Полная версия

Главная arrow Экология arrow Общая экология

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

Водные ресурсы

Вода — основа жизни, по крайней мере, в её земных формах. Вода составляет от 50 до 97 % веса растений и животных. Человеческий организм на 2/3 состоит из воды. Общемировые запасы воды огромны. Однако для жизнедеятельности человека совершенно необходима пресная вода. Доступная пресная вода составляет лишь малую толику от этих запасов — не более 0,8 % (рис. 5.16), а на самом деле ещё намного меньше. Весь доступный поток пресной воды поступает на континенты в виде осадков. В настоящее время человечество близко к тому, что общая потребность в пресной воде окажется равной этому потоку (рис. 5.17). Из рис. 5.17 видно, что в значительной степени это связано не с реальной потребностью, а с высоким уровнем загрязнения источников пресной воды.

В нашем распоряжении имеются два источника пресной воды: подземные и поверхностные воды (рис. 5.18). После выпадения атмосферные осадки частично остаются на поверхности, а частично просачиваются в грунт под действием силы тяжести и диффузии (инфильтрация) до тех пор, пока их не остановит водонепроницаемый слой глины или сланцев. Так образуются безнапорные грунтовые воды, состав примесей в которых зависит от локальных условий — состава почв и осадков. Верхняя грани-

Атмосфера

Распределение мировых запасов воды. Запасы воды даны в тысячах кубических километров

Рис. 5.16. Распределение мировых запасов воды. Запасы воды даны в тысячах кубических километров

Озёра и реки

0,02%

Подземные воды

0,77%

Ледники

2,7%

Океаны и моря 96,5%

25

V*' v*1 v*

  • *A ^
  • -

- V^V^vA vA v* vA ^

чЛ S/A

уА%ЛчЛ>Л

vAvAvA^A

vAwAvAvN

V'V'yAyA

10

%A vAvAvA vAvAvAvA S/A «А ^ Ч/Л

V'^vAyA

_ VAVAVA vAvAs^vA vAV'v-'vA VAVAV'VA vA vA vAv''

VA vA vA ^

vAvAvA^ V*1 <»A vA s/*»

Vа yAyAvA

VAvAvAvA

Vа vA S/A

'Z' «А Vа VA^vAvA VAvAvA^ vAw*VAvA

VAvAvAvA H^vAvA VAvAvAvA vA »Л Vа ^A vA Vа Vа vA

vAvAs^vA vA ^А чА vA %A VAvAvA vAyAvAv" ЛчЛчЛчЛ

^VAvAvA Vа VAvAvA VAvAvAvA

(jgsppji Испарение и паводковый

Распределение и использование среднегодового потока пресной воды, выпадающего на континенты и равного 40 000 км

Рис. 5.17. Распределение и использование среднегодового потока пресной воды, выпадающего на континенты и равного 40 000 км3. Около 2/з выпавших осадков уходит с паводками или испаряется. Из оставшегося основного стока в 14 000 км3 примерно 6000 км3 приходятся на незаселённые территории. 8000 км3 образуют доступный для потребления поток, включая некоторые озёра (Байкал в первую очередь) и водохранилища. Суммарная потребность составляет 7000 км3, из которых около 3000 км3 выпадают из оборота в силу сильного антропогенного загрязнения, и только 4000 км3 пригодны для использования

Инфильтрация

о

Исп

П

Испарение

Поверхностный сток (реки)

Зерю

ало вод

ОТО

Почвенные воды

•-«4

° ° °°°°^очцаплрнию ГруНТОВЫе ВОДЫ^35

№;? .у '%/*!

  • -Гэ*«е „ -
  • •-'? во>^

ГГЭТКЗ -..... -а. я»®»*

*Напорные

воды

Водонепроницаемые слои

Рис. 5.18. Источники пресной воды

ца этого водоносного горизонта называется зеркалом вод. Когда зеркало вод оказывается выше поверхности почвы, образуются озёра и болота. Часть осадков задерживается губчатой структурой почвы (почвенные воды). Здесь лежит зона аэрации, где одновременно в порах почвы присутствуют и вода, и воздух. Именно из этой зоны питаются корни растений, а её водные запасы при отсутствии осадков пополняются за счёт капиллярного подъёма безнапорной воды, уровень которой при этом соответственно снижается.

Запасы напорных или артезианских вод располагаются ниже верхнего водонепроницаемого слоя и пополняются подземными потоками из источников, которые могут располагаться на расстояниях в десятки и сотни километров, например, из горных ледников. Соответственно, темпы пополнения артезианских вод не зависят от локальных источников. Эти воды могут находиться под значительным давлением, почему и называются напорными.

