Гидросфера. Влияние деятельности человека

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГИДРОСФЕРА. ВЛИЯНИЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

1. Основные особенности гидросферы

гидросфера геоэкологический вода дефицит

Гидросфера -- водная оболочка Земли, представляющая совокупность всех водных объектов планеты: океанов, морей, рек, озер, болот, ледников, снежного покрова, подземных вод. В состав гидросферы также входит вода в атмосфере, почвенная влага и вода живых организмов. В гидросфере представлены основные фазовые состояния воды -- жидкое, твердое и газообразное. Это сплошная оболочка Земли, хотя иногда и невидимая, в случае когда она представлена только водяным паром или почвенной влагой.

«Невидимость» гидросферы во многих точках земной поверхности совсем не означает, что запас воды в этих точках незначителен. Даже в сверхаридных пустынях суммарный запас воды в атмосфере и почве (даже без учета подземных вод) порядка 10⁴ г/см², то есть 100 000 мм. Суммарные запасы воды всех видов в различных точках мира очень сильно различаются: например, различие между океаном и пустыней составляет по крайней мере 10³раз.

«Невидимость» гидросферы в отдельных ее участках также совсем не означает, что ее роль пренебрежимо мала. Наоборот, водяной пар в атмосфере -- необходимый участник важнейшего геоэкологического процесса -- создания первичной биологической продукции, или фотосинтеза. А почвенная влага -- практически обязательный компонент процесса создания растительной биомассы Земли. Кроме того, как водяной пар, так и почвенная влага играют важнейшую роль в глобальном гидрологическом цикле.

Пространственно гидросфера фактически совпадает с экосферой. Гидросфера проникает во все другие геосферы, и играет важнейшую роль в глобальных процессах обмена веществом и энергией. Вода в природе принимает участие, часто решающее, в очень многих и весьма разнообразных природных процессах, и в соответствии с особенностями того или иного процесса она отличается весьма различной подвижностью.

Вода гидросферы играет важнейшую роль в глобальном цикле вещества, осуществляя эрозию и денудацию горных пород, перенос и отложение продуктов их разрушения.

Вода обладает чрезвычайно высокой растворяющей способностью. Дистиллированной воды в природе не бывает вовсе, и, наоборот, природные растворы разнообразнейшего содержания и весьма различной концентрации встречаются всюду в экосфере и играют решающую роль в глобальных геологических и биогеохимических круговоротах веществ. По словам В.И. Вернадского, «...нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов».

Физические свойства воды весьма специфичны: большие величины скрытой удельной теплоты фазовых переходов (испарения, конденсации, таяния, сублимации), значительная теплоемкость, малая молекулярная теплопроводность, нетривиальная зависимость плотности от температуры и др. Эти специфические свойства оказывают серьезное влияние на те многие природные процессы, в которых участвует вода. В особенности значительную роль в глобальных процессах играет очень высокая величина скрытой удельной теплоты испарения-конденсации, потому что 84% солнечной радиации, поглощаемой поверхностью Земли, расходуется на испарение. Это, в свою очередь, обеспечивает влагоперенос и, в конечном итоге, круговорот воды, или гидрологический цикл. Тем самым энергия Солнца как бы запускает и поддерживает глобальный круговорот воды.

Другое очень важное физическое свойство воды -- это ее высокая теплоемкость, определяющая многие природные процессы. Например, огромный теплозапас океанов оказывает решающее влияние на глобальное геоэкологическое состояние Земли.

Океаны и моря покрывают 71% общей площади Земли, а вместе с водными объектами суши (ледники, озера, водохранилища, болота и др.) общая покрытость Земли водой составляет почти 3/4. Это обстоятельство, вследствие высокой теплоемкости воды и значительной энергии ее фазовых переходов, имеет огромное значение для теплового и водного режима нашей планеты, а потому является решающим в формировании почв и растительности, и, следовательно, всего облика Земли.

В Мировом океане содержится 96,4% общего объема гидросферы. Эта огромная масса состоит из двух слоев: верхнего, относительно теплого, и основного, холодного, с температурами порядка 4°С и ниже. Океан играет важнейшую и весьма неоднозначную роль терморегулятора экосферы.

На суше основную массу воды содержат ледники (1,86% от общих запасов и 70,3% от запасов пресных вод), существенно влияющие, благодаря их высокой отражательной способности (альбедо), на формирование глобального теплового баланса атмосферы и поверхности Земли. Общий объем подземных вод составляет 1,68% гидросферы. Из них примерно половина -- пресные воды.

Из весьма большого общего объема вод гидросферы (1338 млн. куб. км) пресных вод всего лишь 2,64%, что составляет слой воды на поверхность суши мира равный приблизительно 240 000 мм.

Мировой океан, ледники и подземные воды, то есть водные объекты замедленного водообмена, содержат 99,94% всей воды гидросферы. Реки -- важнейший компонент гидросферы, отличающийся высокой скоростью водообмена. Суммарный объем воды в реках мира всего лишь 0,0002% от общих запасов воды и 0,005% от запасов пресных вод. Если распределить речную влагу, единовременно находящуюся в руслах рек мира, равномерно по всей неледниковой поверхности суши, то средний слой составит лишь 13 мм. Однако, роль именно этой, «быстрой» влаги в функционировании экосферы и отдельных ее частей столь велика, что ее невозможно переоценить. Кроме того, именно эта вода -- один из основных природных ресурсов, используемых человечеством, отличающийся к тому же высокой скоростью возобновления.

