Водные ресурсы Земли: запасы, использование, проблемы, пути их решения

В процессе использования некоторое количество изъятой воды теряется на испарение, просачивание, технологическое связывание и т.д., причем у различных потребителей масштабы такого расхода неодинаковы. Для небольших по площади территорий эти потери рассматриваются как безвозвратные. Наиболее значителен их объем (до 80-90%) при сельскохозяйственном использовании. В некоторых отраслях промышленности разработаны и продолжают интенсивно совершенствоваться схемы замкнутого или многократного водопользования, при помощи которых существенно снижаются как объемы водозабора в целом, так и величины безвозвратных потерь.

Коммунальное и сельское хозяйство, промышленность; и гидроэнергетика предъявляют различные требования к качеству воды. Наиболее высокими санитарными и вкусовыми качествами должны обладать воды, используемые в питьевых целях и в некоторых отраслях промышленности (пищевой, химической и др.). Металлургическое или, например, горнорудное производство может обходиться водами низкого качества, использовать оборотные системы водоснабжения.

Неоднократное использование одного и того же объема воды сокращает водозабор, но заставляет ввести в водохозяйственный баланс еще одну категорию - водопотребление - общий объем воды, используемый данной отраслью хозяйства за определенный отрезок времени.

В сфере коммунального хозяйства водопотребление и водозабор равны между собой, потому что оборотное водоснабжение в данной отрасли на современном уровне практически не осуществляется. В промышленности водозабор оказывается намного ниже водопотребления за счет применения замкнутых циклов водоснабжения, когда из источников вода забирается лишь для компенсации безвозвратных потерь.

В сельском хозяйстве водопотребление тоже может количественно превышать водозабор из источников, поскольку для орошения часто используются органические стоки городских коммунальных систем или частично очищенные отработанные воды некоторых промышленных предприятий.

Структура водозабора и водопотребления, т. е. распределение изъятых объемов воды между потребителями, может существенно меняться от района к району, отражая и общий уровень экономического развития хозяйства, и его специализацию, и, в немалой степени, специфику природных условий. Любое хозяйственное использование вод различными потребителями сопровождается появлением отработанных вод или стоков. Они перегружены огромным количеством инородных веществ промышленного, сельскохозяйственного или коммунального происхождения, изменяющих физические и химические свойства водной массы. Даже если применяются наиболее совершенные из известных современной науке методы очистки отработанных вод (механические, химические, биологические), для разбавления 1 м3 таких стоков необходимо потратить не менее 8-10 м3 чистых природных вод. Если же сбрасываются неочищенные стоки, то расход воды возрастает в несколько раз. В настоящее время в мире среди хозяйственных стоков, сбрасываемых в естественные водоемы, превалируют категории слабо очищенных или вообще неочищенных вод.

Согласно данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) в настоящее время в мире более 1,5 млрд. человек не обеспечены чистой, безопасной для здоровья водой, а к 2000 г. их число может достигнуть 2 млрд. человек.

Уникальные свойства воды как природного тела позволяют очень широко использовать ее в разнообразных отраслях промышленности. Она употребляется в энергетических целях, в качестве растворителя, охладителя, составного компонента многих технологических процессов. Водоемкость различных производств меняется в зависимости от вида продукции, применяемых технических средств и технологических схем. На производство 1 тонны готовой продукции в настоящее время расходуется следующее количество пресных вод: бумаги 900-1000 м3, стали - 15-20 м3, азотной кислоты - 80-180 м3, целлюлозы - 400-500 м3, синтетического волокна 500 м3, хлопчатобумажной ткани 300-1100 м3 и т.д.

Огромные объемы воды потребляют энергетические установки для охлаждения энергоблоков. Так, для работы ТЭС мощностью в 1 млн. кВт необходимо 1,2-1,6 км3 воды в год, а для работы АЭС той же мощности – до 3 км3, Только на нужды энергетики забирается из водных источников 320 км3 воды, при этом 20 км3 теряется.

Самый крупный водопотребитель - сельское хозяйство. По приблизительным расчетам в 1990 г. эта отрасль-мировой экономики израсходовала более 3000 км3, т.е. в 3,5 раза больше, чем промышленность. Почти весь этот объем использовался на полив орошаемых угодий и всего 55 км3 - на водоснабжение животноводства.

Особую проблему представляют стоки животноводческих ферм. Хотя их общий объем в мировом водопотреблении на нужды сельского хозяйства невелик (всего 10 км3), они чрезвычайно перегружены органическими соединениями, трудно восстанавливаются и вызывают особенно быстрое загрязнение водоемов.