Вода из колодцев — это воды безнапорного горизонта, артезианскую воду добывают из глубоких скважин, откуда она часто поступает самотёком и даже фонтанирует. Распространённое убеждение в особой чистоте напорных вод в наше время, как это ни печально, часто оказывается ошибочным. Напорные воды могут поступать в сравнительно чистые регионы из сильно загрязнённых. В процессе длительной инфильтрации они очищаются от крупных частиц, но растворённые в них опасные соединения тяжёлых металлов мигрируют вместе с ними на значительные расстояния. Поэтому в окрестностях крупных промышленных центров и мегаполисов использование воды из обычных колодцев может оказаться предпочтительнее. Во всяком случае, химический контроль не только грунтовых, но и артезианских вод здесь является отнюдь не лишним.

Для своих нужд человек использует главным образом поверхностные воды рек и озёр. Для создания запасов воды и нужд гидроэнергетики создаются огромные водохранилища. Однако к их строительству необходимо подходить с большой осторожностью, так как при этом часто теряются большие площади лучших сельскохозяйственных угодий, и наносится непоправимый ущерб стадам наиболее ценных промысловых рыб. Пример экологической катастрофы, вызванной подобной деятельностью — волжский каскад гидроэлектростанций. Из-за их плотин резко сократилось стадо каспийского осетра, почти исчезли знаменитые волжские стерлядь, севрюга и белуга. Элементарные оценки показывают, что ущерб только от исчезновения этих ценнейших видов значительно превышает стоимость полученной электроэнергии.

Разумеется, роль искусственных озёр бывает различной в зависимости от района и характера стока. Равнинные водохранилища меняют водный режим зачастую на территориях, по площади превышающих их самих. Выше плотины территория водосбора перекрытой реки подтопляется и даже заболачивается, а ниже уровень грунтовых вод снижается, так как резко увеличивается площадь прямого испарения воды. Тепловой бюджет водохранилищ и естественных озёр может сильно различаться. Эти различия определяются конструкцией плотины. Если из водохранилища сбрасывается придонная вода, как, например, на гидроэлектростанциях, то в русло ниже плотины поступает холодная вода, богатая питательными веществами, но бедная кислородом. Тёплая вода остаётся в водохранилище. Такие водоёмы становятся аккумуляторами тепла и экспортерами биогенных веществ в противоположность озёрам, которые теряют воду с поверхности и функционируют, следовательно, как аккумуляторы биогенных веществ и экспортёры тепла. Характер сброса воды значительно влияет на условия в русле ниже плотины. На рис. 5.19 сравнивается температура воды в двух озёрах-водохранилищах на одном и том же дренажном бассейне. Одно из них с поверхностным сбросом, другое — с придонным. В водоёме с поверхностным сбросом в самый жаркий период лета температу-

Вертикальное распределение температуры воды в августе в двух озёрах на одной и той же реке

Рис. 5.19. Вертикальное распределение температуры воды в августе в двух озёрах на одной и той же реке. Озеро А образовалось, когда оползень запрудил реку. Озеро Б — водохранилище с искусственной плотиной. Озеро А расположено

ниже по течению, чем Б

ра воды в термоклине и глубже на 5—8 °С ниже, чем в водоёме с придонным сбросом.

Помимо изменения температуры водоёмов, влияние плотин с глубоководными шлюзами проявляется в следующем:

  • • в реку поступает более солёная вода, чем та, которая попадала бы с поверхности;
  • • водохранилище теряет весьма важные биогенные вещества, поэтому его продуктивные возможности уменьшаются, вместе с тем происходит эвтрофикация нижележащих участков реки;
  • • увеличиваются потери воды с испарением, так как поступающая тёплая вода задерживается, а холодная вода из нижних слоёв удаляется;
  • • вытекающая вода содержит мало растворенного кислорода, поэтому река может переработать меньшее количество органических отходов;
  • • сброс сероводорода и других восстановленных соединений ухудшает качество воды ниже по течению и в крайних случаях вызывает массовую гибель рыбы.

В масштабе земного шара основная масса используемой человеком пресной воды идёт на орошение. Другим важнейшим потребителем является промышленность. На рис. 5.20 показаны затраты воды на производство некоторых видов массовой продукции. При получении 1 т алюминия затрачивается 10 000 т воды. Ещё больше воды уходит на орошение при выращивании 1 т хлопка. В промышленно развитых странах индустриальное потребление примерно равно сельскохозяйственному. В аграрных странах почти вся вода идёт на орошение полей (рис. 5.21).