Важнейшим процессом в экосфере является глобальный круговорот воды, или, по другой терминологии, гидрологический цикл. Он служит основой единства географической оболочки, играя важнейшую роль во всемирном обмене веществом и энергией. Главным образом, под воздействием солнечной энергии вода испаряется с поверхности океанов и суши. Испарившаяся влага включается в процесс атмосферного влагопереноса. При этом часть атмосферного потока влаги выпадает в виде атмосферных осадков, снова испаряется, снова выпадает в виде осадков и т. д. Так осуществляются влагообороты в пределах материков и океанов.

Глобальный круговорот воды состоит из океанического и материкового звеньев, взаимосвязанных обменом водяного пара между океаном и сушей и стоком с суши в океан. Преобладающая часть выпадающих на сушу осадков испаряется, остальное стекает в океан, главным образом, в виде речного стока, а также стока подземных вод и отрыва («отёла») ледников в море. На почти третьей части неледниковой поверхности суши речные воды не имеют стока в океан и заканчиваются в бессточных впадинах, часто заполненных озерами. Схема глобального круговорота воды приводится на рис. 13, а обозначения -- на стр. 159.

Состояние гидросферы Земли, а также и любой ее части, характеризуется ее водным балансом. С достаточной для большинства задач точностью можно принять, что общая масса гидросферы остается постоянной по крайней мере в течение кайнозоя, то есть последних десятков миллионов лет. Изменения гидрологического состояния Земли связаны не с изменениями общего мирового объема воды, а с пространственным перераспределением воды, в особенности с изменениями соотношения запасов воды в океанах и ледниковых покровах. При большем развитии оледенения на Земле вода гидросферы в большей степени концентрируется в ледниках и уровень Мирового океана понижается. И наоборот, высокий уровень океана соответствует относительно малому объему ледниковых покровов. Проявления этого соотношения наблюдаются в настоящее время, как это уже обсуждалсь в связи с последствиями изменения климата.

Уравнения водного баланса для океана и суши со стоком в океан и областей внутреннего стока (бессточных) выглядят следующим образом:

Для Мирового океана: Р₀+ И₀ - Е₀= Д\Ґ₀.

Для областей со стоком в океан: Р_ь - Е_ь - Н_ь =

Для областей с внутренним стоком: Р_с -- Е_с = Д\Ґ_с.

Здесь Р -- осадки, Е -- испарение, И -- сток, Д\У -- изменения запаса влаги в соответствующей области (₀ -- в Мировом океане, _Е -- в областях со стоком в Мировой океан, _с-- в областях с внутренним стоком).

Сложим почленно все три уравнения, одновременно объединяя однородные компоненты баланса:

(Ро + Рь + Р_с) " (Ео + Е_ь + Ес, - (Иь " Иь) = ЛWo + AW_L + ДWc.

Поскольку, в соответствии со сказанным выше, объем воды на Земле практически постоянен (Д\Ґ_Е = 0), то за многолетний период общемировые величины осадков и испарения должны быть равны.

Все компоненты глобального водного баланса определяются с невысокой точностью, порядка 10--20%, и данные, приводимые различными авторами, заметно отличаются друг от друга.

Осадки на океанах и значительных частях суши измеряются в относительно немногих точках, что при высокой пространственной изменчивости осадков приводит к существенным погрешностям в определении их величин в мировом водном балансе.

Сток, при наличии достаточно продолжительных гидрометрических измерений, определяется с наибольшей, по сравнению с другими компонентами, точностью. Однако во многих районах мира регулярные гидрометрические измерения не проводятся. В особенности следует отметить необходимость и недостаточность регулярных наблюдений за стоком крупнейших рек мира.

Испарение, как с суши, так и с водной поверхности, почти совсем не измеряется. Оно или рассчитывается для отдельных точек по физическим формулам, или же определяется как остаточный член водного баланса. Точность его определения для мира или крупных его частей, следовательно, невелика.

Изменения запаса воды также не определяются с высокой точностью. Для глобального водного баланса важнейшими составляющими являются изменения объема океана и покровных ледников. Как мы уже видели выше, измеряемые изменения уровня воды океана не полностью отражают колебания его объема из-за комплекса гидрометеорологических, геотектонических и геоморфологических факторов, из которых только первый отражает изменения объема воды. Что касается ледниковых покровов, то пока даже не удается надежно определить, увеличивается или уменьшается масса ледниковых покровов Гренландии и Антарктиды, не говоря уже о количественных оценках.

Задача более надежного определения компонентов водного баланса мира -- одна из важнейших проблем гидрологии и геоэкологии. Есть основания надеяться, что проводящиеся исследования глобального гидрологического цикла в рамках международных программ исследования глобальных изменений принесут более точные результаты.

Величины некоторых компонентов глобального водного баланса за год выглядят следующим образом:

Таблица 1

Отметим, что около 30 тыс. куб. км в год расходуется на транспирацию растениями, или 42% суммарного испарения с поверхности суши. Антропогенные преобразования экосферы и ее компонентов, экосистем Земли, тесно связаны с трансформацией водного баланса и режима.

Влияние деятельности человека на компоненты мирового водного баланса пока затушевывается относительно невысокой точностью определения компонентов. Однако глобальные модели циркуляции климата показывают, что антропогенные изменения климата повысят интенсивность водообмена в глобальном гидрологическом цикле. Влияние изменения климата на гидрологическую ситуацию в отдельных регионах будет весьма значительным.

2. Воды суши и деятельность человека

В природе вода находится в центре большинства взаимосвязей, в том числе между другими геосферами. В обществе вода -- критический фактор многих экономических, общественных и политических проблем. В обобщенном виде можно сказать, что воды суши в экосфере выполняют три основные функции, важные с точки зрения геоэкологии:

1) участника, зачастую ведущего и интегрирующего, в глобальных циклах вещества;

2) индикатора состояния экосистем, в особенности бассейнов рек или озер;

3) самого широко употребляемого природного ресурса.