Таким образом, если количественное истощение водозапасов традиционных источников в глобальном масштабе в ближайшем будущем человечеству не грозит, то качественное ухудшение - налицо уже в наши дни.

5.      Мировой океан.

Средняя глубина Мирового океана 3700 м., наибольшая – 11022 м. (Марианский желоб). Объем вод Мирового океана, как было сказано выше, 1338000000 куб.км.

     В морской воде растворены почти все известные на Земле вещества, но в разных количествах. Большинство их из-за малого содержания трудно обнаружить. Основная часть растворенных в морской воде солей – хлориды (89%) и сульфаты (почти 11 %), значительно меньше карбонатов(0,5%). Поваренная соль (NaCl) придает воде соленый вкус, соли магния (MqCl) – горький. Общее количество всех солей, растворенных в воде, называется соленостью. Она измеряется в тысячных долях – промилле.

Средняя соленость Мирового океана около 35 %о. В экваториальном поясе, где выпадает много осадков, она пониженная, в тропических широтах – повышенная.

Мировой океан — мощный накопитель тепла и регулятор теплового режима Земли. Если бы океана не было, средняя температура поверхности Земли составила бы - 21 °С, то есть была бы на 36° ниже той, которая имеется в действительности.

Трудно переоценить роль Мирового океана в жизни человечества. Он во многом определяет лик планеты в целом, в т. ч. ее климат, круговорот воды на Земле. В океане пролегли жизненно важные водные пути, соединяющие материки и острова. Колоссальны его биологические ресурсы. В Мировом океане обитает более 160 тыс. видов животных и около 10 тыс. видов водорослей. Шельф Мирового океана располагает огромными запасами нефти и газа, крупными запасами железо-марганцевых руд и других полезных ископаемых. Человечество еще только приступает к использованию энергетических ресурсов Мирового океана, в т. ч. энергии приливов. На Мировой океан приходится 94% объема гидросферы. С опреснением морских вод связывают решение многих водных проблем будущего.

К сожалению, человечество не всегда разумно пользуется природными ресурсами Мирового океана. Во многих районах истощены его биологические ресурсы. Значительная часть акватории загрязнена отходами антропогенной деятельности, в первую очередь, нефтепродуктами.

6.      Воды суши

К водам суши относятся воды, реки, озера, болота, ледники. Они содержат 3,5% общего количества вод гидросферы. Из них лишь 2,5% - пресные воды.

Подземные воды находятся в толщах горных пород верхней части земной коры в жидком, твердом и парообразном состоянии. Основная их масса образуется вследствие  просачивания с поверхности дождевых,  талых  и речных вод.

По условиям залегания подземные воды подразделяются на:

1)   почвенные, находящиеся в самом верхнем, почвенном слое;

2)   грунтовые, залегающие на первом от поверхности постоянном водоупорном слое;

3)   межпластовые, находящиеся между двумя водоупорными пластами;

Последние часто бывают напорными и тогда носят название артезианских.

Грунтовые воды питают реки и озера.

Реки – постоянные водные потоки, протекающие в разработанных ими же углублениях – руслах.

Важнейшей характеристикой рек является их питание. Выделяются четыре источника питания: снеговое, дождевое, ледниковое и подземное.

От питания рек в значительной мере зависит режим рек, т.е. изменение величины расхода воды по сезонам года, колебание уровня, изменение температуры воды. Водный режим реки характеризуется расходом воды и стоком. Расход –   это  количество воды, проходящее через поперечное сечение потока в одну секунду. Расход воды за длительное время – месяц, сезон, год – называется стоком. Объем воды, который несут реки в среднем за год, называется их водоносностью. Большинство рек России проносят 60-70% объема воды за сравнительно короткий период весеннего половодья. В это время талая вода стекает по промерзшей и хорошо увлажненной поверхности водосборов с наименьшими потерями на фильтрацию и испарение.

Один из самых негативных результатов антропогенного воздействия на реки — их массовое загрязнение сточными водами и другими отходами хозяйственной деятельности. Угрозы качественного истощения речных водных ресурсов можно избежать, если осуществлять комплекс водохозяйственных мероприятий, включающий не только традиционную очистку сточных вод, но и такие кардинальные меры, как изменение технологии производства с целью многократного уменьшения расходования воды и образования отходов.

