Тема 7. Характеристики гидросферы, ее проблемы и пути их решения

Запасы воды в биосфере. Роль воды в биосфере. Региональные и межрегиональные аспекты водопользования. Источники и виды загрязнения гидросферы. Состояние водной среды Беларуси. Методы охраны водных ресурсов в Беларуси. Международная деятельность по охране водных ресурсов.

Гидросфера Земли и состояние водоемов

Гидросферой называют водную оболочку Земли, представляющую собой совокупность океанов, морей, рек, озер, прудов, болот, подземных и почвенных вод, ледников. 70 % земной поверхности покрыто водой. Общее количество воды на Земле оценивается в 1386 млн км³. Максимальный объем воды – 95 % от общих запасов – приходится на долю Мирового океана. Средняя соленость океанической воды составляет 35 г/л, пресная же вода должна содержать не более 1 г/л солей. По этой причине океаническая вода не используется на хозяйственные нужды. Запасы пресной воды на планете составляют всего 2,5 % мировых ресурсов (около 35 млн км³) и представлены они водами рек, озер и подземными (грунтовыми) водами. 70 % запасов пресной воды сосредоточено в ледниках и вечных снегах. Естественными «кладовыми» пресной воды являются оз. Байкал (Россия), на долю которого приходится 1/5 мирового объема питьевой воды, Великие озера Северной Америки, финское Озерное плато, насчитывающее 60 тыс. озер, и подземное оз. Лост-Си в пещере Крэгхед (США).

Вода – единственное вещество на Земле, существующее в природе в трех агрегатных состояниях, благодаря чему происходит большой круговорот воды (гидрологический цикл). Он связывает воедино все части самой гидросферы и обеспечивает ее взаимодействие с атмосферой, литосферой и биосферой. Ежегодно с поверхности Земли испаряется около 525 тыс. км³ воды, 86 % из которой – это соленая вода Мирового океана. Конденсируясь, атмосферный пар дает начало и подпитку пресной воде рек, озер, ледников, а также почвенной влаге и подземным водам. Таков механизм непрерывного естественного опреснения воды в процессе ее круговорота.

Вода является одним из важнейших неисчерпаемых природных ресурсов, обеспечивая существование живых организмов на Земле. Без нее невозможно развитие процессов жизнедеятельности, поскольку она входит в состав всех клеток и тканей любого животного или растительного организма.

Вода формирует земную кору Земли, рельеф и береговую линию, благодаря ей осуществляется дрейф континентов, деятельность вулканов и т. д.

Климат и погода на Земле определяются наличием водных просторов и количеством водяного пара в атмосфере. Океаны и моря, благодаря большой теплоемкости, способны формировать циклоны и антициклоны, влияя на погоду. Кроме того, растворяя газы атмосферы, океан является регулятором состава воздуха.

Отличительной чертой XX в. стал быстрый рост водопотребления, который в 2,5 раза был быстрее роста народонаселения. Огромное количество воды расходуется и сегодня. Население планеты ежесуточно потребляет 7–8 км³ пресной воды – это столько, сколько всех ископаемых природных ресурсов используется за целый год.

На первом месте по объему потребления стоит сельское хозяйство, которое забирает огромное количество воды на орошение земель и нужды животноводства. Например, для производства 1 кг мяса необходимо затратить 25 т воды, для получения 1 кг молока – 4 т.

Большое количество воды потребляется промышленностью, где она используется для растворения, смешивания, очищения, охлаждения режущего инструмента и т. п. Об объемах потребления пресной воды на производстве говорят следующие цифры: для выплавки 1 т чугуна расходуется от 50 до 150 м³, 1 т пластмасс – от 500 до 1000 м³, 1 т бумаги – свыше 1000 м³, а получение 1 т искусственных тканей требует до 6000 м³ воды.

Предприятиям теплоэнергетики требуются значительные объемы воды – для ТЭЦ мощностью в 2,5 МВт необходимо 1,5∙10 м³ воды, а развитие гидроэнергетики идет по пути сооружения каскадов ГЭС.

Активными потребителями водных ресурсов являются такие отрасли народного хозяйства, как водный транспорт и рыбное хозяйство.