Значительная часть забранной из природных водоёмов воды возвращается в эти водоёмы, но слишком часто эта вода уже не-

1000л бензина 1т стали 1МВт-час 1т бумаги 1т резины 1т алюминия Автомобиль

-

П|

эомыш

ленное

л

н

0 2000 4000 6000 8000 10000

Тысячи литров

Сельскс

ХОЗЯЙСТ1

30

0 5000 10000 15000 20000

Тысячи литров

1т хлопка 1т говядины 1т риса 1т кукурузы 1т хлеба

Рис. 5.20. Расход воды при производстве основных видов продукции

Сельское

Две крайности в потреблении воды. Слева — распределение потребления воды в США (1990 г.), справа — типичное распределение потребления воды

Рис. 5.21. Две крайности в потреблении воды. Слева — распределение потребления воды в США (1990 г.), справа — типичное распределение потребления воды

в бедных странах

V/

Охлаждение электрооборудования

Промышленность Коммунальные нужды

Промышленность

Коммунальное хозяйство

Сточные воды 85%

Водозабор

_5

7 Водозабор

47 Основной поток

Орошение

Сельское хозяйство

Чистые

воды

? Умеренно Сильно

загрязнённые загрязненные

воды воды

Рис. 5.22. Большая часть потребляемой природной воды возвращается в водоёмы, но уже загрязнённой и мало пригодной для дальнейшего использования. Указано процентное отношение объёма возвращаемой воды к объёму

водозабора

пригодна для дальнейшего использования из-за ее загрязнения. Как показано на рис. 5.22, промышленность и коммунальные службы возвращают почти весь объём водозабора. Исчисление потребления воды при этом обычно ведётся по объёму водозабора, что неправильно. Если вода возвращается чистой (например, из охладительных систем или благодаря безупречным очистным сооружениям), то фактическое её потребление оказывается в 10 раз меньше водозабора. Но такая ситуация скорее исключение, чем правило. На практике сбрасываемая вода бывает очищена не полностью. Потребляемым природным ресурсом является не вода вообще, а именно чистая вода! Предположим, что концентрация хотя бы одного загрязняющего вещества в водосбросе вдвое превышает допустимую. Это означает, что для разбавления сброса до допустимого уровня загрязнения потребуется дополнительный объём чистой воды, равный сбросу. Тогда при 90%-ном возврате фактическое потребление чистой воды оказывается в 1,8 раза больше водозабора.

Структура городских очистных сооружений показана на рис. 5.23. К сожалению, полная обработка сточных вод во всех трёх ступенях — редко осуществляемый идеал. В лучшем случае очистные сооружения включают две первые ступени, и осветлённая после аэрационных прудов вода возвращается в реку или озеро, откуда была взята. Растворённые фосфаты и нитраты, попадая в водоём, ведут к его эвтрофикации. Многие другие опасные вещества и вирусы инфекционных заболеваний также попадают в водоём. В результате вода в нём становится непригодной для использования без предварительной достаточно глубокой очистки, а экосистема водоёма — сильно угнетена.

Сельскохозяйственные сбросы — это обычно результат свободного стока с полей в водоёмы или инфильтрации в грунтовые воды без всякой очистки. Поэтому они способны наносить огромный систематический ущерб запасам чистой воды. Смыв с полей плодородного слоя почвы и удобрений приводит к массовому размножению в водоёмах фитопланктона и, прежде всего, синезелёных водорослей. В результате начинается процесс эвтрофикации, в воде падает содержание кислорода, вода начинает «цвести», а затем «загнивает» и становится непригодной для использования. Попадание в водоёмы пестицидов усиливает этот процесс, так как первыми от пестицидов гибнут организмы, ответственные за очистку воды от органических остатков.

Сточные

воды

Предварительная

обработка

Фильтрование

через I песок I

зе:

Удаление пены и жиров

2Е=

Первичный

Осветление

(седиментация)

""'ЧУ ' "

Сгущение

отстоя

" ?