Во многих случаях вода -- ключевой фактор основных глобальных экологических проблем. Выше уже отмечалась исключительная роль воды как агента, переносящего растворенные, влекомые и взвешенные вещества. Поэтому она -- важнейший фактор в глобальных биогеохимических циклах углерода, азота, серы, фосфора и др. и в экзогенной части большого геологического цикла (или цикла эрозии-седиментации). Глобальный гидрологический цикл -- это один из основных жизнеобеспечивающих механизмов экосферы, зависящий в то же время от изменения ее состояния.

Гидрологический цикл означает больше, чем водный цикл. Реки мира приносят в океан около 20 млрд. тонн наносов и 3 млрд. т растворенных веществ в год. В пределах бассейнов происходит еще более значительное, не менее чем на порядок большее перемещение вещества, во многом благодаря деятельности воды.

Многие острые геоэкологические проблемы связаны с водными проблемами. Ухудшение состояния антропогенно трансформированных естественных систем и сельскохозяйственных систем является или следствием изменившегося водного режима (часто в результате деятельности человека), или, наоборот, антропогенные изменения систем ведут к изменениям таких важных гидрологических характеристик, как водоудерживающая способность почв, перехват осадков растительностью, инфильт- рационная способность и др., с соответствующими изменениями гидрологического режима. Подобным образом, наводнения и засухи -- это больше чем избыток или дефицит воды. Их более частая повторяемость может быть результатом нарушения состояния речной системы.

Вода отличается особенностью интегрировать процессы, протекающие на водосборе. При этом речь идет о процессах на любом уровне, от просачивания капель воды в почву в верхней части водосбора до движения мощного потока крупной реки. В целом можно сказать, что вода находится в центре большинства взаимодействий в природе, играя в экосистеме роль, сходную с ролью крови в теле человека. И так же как анализ крови дает представление о состоянии больного, так и химические и физические особенности природных вод являются хорошим индикатором многих процессов, протекающих на водосборе.

Зональные природные процессы хорошо отражены в основных показателях гидрологического режима. Например, реки в зоне влажных тропических лесов многоводны, со слоем стока порядка 1200 мм, с высокой долей подземного стока (около 50%), постоянно высокой температурой воды (25--27°С). Природные воды этой зоны ультрапресные (менее 100 мг/л растворенных веществ и даже в отдельных случаях менее 10 мг/л), гидрокар- бонатно-кремнеземного класса, с малой концентрацией наносов (менее 50 г/л). В зоне степей, например, картина другая. В зоне степей сток невелик, слой стока порядка 50 мм в год. Водность рек резко изменяется по сезонам года. Сток преимущественно (на 80%) формируется водами, стекающими по поверхности водосбора. Воды пресные, но со значительным содержанием солей (до 1000 мг /л), гидрокарбонатно-кальциевые, мутность воды значительная (до 500 мг/л). Разумеется, эти средние данные носят исключительно иллюстративный характер.

При усилении деятельности человека в бассейне реки или озера природные воды этого бассейна также соответствующим образом изменяются, что находит свое отражение в индикаторах геоэкологического состояния бассейна. Например, примерно за столетие содержание хлоридов в воде р. Рейн на границе Германии и Голландии увеличилось приблизительно на порядок, что указывает на весьма значительное увеличение антропогенного давления в бассейне.

2.2 Геоэкологические аспекты водного хозяйства

2.2.1 Водные ресурсы и водообеспеченность

Вода -- наиболее широко используемый природный ресурс. Забор воды из всех источников мира составляет около 4000 км³ в год. Объем других широко используемых природных ресурсов, таких как уголь или нефть, примерно на три порядка меньше. Громоздкость воды как ресурса приводит к необходимости использования его поблизости от местонахождения или к большим трудностям и высокой стоимости передачи воды на значительные расстояния. Таким образом, водные ресурсы преимущественно локальны.

Передача значительных объемов воды с континента на континент и даже на большие расстояния внутри континентов по ряду причин весьма затруднительна (см. раздел У1.2.2.3.). Тем не менее, существуют занимательные предложения по транспортировке воды на большие расстояния. К ним относятся, например, предложения по буксированию айсбергов из Антарктиды в страны Персидского залива. Технически такие проекты возможны, и они будут теоретически совершенствоваться и далее. Однако, стоимость кубометра такой воды была и останется высокой даже по сравнению с более реальными, но также дорогими способами, например, с опреснением морской воды. Можно представить себе только один сценарий, оправдывающий транспортировку айсбергов: все источники воды мира станут настолько загрязнены, что Антарктида останется единственным надежным источником драгоценной питьевой воды требуемого качества. Остается надеяться, что такой сценарий не станет реальностью.

Управление водными ресурсами удобнее всего осуществлять для всего бассейна реки или озера или бассейна подземных вод. Однако политические и административные границы, как правило, не совпадают с водоразделами. Внутри стран это приводит к неудобной ситуации, когда водное хозяйство осуществляется по речным бассейнам, в то время как большая часть другой экономической деятельности привязана к административному делению.

На международном уровне это может приводить к конфликтам, связанным с использованием водных ресурсов. Около половины населения мира живет в не менее чем 220 международных речных и озерных бассейнах, причем более 25 бассейнов принадлежат четырем и более странам.

Наибольшие трудности в сотрудничестве между областями (штатами) или, тем более, странами заключаются в том, что территории, расположенные выше по течению реки, находятся в преимущественном положении, поскольку они вольно или невольно могут влиять на водные ресурсы вниз по течению, не будучи заинтересованы ни в количестве, ни в качестве утекающей вниз воды. При этом нижележащим территориям предопределена пассивная роль, поскольку они не имеют естественных рычагов управления ресурсами, приходящими с верхней части бассейна. Самым ярким примером является ситуация в бассейне Нила, где любые действия в верхнем или среднем течении, ведущие к сокращению стока реки в низовьях, оказывают неблагоприятное и очень серьезное воздействие на экономику Египта, существование которого в течение всей истории и до сего дня зависит от режима Нила.