На коммунально-бытовые нужды в разных странах мира уходит от 10 до 30 % общего потребления воды. В развивающихся странах обеспеченность водой в расчете на 1 человека в сутки не превышает 150–200 л, в высокоразвитых – в 2–3 раза больше. Анализ структуры потребления воды жителями городов показывает, что основной процент расхода воды приходится на ватерклозеты (до 50 %), 30–35 % – гигиенические процедуры, мытье посуды – 6 %, приготовление пищи – 5 %, стирка – 4 %, уборка – 3 %.

Изучение состояния водных ресурсов в связи с неуклонным ростом их потребления в мире показало, что во многих странах с развитой экономикой назрела угроза недостатка воды. Проблема нехватки водных ресурсов возникла по следующим причинам:

• интенсивное водопотребление, связанное с высоким ростом народонаселения планеты;

• развитие отраслей народного хозяйства, требующих значительных затрат водных ресурсов;

• потеря воды вследствие сокращения водоносности рек;

• загрязнение водных объектов промышленными, бытовыми и сельскохозяйственными стоками.

Эксперты ООН говорят о том, что более половины крупнейших рек серьезно истощены и загрязнены, в результате чего подвергается опасности здоровье и жизнь по крайней мере 3 млрд жителей Земли. Самыми загрязненными реками являются Хуанхэ, Амударья, Сырдарья, Колорадо, Нил, Ганг и Волга. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) отмечает, что на планете от низкого качества воды ежегодно умирает около 5 млн человек, и это в основном дети, а получают разной степени отравления или заболевания свыше 500 млн.

Наша страна относится к регионам, достаточно хорошо обеспеченным водой. Одним из основных показателей, характеризующих ресурсы поверхностных вод, является суммарный средний поверхностный сток за год в расчете на 1 млн жителей. В Беларуси он составляет 5,8 км³, а среднемировой уровень – около 4 км.

Реки РБ принадлежат к бассейнам 2 морей: Черного – 56 % территории и Балтийского (44 %). Общее количество рек превышает 20 тыс., их суммарная протяженность составляет более 90 тыс. км. Подавляющее большинство рек на нашей территории относятся к малым. Статус крупных, в соответствии с площадью водосбора, имеют 7 рек: Западная Двина, Неман, Вилия (Балтийский бассейн) и Сож, Припять, Днепр, Березина (Черноморский бассейн).

Неравномерность стока по годам компенсируется запасом поверхностных вод в озерах и искусственных водохранилищах. В РБ около 11 000 тысяч озер. Их общая суммарная площадь зеркала – более 2 тыс. км², объем запасов воды – 6–7 км³. Более 75 % всех озер относятся к малым, их площадь не превышает 0,1 км². Статус крупных, свыше 20 км² по площади, имеет 9 озер. Среди них самые большие – это Нарочь, Освейское и Червоное.

Количество крупных искусственных водохранилищ в РБ составляет 136, суммарный объем воды в них около 3 км³, площадь зеркала около 2 тыс. км². Таким образом, общая площадь всех озер Беларуси составляет 1,5 % от всей площади территории.

Ресурсы пресных подземных вод нашей страны составляют 15,9 км³ в год.

Среднегодовое потребление воды в РБ составляет около 2 км³. Если сложить запасы поверхностных и пресных вод РБ, они составят приблизительно 83–84 км³ в год, а потребляются из них около 2,4 %.

Таким образом, обеспеченность водными ресурсами нашей республики выше среднемирового показателя и можно констатировать, что имеющиеся водные ресурсы полностью покрывают потребности развития хозяйственной деятельности при условии осуществления мероприятий их защиты от загрязнения, сохранения и рационального использования.

Более половины водозабора производится из подземных источников. Самое значительное количество воды изымается для Минска, около 320 млн м³, из них около 40 % поступает из поверхностных источников.

Основным потребителем воды в РБ является жилищно-коммунальное хозяйство (43 % общего потребления), промышленность забирает 30 % и около 26 % – сельское хозяйство.

Следует отметить, что по уровню потребления воды на душу населения (примерно 220 л на человека в сутки) РБ значительно превосходит такие страны, как Германия, Швеция, Норвегия и т. д., где вопросы экономии водных ресурсов являются одними из приоритетных.

