, а затем вновь начинает возрастать. Вязкость воды (при температуре от 0 до 30°С) уменьшается с повышением давления.
Вода – наиболее распространенное на Земле вещество. В природе она находится в трех фазах: газообразной (пары воды), жидкой и твердой. Различают воду атмосферную, поверхностную (гидросфера) и подземную.
Вода встречается в парообразном состоянии в воздушной оболочке, окружающей Землю, в капельножидком – в облаках, туманах и в виде дождя, твердом – в виде снега, града и кристалликов льда в высоких облаках.
В жидком состоянии вода составляет гидросферу, наполняя океаны, моря, озера, реки, болота, пруды и водохранилища. В твердом состоянии, в виде льда и снега она находится у полюсов планеты, на горных вершинах, зимой покрывает значительные площади водоемов и суши. В горных породах литосферы она присутствует в различных состояниях: пленочная, гигроскопическая, гравитационная, кристаллизационная, а также в виде пара.
Наибольшие запасы поверхностных вод сконцентрированы в Мировом океане, который занимает 361 млн. км3, или 70,8% поверхности Земли. Общая площадь океанов и морей в 2,5 раза больше площади суши. Воды ее соленые.
Большие запасы поверхностных вод сосредоточены в ледниках, озерах и реках. Ледники Земли являются важным аккумулятором воды, они расположены в приполюсных районах: в Антарктиде, на арктических островах и в горных районах. Воды ледников пресные.
Из всех видов поверхностных пресных вод приоритетное практическое значение имеет речной сток. По объему речного стока Россия стоит на втором месте после Бразилии. Реки являются основой водного фонда нашей страны. Почти 65% крупных городов России (Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Екатеринбург, Пермь и др.) используют для питьевых и технических нужд поверхностные, в основном речные воды. Подземные воды также входят в основу водного фонда страны. Подземные воды так называемой зоны активного водообмена – пресные и используются для питьевых и хозяйственных целей. Минеральные лечебные подземные воды используются санаторно-курортными и оздоровительными учреждениями, а также заводами розлива, теплоэнергетические (с температурой от 35 до 200°С) подземные воды – для теплоснабжения и получения электрической энергии; подземные воды, содержащие ценные компоненты (йод, бром, соли калия, магния, натрия) – для промышленной добычи.
Загрязнение и истощение водных ресурсов.
Пресные воды составляют ничтожную (около 2% гидросферы) долю от общих запасов воды в природе. Пресная вода, доступная для использования, находится в реках, озерах и подземных водах. Ее доля от всей гидросферы составляет 0,3%. Ресурсы пресной воды распределены крайне неравномерно, часто обилие воды не совпадает с районами повышенной хозяйственной деятельности. В этой связи возникают проблемы недостатка и истощения водных ресурсов и особенно пресной воды. Она усугубляется все возрастающими объемами ее использования.
Проблема истощения водных ресурсов возникает по нескольким причинам, главные из которых: неравномерное распределение воды во времени и пространстве, рост ее потребления человечеством, потери воды при транспортировке и использовании, ухудшение качества воды и как крайний случай – ее загрязнение.
Основные антропогенные причины истощения и загрязнения пресной воды – это отбор поверхностных и подземных вод; водоотлив из шахт, штолен; разработка месторождений твердых полезных ископаемых, нефти и газа, промышленных вод, выплавка серы; урбанизация: жилая застройка, энергетические объекты (АЭС ТЭЦ). Сильно загрязняют пресные воды предприятия промышленности: химической, пищевой, целюлозно-бумажной, черной и цветной металлургии, нефтеперерабатывающей, строительных материалов, машиностроительной.
Рост потребления пресной воды населением на планете определяется в 0,5 – 2% в год. В начале XXI столетия общий водоотбор достиг объема в 12 – 24 тыс. км3. Потери пресной воды увеличиваются с ростом ее потребления на душу населения и связаны с использованием воды для хозяйственных нужд. Чаще всего это объясняется несовершенством технологии промышленного, сельскохозяйственного производства и коммунальных служб. Потери воды из водонесущих коммуникаций в городах России – 30 – 35%. В городах областного значения они составляют примерно 10 – 15 млн. т в год и удваиваются через каждые 5 лет. Большие потери пресной воды происходят при разработке месторождений полезных ископаемых, при строительном осушении городских территорий.
В ряде случаев недостаток пресной воды связан с негативными последствиями деятельности человека. Например, строительство каналов, каскадов водохранилищ, орошение и обводнение пастбищ, осушение болот и т.д. не привели к ожидаемым положительным эффектам, напротив, проекты закончились жестокой расплатой: потерей и загрязнением водных ресурсов. Печальные свидетели небрежного и расточительного отношения к ресурсам пресных вод – заброшенные поселки и города в районах их истощения.