Комиссия ООН по вопросам права сформулировала принципы международного сотрудничества в области водных ресурсов. Они включают четыре межгосударственных обязательства.

1. Информировать соседние государства и консультироваться с ними, прежде чем предпринять какие-либо действия, которые могут привести к изменениям состояния разделяемых водных ресурсов.

2. Регулярно обмениваться гидрологическими данными.

3. Избегать причинения ущерба другим пользователям водных ресурсов.

4. Распределять воду из общей реки «разумно и справедливо».

Водные проблемы зачастую многокомпонентны. В процессе использования водных ресурсов возникают взаимосвязанные проблемы их дефицита, недостаточно приемлемого их качества, ущерба от наводнений и неблагоприятных изменений других компонентов окружающей среды. Водные ресурсы и их использование являются центральной проблемой развития аридных и семиаридных территорий, играя также очень важную роль во всех других, более богатых водой областях. Стратегия решения водных проблем заключается в таком управлении бассейном, которое бы обеспечивало экономическое развитие без ухудшения водных и связанных с ними других природных ресурсов.

Абсолютный верхний предел возобновимых водных ресурсов мира -- это суммарное количество осадков, выпадающее на поверхность суши, что составляет около 120 000 км³ в год. По-видимому, безвозвратный забор даже 10% этой воды на хозяйственные нужды означал бы геоэкологическую катастрофу. Следующий, более реальный верхний предел возобновимых водных ресурсов мира -- это речной сток. Его объем -- порядка 40 000 км³ в год. Из этого количества устойчивый речной сток, наиболее удобный для использования, составляет 12000 км³ в год. Однако крупные реки мира в своих низовьях несут слишком много воды, больше, чем ее там возможно использовать. Поэтому, по М. И. Львовичу Львович М.И. Вода и жизнь. М.: Мысль, 1986., доступный устойчивый речной сток составляет примерно 9000 км³ в год, и это реальный объем возобновимых водных ресурсов мира, технически возможный для использования без строительства плотин. Геоэкологический предел использования возобновимых водных ресурсов должен быть существенно ниже, чем 9000 км³, поскольку экосистемы суши и виды организмов, их составляющие, также нуждаются в воде.

К этому объему можно добавить ресурсы подземных вод, ледников и пресноводных озер. Водные ресурсы этих объектов содержат как возобновимую, так и невозобновимую компоненты, в зависимости от интенсивности их использования: чем больше забор воды, тем больше доля используемой невозобновимой компоненты и тем меньше становятся невосполняемые запасы.

Богатая подземной водой хорошего качества гидрогеологическая формация Огаллала находится в области Высоких Равнин юга США (штаты Небраска, Канзас, Арканзас, Оклахома, Техас и др.). Запасы воды в ней образовались вследствие существования некоторой небольшой разности между приходными и расходными компонентами уравнения водного баланса формации. Несмотря на малое ежегодное накопление воды, большая продолжительность этого процесса привела к значительным запасам подземных вод. Большие запасы подземных вод предопределили развитие высокоэффективного орошаемого земледелия. В течение последних десятилетий отбор воды на орошение за год заметно превышал ежегодную естественную загрузку подземных вод. В результате уровень подземных вод упал и продолжает снижаться, затраты энергии на откачку воды из скважин увеличиваются, и стоимость производимого продукта также увеличивается. В некоторых частях этой обширной территории земледелие стало невыгодным, и сельское хозяйство снова стало пастбищно-скотоводческим, как это было в XIX в.

Как мы уже видели, безвозвратное потребление воды в мире составляет сейчас около 4000 куб. км в год, при возобновимых ресурсах порядка 9000 куб. м в год. Соотношение между имеющимися ресурсами и потреблением выглядит на глобальном уровне пока вполне благоприятным, но на самом деле для многих районов это далеко не так, так как средние мировые величины маскируют имеющиеся различия между районами и скрывают дефицит водных ресурсов во многих местах мира.

Одним из показателей состояния водных и связанных с ними геоэкологических проблем в той или иной стране является количество водных ресурсов на каждого жителя. Для стран с преимущественно транзитным стоком (как Египет или Судан) или для крупных стран с разнообразными региональными условиями формирования стока (как Россия или Китай) этот показатель нерепрезентативен. Однако для всей совокупности стран мира он полезен для сравнительной оценки ситуации с водными ресурсами.

Водообеспеченность изменяется от страны к стране на несколько порядков (от 328 000 куб. м/чел. в год для Габона до практически нуля в странах Персидского залива). Уровень 500 куб. м на человека в год и менее является чрезвычайно низким, даже пороговым для национального устойчивого развития. Примерно таким количеством водных ресурсов (370 куб. м/чел.) располагает Израиль, являя пример весьма эффективного использования водных ресурсов, в том числе на орошение. Уровень 1000 куб. м на человека обычно принимается в качестве критического, указывающего на то, что страна находится в состоянии острого дефицита водных ресурсов.

В странах, где водное хозяйство определяет всю экономику, таких как Египет, Сирия, Пакистан, уровень водопотребления составляет 1200--2200 куб. м/чел.