Сжигание отстоя

Удаление

золы

Неполная

обработка

. Активный П—у ил

ґї) (аэрация)

Перекачивание ила обратно

Вторичный (биологический)* ил

Сгущение

отстоя

Сжигание

отстоя

Удаление

золы

Полная

обработка

Удаление фосфатов

Отстой

ник

г*

Удаление азота

Танк отгонки аммиака

_

Бассейн повтор-

ного насыщения карбонатом

-7-

>=4ТЭ Образование г тл у иливание

хлопьев

Осветление ^ (седиментация)

Дополнитель нов удаление фосфатов и осветление

Регенерированная известь

В окружающую среду или для повторного использования (после хлорирования) в качестве питьевой воды

Полиэлектролит и (или) квасцы

/

Рис. 5.23. Три ступени обработки сточных вод (приведен один из вариантов третьей ступени). Многие города и мегаполисы уже реализовали первую и вторую ступени. Однако полная обработка на всех трёх ступенях используется очень редко, но её необходимо вводить как можно скорее, чтобы человечество не захлебнулось в собственных нечистотах

5.5. Водные ресурсы 245

Благодаря деятельности водных организмов, прежде всего моллюсков, водоёмы обладают мощной способностью к самоочищению. Проблема заключается в том, что чрезмерный сброс ядовитых веществ ведёт к массовой гибели этих организмов, после чего водоём становится «мёртвым», то есть полностью теряет способность самоочищаться. Подобные ситуации часто связаны с авариями на очистных сооружениях.

Поверхностные воды рек формируются в основном за счёт стока выходящих на поверхность грунтовых вод. Крупные равнинные реки образуются за счёт слияния многочисленных мелких рек и ручьёв, имеющих извилистое русло и замедленное течение. Эти водотоки вместе с верховыми озёрами и болотами образуют природные водохранилища — регуляторы запасов чистой пресной воды и потому нуждаются в тщательной охране от загрязнения и мелиоративных работ по осушению, спрямлению русла и тому подобного вмешательства. Замечательна роль бобров, строящих плотины на малых лесных реках и тем самым обеспечивающих оптимальный для экосистем водоток. Расширение за счёт болот и бассейнов малых рек пахотных площадей в одном месте ведёт к обезвоживанию гораздо больших территорий и лучших угодий ниже по течению, провоцирует гибель урожая в засушливые годы и наводнения в годы с избыточным выпадением осадков. В особой защите нуждаются берега малых водоёмов и водотоков. Чтобы избежать их разрушения, необходима тщательная охрана растительности, особенно кустарника и деревьев на берегах. Необходим также запрет использования быстроходных катеров и моторных лодок, создающих волны, подмывающие и разрушающие их берега.

При правильном ведении хозяйства водосборный бассейн следует рассматривать как единую экосистему. Такой подход позволяет сохранить природу и сэкономить много средств, если бы только разного рода политические деятели и предприниматели, от которых многое зависит, захотели его принять! Например, лесовозные дороги часто больше вредят облесенным водосборным бассейнам, чем сами лесоразработки. Если лесовозные дороги правильно спланированы и построены, то вред от эрозии уменьшается и ускоряется восстановление леса и почв, да и эксплуатация этих дорог оказывается дешевле. Важно не нарушать активное взаимодействие растений, животных и микроорганизмов, создающих из поверхности грунта «живую губку», способную удерживать воду и отдавать её постепенно, без большой потери ценных веществ.

Чистая пресная вода стала наиболее дефицитным природным ресурсом на Земле. Методы её защиты от загрязнения и меры по сохранению её запасов требуют поистине ничтожных затрат по сравнению с ущербом, который возникает при пренебрежении ими:

  • • простые меры по экономии воды, особенно в сельском хозяйстве и коммунальной сфере способны дать огромный эффект. В сельском хозяйстве, где только треть забираемой на орошение воды получают растения, а остальная вода стекает впустую, мероприятия по охране почв от водной эрозии одновременно позволяют резко сократить затраты на орошение;
  • • в коммунальных службах и промышленности поддержание в должном порядке очистных сооружений и предотвращение бесполезных утечек (вечно капающие краны, подтекающие унитазы и водопроводные трубы приводят к потерям 30—50 % используемой воды!) позволяет резко сократить расходы на очистку питьевой воды, увеличить доступные ресурсы чистой воды и избежать угрозы эпидемий опасных болезней, таких как холера, дизентерия или брюшной тиф;
  • • промышленные предприятия должны снабжаться системами оборотного водоснабжения;
  • • правительственные и муниципальные органы, а также все граждане должны чрезвычайно осторожно подходить к любым предложениям по строительству водохозяйственных сооружений и проведению мелиоративных работ, тщательно оценивая их последствия в долгосрочной перспективе.
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>