Потери воды и истощение водных ресурсов во многом связаны с недостаточным знанием природных условий (геолого-литологических и гидрогеологических, климатических и метеорологических, биологических), внутренних закономерностей и механизмов развития экосистем. Например, при создании водохранилищ не всегда учитываются усиление фильтрации в их борта, рост испарения при увеличении водной поверхности. Создание каскада прудов на реках наносит ущерб речному стоку. Осушение болот ведет к уменьшению запасов подземных вод, нарушению веками установившегося баланса влаги и ее циркуляции, изменению видового состава биоценозов и т.д. Строительство и использование каналов способствует резкому засолению почв, заболачиванию и огромным потерям пресной воды.
Ухудшение качества и загрязнение воды связано с попаданием в реки и другие поверхностные водоемы загрязняющих веществ, продуктов деятельности человека. Этот вид истощения пресных вод наиболее опасен и становится все более угрожающим для здоровья людей и состояния жизни на Земле. Его крайнее проявление – катастрофическое загрязнение вод.
Естественные изменения, в том числе ухудшение качества воды, связанные с соприкосновением с водой и переносом различных веществ, происходят постоянно. Они носят циклический, реже спонтанный характер: они бывают при извержении вулканов, землетрясениях, цунами, наводнениях и других катастрофических явлениях. В антропогенных условиях такие изменения состояния воды имеют однонаправленный характер: инородные вещества, попавшие в воду, накапливаются в ней, ухудшая органолептические, физические и химические свойства. Когда количество содержащихся в воде инородных веществ, особенно тех, которые оказывают неблагоприятное влияние на человека, животных и растения, достигает критических значений, вода из блага может превратиться в зло.
За последнее время большую тревогу вызывает загрязнение вод морей и Мирового океана в целом (фоновое загрязнение). Основными источниками их загрязнения служат бытовые и промышленные сточные воды (в прибрежных районах находится 60% крупных городов), нефть и нефтепродукты, радиоактивные вещества. Особую опасность представляют загрязнения нефтью и радиоактивными веществами. Предприятия приморских городов выбрасывают в море тысячи тонн различных, как правило, неочищенных отходов, в том числе канализационные стоки. В моря выносятся загрязненные речные воды. Нефть и нефтепродукты попадают в воду в результате промывки цистерн, емкостей, в которых транспортируется нефть. Огромное количество нефти оказывается в водах океанов и морей при авариях танкеров, нефтепроводов на нефтепромыслах, при разведке и эксплуатации нефтяных месторождений в зоне материковых шельфов. При авариях нефтяных скважин в море выбрасываются многие тысячи тонн нефти.
Загрязнение воды является причиной гибели морских животных: ракообразных и рыб, водоплавающих птиц, тюленей. Нередки случаю закрытия пляжей в связи с опасными концентрациями загрязняющих веществ в морской воде, вызванными многочисленными авариями судов, которые перевозят нефть и нефтепродукты. Опасны для окружающей среды несанкционированные или аварийные сбросы промышленных и хозяйственных отходов. В результате таких аварий происходит быстрое загрязнение речных вод вниз по течению. Загрязненные канализационные воды могут попасть в водозаборные сооружения.
Загрязнение вод Мирового океана радиоактивными веществами происходит в результате испытаний атомного оружия. Аварии атомных подводных лодок, судов с атомными реакторами, без сомнения, также служат причинами радиоактивного заражения значительных площадей морей и океанов. Загрязнение морской воды в дальнейшем приводит к концентрации радиоактивных веществ в растениях и животных по цепям питания.
Рациональное использование водных ресурсов.
Масштабы загрязнения и истощения водных ресурсов в настоящее время приняли угрожающий характер. Остро встала проблема нехватки пресной воды в густонаселенных районах, крупных промышленных центрах, в местах орошаемого земледелия. Отсутствие чистой питьевой воды, загрязнение водоемов являются причиной многих заболеваний человека, губительно сказываются на животном и растительном мире Земли. Во многих местах загрязнение пресных вод переходит из разряда локального в региональный.
Рациональное использование и охрана водных ресурсов как составная часть охраны окружающей природной среды представляет собой комплекс мер (технологических, биотехнических, экономических, административных, правовых, международных, просветительских и т.д.), направленных на рациональное использование ресурсов, их сохранение, предупреждение истощения, восстановление природных взаимосвязей, равновесия между деятельностью человека и средой. Важными принципами рационального использования водных ресурсов являются:
- профилактика – предотвращение негативных последствий возможного истощения и загрязнения вод;
- комплексность водоохранных мер – конкретные водоохранные меры должны быть составной частью общей природоохранной программы;
- повсеместность и территориальная дифференцированность охранных мер;
- ориентированность на специфические условия, источники и причины загрязнения;
- научная обоснованность и наличие действенного контроля за эффективностью водоохранных мероприятий.