Причинами сложившейся ситуации являются потери воды при транспортировке (около 6 %) и ее неэкономное расходование в быту.

Виды и источники загрязнения воды

В Республике Беларусь около 50 % источников так называемого нецентрализованного водоснабжения (криниц, колодцев и т. д.) и около 25 % централизованного по содержанию загрязняющих соединений не соответствуют нормам. Таким образом, складывается парадоксальная ситуация: при общем достаточном количестве воды ситуация с обеспечением качественной водой, пригодной для питья и культурно-бытовых целей, остается крайне неблагоприятной.

Для того, чтобы иметь возможность прогнозировать ситуацию с водоснабжением и разрабатывать средства защиты водных объектов, необходимо знать основные источники и виды их загрязнения.

Виды загрязнения воды

Различают следующие виды загрязнения воды: химическое, биологическое, физическое, радиоактивное, тепловое.

Химическое загрязнение обуславливается наличием в воде примесей, имеющих химическое происхождение, в основном в результате человеческой деятельности. Это нефть и другие горюче-смазочные материалы, органические смолы, жиры и другие соединения, щелочи, тяжелые металлы, нитраты, фосфаты, минеральные кислоты и т. д. Их источником в первую очередь является промышленное производство и сельскохозяйственная химизация.

Крупнейшим загрязнителем является нефть. По статистике ООН ежегодно в воды мирового океана в результате деятельности нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности, аварий при транспортировке и т. д. выливается в среднем около 10–15 млн т нефти. Для сравнения эта цифра ненамного ниже, чем ежегодная потребность в нефти нашей страны. Одна капля нефти при разливе образует на поверхности воды пятно до 1 м в диаметре и может мигрировать без разрушения на расстояние в сотни километров от места аварии.

В нашей стране в составе сточных вод ежегодно сбрасывается в водные объекты около 250 т нефти, в том числе в р. Свислочь – около 110 т.

Взвешенные частицы уменьшают прозрачность воды, тем самым уменьшая проникновение в нее света, что в свою очередь снижает интенсивность фотосинтеза водных растений и аэрацию водной среды. Взвешенные вещества влияют на температуру и состав растворенных компонентов поверхностных вод, они способствуют заилению дна в зонах с малой скоростью течения, оказывают неблагоприятное воздействие на жизнедеятельность водных организмов.

Повышенное содержание аммонийного азота отрицательно сказывается на состоянии водной флоры и фауны. Рост его концентрации в водоемах стимулирует процесс эвтрофикации.

Эвтрофикацией называют избыточное поступление в водоемы биогенных элементов. К биогенным относятся элементы, непосредственно воздействующие на рост и развитие растений. В первую очередь это азот и фосфор. Эвтрофикация приводит к усиленному росту водорослей и цветению поверхностных вод. В результате происходит заболачивание водоемов, нарушение и изменение видового разнообразия водных экосистем, уменьшение площади зеркала воды, снижение потребительских качеств вод. Эвтрофикация отмечена более чем в 70 % водоемов РБ.

Фосфаты – это соли фосфорной кислоты. Источник их поступления в водоемы это деятельность промышленных предприятий, а также химизация сельского хозяйства. Фосфор – это элемент, который является токсичным для всех живых организмов в повышенных концентрациях. Именно фосфор и его производные являются ключевыми элементами, стимулирующими процесс эвтрофикации как в водоемах РБ, так и в других регионах.

Исключительно опасными соединениями для всех живых организмов при их поступлении в избыточном количестве являются нитраты. Нитраты – это соли азотной кислоты. Существует один основной путь воздействия нитратов на человеческий организм – через пищеварительный тракт.

Отрицательное действие нитратов подразумевает суммарную токсичность нитритов (как продуктов их трансформации в организме) и нитратов, выраженную в острой и хронической формах. Опасность негативных последствий поступления нитратов усугубляется возможностью синтеза канцерогенных нитрозосоединений.

Особенно опасно отрицательное воздействие нитратов для детей. Это связано, во-первых, с интенсивным ростом, а во-вторых, с физиологическими особенностями детского организма (содержанием гемоглобина, рН желудочного сока и т. д.).