В настоящее время 15 стран (из 145, по которым были данные) с населением 110 млн. чел. располагают менее чем 500 куб. м на чел. Весьма низкий уровень водных ресурсов (500-- 1000 куб. м на чел.) характерен еще для 12 стран с населением 120 млн. чел. Для этих 27 стран дефицит водных ресурсов определяет существование их населения, это вопрос жизни и смерти и причина важнейших стратегических решений правительств. Еще 58 стран с населением 3,4 млрд.. чел. живут в условиях малого количества водных ресурсов (1000--5000 куб. м/чел.). Всего к 1990 г. 85 стран с 70% населения мира стояли перед проблемами дефицита водных ресурсов (табл. 9). Это в основном развивающиеся страны, где недостаток водных ресурсов является важным, если не важнейшим, препятствием их социального и экономического развития.

Таблица 2

Число стран, различающихся по количеству водных ресурсов на душу населения, тыс. куб. м за год, в 1990 и 2025 гг.

Многие страны с ресурсами, превышающими 5000 куб. м/чел., выглядят благополучными, но на самом деле средняя цифра часто скрывает серьезные региональные различия внутри стран. Россия -- характерный пример такой ситуации, где малая обеспеченность водными ресурсами совпадает с наиболее населенными и экономически развитыми территориями, такими как центр и юг Европейской России и Уральский промышленный регион.

Другой показатель степени напряженности с обеспечением водными ресурсами -- доля используемой воды по отношению к имеющимся ресурсам. Распределение этого показателя по странам мира показано на рис. 14.

Поскольку численность населения будет увеличиваться, а объем имеющихся водных ресурсов останется постоянным, ситуация дефицита водных ресурсов будет и далее ухудшаться, вызывая дальнейшее углубление противоречий, связанных с использованием водных ресурсов как на международном, так и на национальном уровнях. Предстоящее изменение климата еще в большей степени усилит конфликтные ситуации.

более 40 прскдантое

4А ОТ 20 до 40 процентов

от 10 до 20 процентов

менее 10 процентов

Рис. 1. Доля водопотребления по отношению к имеющимся водным ресурсам (прогноз на 2025 г.)

К 2025 г. уже 1,4 млрд.. чел. в 45 странах мира будут располагать менее чем 1000 куб. м на чел. за год. Около трех четвертых населения мира приблизительно в 100 странах будет жить в условиях дефицита воды, или, иными словами, под угрозой экологической, экономической и политической неустойчивости (табл. 9). Если существующие в настоящее время способы ведения хозяйства не изменятся, будет продолжаться и ухудшение качества воды, что еще более осложнит ситуацию. Можно ожидать, что количество и глубина конфликтов, связанных с водными проблемами, еще более возрастут.

2.2.2 Регулирование речного стока

Когда на какой-либо территории потребность в воде начинает превосходить величину устойчивого речного стока, и другие источники водных ресурсов (в первую очередь, подземные воды) отсутствуют или почему-либо не могут быть использованы, возникает необходимость в регулировании речного стока, то есть в строительстве плотин и, соответственно, создании водохранилищ. Создание плотин и водохранилищ -- важнейший способ увеличения объема возобновимых водных ресурсов.

Первые плотины появились в мире еще 4~4,5 тыс. лет тому назад. В XX в. темпы создания плотин сильно увеличились, в особенности начиная с 1950-х гг. В настоящее время в мире существует около миллиона созданных человеком водохранилищ разного размера, от сравнимых с крупными естественными озерами до небольших прудов. Их общий объем превышает 6000 куб. км и полезный объем -- 3000 куб. км. Насчитывается около 30 000 крупных водохранилищ с объемом более 1 млн. куб. м. Наиболее крупные водохранилища (не считая подпруженных озер) -- это Братское на Ангаре (169 куб. км), Кариба на Замбези (160 куб. км), Насер на Ниле (157 куб. км), Вольта на Вольте (148 куб. км). Общая площадь поверхности водохранилищ, включая подпруженные озера, составляет около 600 000 кв. км.

При суммарном полезном объеме равном 3000 куб. км водохранилища увеличивают устойчивый сток, то есть возобновимые ресурсы, пригодные к использованию, на 25%. С другой стороны, средняя мировая продолжительность водообмена в речных системах увеличилась с 20 до 100 суток, что указывает на ухудшение их экологического состояния. В частности, заметно снизилась естественная самоочищающая способность рек, связанная с постоянным поглощением кислорода из воздуха речной водой, текущей в турбулентном режиме. Растворенный в воде кислород расходуется на окисление переносимых водой органических загрязняющих веществ.

В России и других странах бывшего СССР имеется более 4000 крупных водохранилищ с объемом, превышающим 1 млн. куб. м, причем 98% общего объема находится в 250 крупнейших водохранилищах с объемом каждого более 100 млн. куб м. Всего зарегулировано около 1200 куб. км воды, или около 25% речного стока.

Водохранилища, в том числе крупнейшие, располагаются в России преимущественно на равнине. Это означает, что потери земли, причем самой ценной для сельского хозяйства, на поймах и террасах рек в особенности велики. Помимо потери сельскохозяйственных земель, водохранилища в России принесли с собой ряд других проблем. Среди них такие, как переселение людей и нарушение сложившихся традиций ведения хозяйства, ухудшение качества воды, неустойчивый и потому неблагоприятный гидрологический режим в нижнем бьефе плотины, перехват стока биогенных элементов (фосфора и азота) и, соответственно, снижение биологической продуктивности морей, подъем уровня грунтовых вод с сопутствующими изменениями продуктивности природных и антропогенных ландшафтов, ухудшение условий рыболовства и др.

С другой, положительной стороны, гидроэлектрические станции не загрязняют окружающую среду. Они играют также важную роль в энергетических системах. В особенности важно их свойство практически мгновенно реагировать на изменения спроса на энергию: вечерние и утренние пиковые нагрузки в энергосистемах, связанные с повседневной жизнью людей, наиболее эффективно покрываются гидроэлектростанциями. Развитие орошения во многих районах мира невозможно без создания водохранилищ. Водохранилища на крупных реках улучшают также условия навигации.