Рациональное использование поверхностных вод. К поверхностным водам должны применяться в самой жесткой форме все меры рационального их использования. Поверхностные воды являются основным источником питьевых вод, связующим звеном с подземными водами, в них сосредоточены запасы рыбных ресурсов и т.д. Среди мер по регулированию качества и ресурсов поверхностных вод и их рациональному использованию должны доминировать профилактические меры, предотвращающие попадание загрязняющих веществ в водоемы и реки. Это переход на безотходные технологии в промышленности и сельском хозяйстве, жестокая очистка сточных вод.
Мероприятия по рациональному использованию и охране вод морей и Мирового океана заключается в устранении причин ухудшения качества и загрязнения вод. Особые меры по предупреждению загрязнения морской воды следует предусматривать при разведке и освоении нефтяных и газовых месторождений на материковых шельфах. Необходимо ввести запрет на захоронение токсичных веществ в океане, сохранять мораторий на испытания ядерного оружия под водой. Следует как можно быстрее ликвидировать последствия аварий и катастроф, при которых в океан попадают токсичные продукты.
Проблема охраны вод Мирового океана является глобальной, она касается всей планеты. Для их рационального использования и охраны морских вод необходимы совместные усилия всех государств мирового сообщества, ООН и ее подразделений. В значительной степени такие меры могут быть успешными при участии государств в международных природоохранных программах, которые предусмотрены международными соглашениями и конвенциями.
Рациональное использование подземных вод. Подземные воды являются наиболее ценными, а в некоторых районах и единственным источником питьевого водоснабжения. Благодаря естественной защищенности от поверхностного загрязнения они имеют стратегическое значение для крупных городов и промышленных центров как источник чистой питьевой воды при экологических катастрофах. Поэтому очень важно обеспечить их рациональное использование и охрану от истощения и загрязнения.
Мероприятия по рациональному использованию и охране подземных вод от истощения и загрязнения подразделяются на профилактические и специальные, общие и конкретные. К профилактическим мероприятиям относятся следующие:
тщательный выбор места расположения строящегося объекта при котором антропогенное воздействие на подземные воды будет минимальным;
соответствующее оборудование зон санитарной охраны (ЗСО) и соблюдение режима хозяйственной деятельности в их пределах;
учет степени защищенности при использовании подземных вод;
соблюдение режима эксплуатации, который определен нормативными документами и экспертизой Государственной комиссии по запасам (ГКЗ);
организация и ведение мониторинга подземных вод.
Одной из наиболее важных профилактических мер по рациональному использованию и охране подземных вод является создание зон санитарной охраны. Создание таких зон регламентируется Положением о порядке проектирования и эксплуатации зон санитарной охраны источников водоснабжения и водопроводов хозяйственно-питьевого назначения. Водоохраннные зоны состоят из трех поясов, в которых осуществляются специальные мероприятия, исключающие возможность загрязнения подземных вод. Первый пояс водоохранных зон – пояс строгого режима. Он включает территорию водозаборных, водопроводных и водопроводящих сооружений. Границы пояса устанавливаются в виде заграждения на расстоянии не менее 30 – 50 м от сооружений в зависимости от степени природной защищенности водоносного горизонта. Для береговых (инфильтрационных) водозаборных сооружений в границы первого пояса включается вся территория между рекой и водозаборными сооружениями, но не более 150 м. Здесь запрещаются все виды строительства, не имеющие отношения к эксплуатации водозаборного сооружения, и осуществляется планировка и отвод поверхностного стока, строгий контроль состояния воды и охрана территории. Второй и третий пояса водоохранных зон – пояса ограничений. Они предназначены для защиты подземных вод от микробного (второй) и химического (третий пояс) загрязнений. Площади зон определяются из расчета времени, в течение которого патогенные организмы погибают, а химические загрязнители полностью адсорбируются и нейтрализуются. Во втором и третьем поясах запрещены новое строительство, складирование отходов, размещение предприятий промышленности и сельского хозяйства. Постоянно осуществляется контроль за благоустройством и санитарным состоянием территории.
Специальные мероприятия по рациональному использованию и охране подземных вод от загрязнения направлены на изоляцию источников и очагов загрязнения, перехват загрязненных вод. При истощении вод применяют меры искусственного пополнения и увеличения питания подземных вод. Необходимы: утилизация шахтных и дренажных вод, которые в ряде случаев сбрасываются без применения, уменьшение и запрещение использования пресных вод на технические нужды, бережное расходование воды, уменьшение потерь при ее транспортировке и распределении. Минеральные воды должны использоваться только для лечебных целей.
Таким образом, рациональное использование и охрана как поверхностных, так и подземных вод включают общие (строгое соблюдение законодательных актов, уменьшение промышленных отходов, создание безотходных производств) и специфические меры (многократное использование вод, строительство очистных сооружений, соблюдение правил при разведке подземных вод, строительстве и эксплуатации водозаборов). Важным элементом рационального использования и охраны водных ресурсов планеты является их мониторинг.