Химическое загрязнение приводит к целому ряду заболеваний, в том числе раковым и болезней крови у человека, отрицательно сказывается на состоянии водной флоры и фауны, провоцирует «цветение» и зарастание водоемов и т. д.

Биологическое загрязнение главным образом обуславливается коммунально-бытовыми стоками и сельскохозяйственным животноводством. Этот вид загрязнения воды исключительно опасен и может приводить к эпидемиям серьезнейших заболеваний. Наличие связей между загрязнением воды и передающимися через нее заболеваниями было установлено и документально зафиксировано еще в XIX в. В этой связи английский врач Дж. Сноу в 1854 г. проследил протекание вспышки холеры в Лондоне. Исследования показали, что болезнь распространилась от р. Темза, сильно загрязненной неочищенными канализационными стоками, а причиной явились бактерии, размножившиеся в этих нечистотах. Об этом открытии и сегодня напоминает мемориальная доска, установленная в его честь в Лондоне. Но, несмотря на то, что с этого момента связь загрязнения воды и заболеваемости неоспорима, биологическое загрязнение по-прежнему остается одной из основных причин болезней в мире. По статистике ООН, свыше трети мирового населения не имеет доступа к безопасной питьевой воде, а 25 000 человек ежедневно умирают от болезней, прямо связанных с загрязненной водой. Биологическое загрязнение, несмотря на жесткий эпидемиологический контроль, остается актуальной проблемой для нашей страны. Достаточно сказать, что ежегодно объем жидких навозных стоков в РБ достигает 20 млн м³. Значительная часть этих стоков в конечном итоге попадает в водоприемники, являясь потенциальной причиной биологического загрязнения.

Физическое загрязнение воды вызывается главным образом смывом и сдуванием почвенных частиц в водоприемники, т. е. эрозией почвы, а также работой таких отраслей промышленности, как деревообрабатывающая и целлюлозобумажная. Такое загрязнение также может приводить к достаточно серьезным последствиям. Снижает возможности использования воды для культурно-бытовых целей, вызывает гибель обитающих в водоемах организмов и т. д. Знаменитая р. Яньцзы в Китае получила свое второе название Желтая река именно из-за чрезвычайно высокого содержания в ней смытых с полей глинистых частиц.

Крайне актуальным для Беларуси является еще один вид загрязнения – радиоактивное. Выпавшие в результате аварии на ЧАЭС радионуклиды способны закрепляться на длительный срок в донных отложениях, являясь источником потенциальной опасности для всех живых организмов.

Тепловое загрязнение обуславливается сбросом теплых вод, использовавшихся при охлаждении на ТЭЦ и АЭС, а также промышленных предприятиях в открытые водные объекты. Температура таких вод на десятки градусов выше, чем природных водоемов, поэтому их неконтролируемый сброс приводит к изменению видового разнообразия водных организмов, нарушению экологического равновесия экосистем, снижению качества и «цветению» воды.

Источники загрязнения гидросферы

1. Атмосферные воды, несущие массу вымываемых из атмосферы загрязнителей промышленного и бытового происхождения. Кроме того, стекая по склонам, атмосферные и талые воды дополнительно увлекают за собой с городских улиц, авто- и железных дорог, промышленных территорий мусор, нефтепродукты, фенолы, соли, тяжелые металлы.

2. Городские сточные воды – канализация и бытовые стоки. Особая опасность заключается в том, что с такими водами передается ряд тяжелых инфекционных заболеваний – дизентерия, гепатит, холера, паратиф.

3. Промышленные сточные воды, образующиеся в таких отраслях производства, как черная металлургия, машиностроение, химическая и лесохимическая, нефтеперерабатывающая и т. д.

Из перечисленных источников в природные водоемы поступают различные химические соединения и вещества. К числу наиболее опасных и распространенных загрязняющих веществ относится нефть и нефтепродукты. Так, ежегодно в Мировой океан попадает 13–14 млн т нефти, 97 % из которых приходится на сброс береговых и плавучих объектов (прежде всего за счет аварий танкеров и работы судовых дизелей). Каждая тонна нефти, растекаясь по водной поверхности, образует пленку из масел на площади 12 км². В результате затрудняется газообмен с атмосферой, гибнут растения и животные вследствие токсического отравления продуктами разложения нефти.