В экономически развитых районах мира плотины задерживают загрязняющие вещества, переносимые рекой, переводя их в донные отложения. В частности, по К. К. Эделынтейну, каскад водохранилищ Волги и ее бассейна эффективно выполняет эту важную геоэкологическую задачу.

Плотины с сопутствующими сооружениями (водохранилищами, ирригационными системами, гидроэлектростанциями, шлюзами и пр.) составляют важную часть стратегии развивающихся стран. В тропических условиях регулирование стока приносит дополнительные проблемы по сравнению со странами с умеренным климатом, поскольку режим водохранилищ и их воздействие на окружающую среду в сильной степени зависят от природных условий. Как только в тропическом районе возникает новое водохранилище, уровень заболеваний и смертности резко повышается: качество воды в водохранилище обычно хуже, вследствие замедленного водообмена, увеличения водной биомассы и пр., по сравнению с речной водой, что приводит к значительному росту желудочно-кишечных заболеваний. Переносчики многих болезней, таких как малярия или шистосоматоз, находят для себя лучшие, чем раньше, условия существования, что приводит к резкому увеличению заболеваний.

В последние годы начали возникать водохранилища в зоне влажных экваториальных лесов, где дополнительно к уже перечисленным возникают новые геоэкологическаие проблемы. Первое крупное водохранилище в этой зоне -- это Тукуруи в Бразилии с ГЭС мощностью 8000 млн. кВт. Водная растительность прекрасно развивается в условиях постоянного высокого притока тепла до такой степени, что на водохранилище поверхности воды практически не видно. Последующее разложение отмирающей водной биомассы поглощает из воды весь растворенный там кислород и приводит в конце концов к анаэробному разложению оставшейся биомассы с выделением весьма ядовитого сероводорода. Заметно возросло также число случаев заболеваний одним из видов энцефалита со смертельным исходом. Подобные условия существуют также в Суринаме, где на относительно небольшом водохранилище Брокопондо запах сероводорода столь силен, что операторы на ГЭС должны работать в противогазах.

В ряде случаев, в особенности в развивающихся странах, интересы местного приречного населения не учитываются при планировании развития водного хозяйства. Один из американских исследователей пишет, что большие плотины в Африке -- это классический пример того, как городские жители проектируют плотины с главной целью производить энергию почти исключительно для городской же промышленности. Обследование пяти небольших водохранилищ в Кении и Зимбабве показало, что местное население не получает никаких выгод от вновь появившихся озер, таких как качественное водоснабжение, канализация, электричество или увеличение продуктов питания.

В научной литературе, и в особенности в средствах массовой информации мира, публикуется много заявлений с оценкой (зачастую голословной) эффективности тех или иных осуществленных проектов гидротехнических сооружений с, как правило, отрицательными выводами. Однако, строгих научных оценок пока почти не сделано. В особенности сложно оценить экономический эффект больших плотин и водохранилищ, не говоря уже об интегрированном эколого-экономическом эффекте. Можно сказать, что водохранилища выполняют свою задачу, увеличивая водные ресурсы. С другой стороны, они приносят много неблагоприятных последствий. Поэтому проектирование нового водохранилища, в особенности крупного, -- это всегда поиск оптимального решения, в котором сумма выгод в конечном итоге должна превышать сумму потерь, и в каждом случае это решение должно быть индивидуальным.

В случае СССР и современной России затруднительно сказать, каков же итоговый эффект наших плотин и водохранилищ, в основном расположенных на равнине, поскольку имеются как значительные плюсы, так и минусы. Развитие водного хозяйства в СССР и России шло по экологически неустойчивому пути. Вероятно, если бы строительство каскадов водохранилищ на равнинных реках России производилось сейчас, то высота плотин была бы ниже, и, соответственно, площадь затапливаемых земель меньше, и неблагоприятные геоэкологические последствия были бы значительно сокращены по сравнению с тем, что мы фактически имеем.

Многие отрицательные последствия строительства плотин и водохранилищ являются серьезным аргументом против их дальнейшего развития. Однако необходимо помнить, что водохранилища -- важнейшее средство увеличения объема возобновимых водных ресурсов. В процессе принятия решения о строительстве новой плотины необходимо тщательно взвесить все «за» и «против», причем универсальной методики оценки не существует, и потому к анализу необходимо привлекать не только необходимые инженерные, экологические и пр. знания, но и изрядную долю воображения и здравого смысла. Окончательное решение -- всегда компромисс между инженерными, экономическими и экологическими целями проекта. Всеобъемлющая экспертиза крупного гидротехнического проекта -- это дорогостоящее занятие, но сами проекты намного дороже, они строятся не менее чем на сто лет, и последствия неправильного решения могут оказаться глубокими и долговременными. Мы уже имеем много примеров этого из практики нашего российского водного хозяйства.

В настоящее время имеются примеры переоценки эффективности некоторых гидротехнических схем, осуществленных в предшествующие десятилетия. Например, по Проекту бассейна р. Теннеси в США (Tennessee Valley Authority) в 1930-х гг. было построено около 20 плотин с водохранилищами. Предполагалось, что эта схема обеспечит дешевую энергию, улучшит условия судоходства и защиту от наводнений и в целом создаст основу для успешного экономического развития. Проект считался обычно хорошим примером успешного решения проблем регионального развития. Более глубокий анализ показал, что осуществленный проект не принес ожидаемого материального благополучия в этот регион.