Озера - это природные водоемы в углублениях суши (котловинах), заполненные в пределах озерной чаши (озерного ложа) разнородными водными массами и не имеющие одностороннего уклона. Для озер характерно отсутствие непосредственной связи с Мировым океаном. Озера занимают около 2,1 млн. км2или почти 1,4% площади суши. Это примерно в 7 раз больше поверхности Каспийского моря — крупнейшего озера мира.

Болото – это  участок суши с избыточным застойным увлажнением грунта, заросший влаголюбивой растительностью. Для болот характерен процесс накопления неразложившихся растительных остатков и образования торфа. Болота распространены главным образом в Северном полушарии, особенно в равнинных районах, где развиты многолетнемерзлые грунты, и занимают площадь около 350 млн. га

Ледники – это  движущиеся естественные скопления льда атмосферного происхождения на земной поверхности; образуются в тех районах, где твердых атмосферных осадков отлагается больше, чем стаивает и испаряется. В пределах ледников выделяют области питания и абляции. Ледники делятся на наземные ледниковые покровы, шельфовые и горные. Общая площадь современных ледников ок. 16,3 млн. км2 (10,9% площадь суши), общий объем льдов ок. 30 млн. км3.

7.      Круговорот воды

Как мы помним из уроков природоведения, вода находится в постоянном движении. Испаряясь с поверхности водоемов, почвы, растений, вода накапливается в атмосфере и, рано или поздно, выпадает в виде осадков, пополняя запасы в океанах, реках, озерах и т.п. Таким образом, количество воды на Земле не изменяется, она только меняет свои формы — это и есть круговорот воды в природе. Из всех выпадающих осадков 80% попадает непосредственно в океан. Для нас же наибольший интерес представляют оставшиеся 20%, выпадающие на суше, так как большинство используемых человеком источников воды пополняется именно за счет этого вида осадков. Упрощенно говоря, у воды, выпавшей на суше есть два пути. Либо она, собираясь в ручейки, речушки и реки, попадает в результате в озера и водохранилища — так называемые открытые (или поверхностные) источники водозабора. Либо вода, просачиваясь через почву и подпочвенные слои, пополняет запасы грунтовых вод. Поверхностные и грунтовые воды и составляют два основных источника водоснабжения. Оба этих водных ресурса взаимосвязаны и имеют как свои преимущества, так и недостатки в качестве источника питьевой воды.

8.      Управление водными ресурсами.

Одним из направлений решения водных проблем является привлечение на цели водоснабжения малоиспользуемых в настоящее время водных ресурсов опресненных вод Мирового океана, подземных вод и вод ледников. В настоящее время доля опресненных вод в общем, объеме водоснабжения мира невелика—0,05%, что объясняется высокой стоимостью и значительной энергоемкостью технологических процессов опреснения. Даже в США, где число опреснительных установок увеличилось с 1955 г в 30 раз, опресненные воды составляют лишь 7% водопотребления.

Важный резерв водоснабжения – подземные воды. Наибольшую ценность для общества представляют пресные подземные воды, составляющие 24% от объема пресной части гидросферы. Резервом в обеспечении водой могут служить также солоноватые и соленые подземные воды при использовании их в смеси с пресными или после их искусственного опреснения.

К факторам, лимитирующим подземный водозабор, относятся:

1) неравномерность их распределения по территории земли;

2) трудности в переработке солёных подземных вод;

3) быстро снижающиеся темпы естественного возобновления с увеличением глубины залегания водоносных пластов.

Утилизация воды, находящейся в твердой фазе (льды, ледниковые покровы) , предполагается, во-первых, путем увеличения водоотдачи горных ледников, во-вторых, с помощью транспортировки льда из полярных районов. Однако оба эти способа практически труднореализуемы и еще не изучены экологические последствия их осуществления.

Таким образом, на современном этапе развития возможности привлечения дополнительных объемов водных ресурсов ограничены.   

Основными способами управления водными ресурсами являются создание водохранилищ и территориальная переброска стока.

9.      Загрязнение вод

Качество воды большинства водных объектов не отвечает нормативным требованиям. Многолетние наблюдения за динамикой качества поверхностных вод обнаруживают тенденцию увеличения числа створов с высоким уровнем загрязненности (более 10 ПДК) и числа случаев экстремально высокого содержания (Свыше 100 ПДК) загрязняющих веществ в водных объектах.

Состояние водных источников и систем централизованного водоснабжения не может гарантировать требуемого качества питьевой воды, а в ряде регионов это состояние достигло опасного уровня для здоровья человека. Службы санитарно-эпидемиологического надзора постоянно отмечают высокое загрязнение поверхностных вод.