Не менее опасно для живых водных обитателей смывание с полей химических средств, применяемых в сельском хозяйстве. С талыми и паводковыми водами в ближайших водоемах оказываются не только минеральные удобрения, но и пестициды, буквально уничтожающие биоценоз рек. Ученые считают, что именно пестициды привели к сокращению поголовья тюленей в Балтике и промысловой рыбы в Атлантике. Сточные воды животноводства, содержащие большое количество азота, приводят к «цветению» воды вследствие бурного роста водорослей. Этот процесс сопровождается интенсивным потреблением кислорода, а его же недостаток влечет гибель водорослей, что снова требует большого количества кислорода. В результате развивается его нехватка, влекущая гибель остальных обитателей водоема.

В последнее время в воде все чаще встречаются такие тяжелые металлы, как свинец, ртуть, цинк, медь, олово и др. Накапливаясь в организме водных обитателей, они по пищевым цепочкам попадают на стол человека. Токсиканты класса тяжелых металлов, как правило, вызывают у человека серьезные заболевания и изменение процессов жизнедеятельности водных организмов.

Тепловые и атомные электростанции, используя воду в качестве охлаждающего агента, приводят к тепловому загрязнению вод. Сбросовые воды на 8–10 °С выше естественной температуры водоемов, что приводит к интенсивному развитию планктона. В результате вода «цветет», ухудшаются ее санитарно-гигиенические показатели (цвет, вкус, запах).

Источниками радиоактивных веществ в водных объектах являются заводы по очистке урановой руды, переработке ядерного горючего для атомных реакторов, АЭС, захоронение радиоактивных отходов и, конечно, атомный морской флот.

Одно из проблемных загрязнений рек связано с заготовкой, обработкой и сплавом леса. Перед сплавом древесина обрабатывается ядохимикатами, плывущий лес ранит рыбу, кора, сучья, ветки засоряют дно, из древесины в воду выделяются смола и вредные вещества. В результате гниения и разложения древесины поглощается кислород в воде, размножаются микробы, вызывая болезнь или гибель рыбы.

Методы снижения загрязнения гидросферы

1. Установление прибрежных защитных и водоохранных зон в соответствии с Водным кодексом страны, где запрещаются любые работы (распашка земли, выпас скота) и вырубка насаждений, применение пестицидов, размещение предприятий и ферм.

2. Отказ от особо ядовитых сельскохозяйственных пестицидов, прежде всего хлорсодержащих.

3. Уменьшение сбросов промышленных предприятий за счет снижения водоемкости производства и применения оборотных (замкнутых или полузамкнутых) систем водоснабжения.

4. Разделение и очистка перед сбросами в водоемы промышленных и хозяйственно-бытовых стоков.

5. Снижение опасности загрязнения водоемов нефтью и нефтепродуктами за счет повышения надежности транспортировки и организационно-правовых мер.

Методы очистки сточных вод

Инженерные мероприятия включают различные методы очистки сточных вод, такие как механические, физико-химические, биологические и комбинированные.

Механический метод – удаление из сточных вод нерастворенных примесей путем их отстаивания и фильтрации. Отстаивание является наиболее распространенным способом, для чего используются специальные емкости – отстойники. Грубые примеси задерживаются на решетках, более мелкие улавливаются ситами. Для удаления поверхностных загрязнителей используют различные специальные ловушки (нефтеловушки, жироловки и т. д.).

При физико-химическом методе из сточных вод удаляют тонкодисперсные и растворенные неорганические загрязнители, а также частично органические. Для этих целей используют добавление специальных химических реактивов, которые вступают в реакцию с загрязнителями и способствуют их осаждению (например, хлорирование). Также применяют электролитический метод, метод озонирования воды и т. д.

Биологический метод, как правило, используется на заключительном этапе очистки. Среди биологических устройств различают биофильтры, биологические пруды и аэротенки.