Глубокий анализ геоэкологических последствий сооружения Асуанской плотины на Ниле в Египте выполнен иностранным членом РАН Г. Уайтом (США), который не пришел к однозначной оценке последствий. Вследствие летних (июнь-сентябрь) дождей в бассейне Нила ежегодно формируется половодье, всегда игравшее благотворную роль в становлении и развитии Египта и его цивилизации. Половодье орошало поля и приносило на них плодородный ил. В настоящее время ил задерживается плотиной, и плодородие почв должно поддерживаться посредством применения минеральных удобрений. Нильская вода аккумулируется в водохранилище, которое регулирует объем доступных водных ресурсов с последующим их использованием для орошения и производства электроэнергии. В конце 1970х гг. Асуанское водохранилище удержало несколько весьма высоких и потому очень опасных половодий. Наоборот, в середине 1980-х гг. было семь лет подряд, когда объем половодья Нила был намного ниже среднего. При этом в каждый маловодный год дефицит воды, необходимой для орошения полей Египта, пополнялся из Асуанского водохранилища. Таким образом, водохранилище предотвратило крупнейшую катастрофу. Страна была буквально спасена от голода, экономических трудностей и политической нестабильности.

Строительство крупных и сверхкрупных гидротехнических систем, включая водохранилища, по-видимому, достигло пика в третьей четверти XX в. В настоящее время видна тенденция к его снижению. В то же время среди осуществляемых проектов -- строительство крупнейшей в мире ГЭС и водохранилища в месте, называемом Три Ущелья, на р. Янцзыцзян в Китае и осуществление огромного Юго-Восточного Анатолийского проекта интегрированного развития, включающего комплекс из 22 плотин, 19 ГЭС и оросительных систем площадью 1,7 млн. га в верхней части бассейнов рек Ефрат и Тигр в Турции.

Причины, по которым сооружение водохранилищ в мире замедлилось, разнообразны. Во многих развитых странах все приемлемые для строительства плотин места уже использованы, а оставшиеся не подходят по экономическим или политическим соображениям. Это верно и для европейской части России и Урала. В США за последние два десятилетия не построено ни одного крупного водохранилища. Руководство Бюро мелиораций США, осуществлявшего основную часть строительства плотин и водохранилищ, в 1995 г. приняло решение прекратить их дальнейшее сооружение, поскольку приоритеты американского общества изменились, и плотины с водохранилищами более не рассматриваются в качестве приоритетных.

Среди причин замедления темпов строительства водохранилищ в мире -- высокая стоимость строительства и переселения жителей из зоны затопления, большие потери земельных ресурсов высокого качества, серьезные и плохо предсказуемые геоэкологические последствия, глубокие изменения гидрологического режима в верхнем и нижнем бьефах плотин, нарушение установившегося уклада жизни и хозяйства, несовместимость интересов различных социальных групп населения, которые могли быть затронуты в результате строительства.

2.2.3 Переброски речного стока

На определенной стадии развития водного хозяйства некоторой территории, когда не только устойчивая часть речного стока и доступная часть ресурсов подземных вод, но и дополнительный ресурс вследствие регулирования стока приближаются к экономически и экологически рациональному пределу, возникает интерес к осуществлению проектов передачи («переброски») части речного стока из водообеспеченного в вододефицитный регион.

Масштабы крупнейших перебросок в мире выросли на порядок, от 0,5--1 куб. км в год (15--30 м³/с) в начале XX в. до примерно 10 км³ в год (более 300 м³/с) в настоящее время. Примеры перебросок воды есть во многих странах. В бывшем СССР крупнейшим сооружением является Каракумский канал, забирающий из Амударьи в западном направлении не менее 10 км³ воды в год, используемой преимущественно на орошение. В Калифорнии (США) перераспределяется между речными бассейнами около 30 км³ в год. В различных странах (бывший СССР, США, Канада, Индия, Китай, ЮАР, Мексика и др.) предлагались новые проекты следующего порядка величины Golubev G. & Biswas A. (Editors). Interregional Water Transfers: Problems and Prospects. Pergamon Press, Oxford. 1979.

Golubev G. & Biswas A. (Editors). Large-Scale Water Transfers: Emerging Environmental and Social Experiences. UNEP: Tycooly Publishing Limited, 1985., но возможность их осуществления, по крайней мере, в ближайшем будущем вряд ли достижима.

В США в 1960-х гг. растущая потребность в водных ресурсах, главным образом для ирригации, заставила проектировщиков разработать впечатляющие схемы перераспределения водных ресурсов в масштабах всего континента. Вода должна была быть забрана из относительно водообильного северо-запада США и Канады и доставлена на юго-запад и юг США, и даже в Мексику, по очень сложной (и, без сомнения, дорогой) сети каналов, водохранилищ, насосных станций, ГЭС и пр. Позднее, в 1970-х гг, более скромные, но все же крупные схемы перебросок воды предназначались в США для решения различных проблем дефицита водных ресурсов. Например, проводились детальные исследования стратегии пополнения запасов подземных вод формации Огаллала на Высоких Равнинах США (см. У1.2.2.1.). В Калифорнии изыскивались дополнительные источники воды за пределами штата. Ни один из этих проектов не был реализован. Эта ситуация отражает неодобрительную позицию американского общества по отношению ко всем новым крупным гидротехническим проектам, включая проекты перебросок. Главные же факторы отказа от проектов перебросок воды в США были следующие.

(а) Ирригация должна была стать главным потребителем воды. Однако стоимость перебрасываемой воды была бы на порядок величины дороже, чем стоимость воды, используемой в настоящее время для орошения. Локальные дефициты водных ресурсов заставляли фермеров более экономно использовать уже имеющуюся воду, играя роль эффективных регуляторов спроса. Помимо этого в США существует избыток сельскохозяйственных продуктов как для внутреннего, так и для внешнего рынка, и в дальнейшем развитии ирригации уже нет нужды.