Биофильтры основаны на пропускании сточных вод через слой крупнозернистого материала, покрытого биологической пленкой, способствующей биохимической фильтрации.

Биологические пруды являются самым распространенным методом очистки сточных водных ресурсов на предприятиях РБ. Биологические пруды используют для очистки в естественных условиях. Они представляют собой неглубокие (до 1 м) резервуары, которые устраиваются сериями на местности, имеющей уклон, и через которые самотеком медленно проходит вода, подвергаясь воздействию естественных фильтров очищения (солнечный свет, кислород, температура, биологические организмы). Их действие основано на способности воды к самоочищению под влиянием физических и биологических факторов.

Аэротенки представляют собой специальные резервуары с принудительной аэрацией. В аэротенках сточные воды смешиваются со специальным бактериальным илом. Бактерии выделяют ферменты, способствующие осаждению загрязнителей, прежде всего органических путем образования и выпадения на дно нерастворимых комплексов, таким образом осуществляется очистка воды. Для качественной очистки, как правило, необходима многоступенчатая система. Например, на первом этапе – фильтрация и отстаивание, на втором – химическая очистка, на третьем – биологическая. Как правило, в Беларуси используется двухступенчатая очистка. При таких методах на заключительном этапе необходимо 7–10-кратное разбавление воды, которая сбрасывается в природные приемники. Одной из сложных проблем также является утилизация отходов. Для этой цели используют различные методы химического обеззараживания, высушивание, компостирование, брикетирование, термическое сжигание и т. д. в зависимости от класса отходов.

Таким образом, вода является важнейшим природным ресурсом нашей планеты. Это связано с тем, что она является не только важнейшей частью любого организма и потеря 20 % ее является смертельной, но и с тем, что вода регулирует климат, является важнейшим сырьем и без нее невозможно ведение сельскохозяйственного производства. Сельское хозяйство потребляет 65 % всех потребляемых пресных вод. Кроме того, вода является наиболее дешевым транспортным путем и источником энергии.

Запасы воды в мире составляют около 1,5 млрд км³ – т. е. с учетом круговорота запасы воды на планете неисчерпаемы. Однако в связи с тем, что 96 % запасов воды – это соленые воды мирового океана, а из оставшихся запасов свыше 70 % находится в виде полярных ледников, то на долю доступной пресной воды приходится не более 0,2–0,3 % от всех водных запасов планеты. Эта вода распространена неравномерно, и поэтому многие страны испытываю значительный дефицит в водных ресурсах.

Наша страна достаточно хорошо обеспечена водой. Суммарный годовой сток составляет 5,8 кубических километров на 1 миллион жителей (среднемировой показатель – около 4 км ³). В Беларуси около 11 тыс. озер, общая площадь которых более 2 тыс. км², более 20 тыс. рек с общей протяженностью более 90 тыс. км. В то же время среднее водопотребление в Беларуси составляет около 250 л в сутки на человека, что гораздо выше, чем в развитых странах.

Система мероприятий по защите вод от загрязнения в условиях интенсивного использования включает:

1) систему нормирования, которая позволяет контролировать избыточное попадание загрязнителей в количествах, превышающих предельно допустимые концентрации (ПДК). При превышении загрязнителями ПДК необходимо проводить очистку воды перед ее сбросом в водоемы. При контроле качество воды определяется индексом загрязнения вод, который делится на 7 классов – от относительно чистой до очень грязной;

2) инженерные мероприятия которые заключаются в различных методах очистки сточных вод и подразделяются на механические, физико-химические и биологические.

Контрольные вопросы

1. Что такое гидросфера?

2. Перечислите функции воды.

3. Почему мы говорим о дефиците воды?

4. Чем представлены водные ресурсы планеты?

5. Кто является основными водопотребителями? Объясните, почему.

6. Чем представлены водные ресурсы Беларуси?

7. Какое на сегодняшний день потребление пресной воды в Беларуси? Как это соотносится с европейскими показателями?

8. С чем связаны большие потери в водопотреблении?

9. Опишите основные мероприятия по охране вод от загрязнения.

10. Что такое нормирование?

11. Что такое ИЗВ?

12. Опишите методы очистки сточных вод.