(б) Геоэкологические последствия сверхкрупных проектов перебросок воды многочисленны и комплексны. Даже сейчас, когда наше понимание проблем геоэкологии намного лучше того, что было 20--30 лет тому назад, последствия неопределенны, плохо предсказуемы и не сравнимы, то есть, например, не могут быть представлены в денежном выражении.

(в) Юридические и политические вопросы крупномасштабных международных перебросок воды необычайно сложны. Общественное мнение в Канаде настолько против перебросок воды южному соседу, что парламент страны принял специальный закон, запрещающий это делать. Не легче и передача водных ресурсов из штата в штат, не говоря уже о перебросках сквозь несколько штатов.

Эти трудности в осуществлении крупномасштабных перебросок воды очевидно справедливы и для других стран, хотя они могут принимать различные формы в зависимости от национальных особенностей, что подтверждается примером бывшего Советского Союза.

В СССР 20--25 лет тому назад существовали грандиозные проекты перебросок речного стока. В стране шло исследование и проектирование перебросок значительной части воды из Иртыша, Оби, Сев. Двины и других северных и сибирских рек на юг, в основном в бассейны Аральского и Каспийского морей. В проработках проблемы участвовали более ста научно-исследовательских и проектных институтов по всему очень широкому кругу вопросов.

Исследования проблемы были обоснованными, потому что на южном «макросклоне» СССР проживало 75% населения страны, располагавшего всего лишь 16% водных ресурсов, и дефицит воды в ряде мест уже был весьма серьезным. Ситуация осложнялась усиливающимся загрязнением водных ресурсов и падением уровня воды всех основных бессточных водоемов (Каспия, Арала, Балхаша и др.).

Вместе с тем работы по проектированию новых схем в недостаточной степени учитывали необходимость кардинального повышения эффективности использования водных ресурсов во всех отраслях водного хозяйства, в особенности в орошении. К тому времени в стране накопилось много примеров того, что дорогостоящие сооружения не приносили ожидаемой экономической выгоды, но вызывали серьезные и многочисленные геоэкологические последствия, такие как засоление и заболачивание почв, ухудшение качества воды, деградация экосистем и пр. Эти уроки не были учтены, потому что основной стратегией водного хозяйства было увеличение доступных водных ресурсов без должного роста эффективности их использования и при пренебрежении геоэкологическими и экономическими факторами.

Во второй половине 1980-х гг. политический климат в стране начал изменяться. Экологическое движение стало одной из первых возможных форм массового протеста против тоталитарного политического режима в стране. Одним из первых объектов критики режима стали дорогостоящие, неэффективные и экологически неблагоприятные гидромелиоративные сооружения и проекты, то есть выдвигались соображения, подобные приведенным выше для США. В конце концов руководство страны того времени приняло решение остановить все работы по переброскам, включая научные исследования.

Последнее десятилетие почти не принесло новых проектов перебросок воды. Главные причины уже обсуждались: высокая стоимость проектов и, следовательно, получаемой воды, высокая степень неопределенности в оценке геоэкологических последствий и общая тенденция к повышению эффективности использования уже имеющихся водных ресурсов. Кроме того, теоретически может существовать некий предел размеров перебросок воды (и вообще водохозяйственных схем), при котором неопределенность экологических и других последствий начинает превышать экономическую эффективность проекта, так что его осуществление становится неоправданно рискованным и потому нецелесообразным.

Вероятно, в будущем негативное отношение к крупномасштабным переброскам воды может измениться и в нашей стране, и в мире. В России более 80% населения живут в бассейнах Каспийского и Азовского морей. Дефицит водных ресурсов в этих бассейнах уже сейчас весьма значителен, в то время как их собственные ресурсы составляют менее 8% от общероссийских. Несомненно, что острота водных проблем в этой наиболее населенной и экономически развитой части страны будет только возрастать, и может стать критической. Тогда, после того как будут исчерпаны возможности значительного повышения эффективности использования воды и резкого сокращения ее загрязнения, вопрос о перебросках снова станет на повестку дня, хотя это и не значит, что он будет решен положительно, так как экологические соображения могут оказаться более весомыми.

Особым типом перебросок воды являются системы управления водными ресурсами значительной территории. Например, в Калифорнии действует система управления водными ресурсами на уровне штата, главным образом, для орошения и водоснабжения крупных городов. Значительная часть водных ресурсов, формирующихся на севере Калифорнии, передается на юг для орошения основных земельных массивов штата, лежащих в продольной депрессии долин двух основных рек, Сакраменто и Сан- Хоакин. Далее часть воды передается на юг штата для водоснабжения мегаполиса Лос-Анджелеса и орошения. Другая часть воды поступает в южную Калифорнию из р. Колорадо. Всего в штате перераспределяется около 30 куб. км воды в год.

Выше мы уже обсуждали вопрос о том, что сложные природно-хозяйственные системы всегда влекут за собой как положительные, так и отрицательные последствия и что абсолютно лучших решений не бывает, а могут быть только оптимальные решения, принимаемые в результате компромисса. В случае Калифорнии высококлассные инженерные решения привели к серьезным экологическим проблемам, таким как засоление почв, возвратные воды, сильно загрязненные вследствие орошения, деградация объединенной дельты рек Сакраменто и Сан-Хоакин со снижением ее биологической продуктивности и др.

Основу проекта Сардар Саровар в аридной северо-западной Индии также составляет региональное управление водными ресурсами. Предполагается забрать воду из р. Нармада и распределить ее в основном для орошения и водоснабжения. Всего планируется заново оросить 1,8 млн. га и обеспечить снабжение питьевой водой 30 млн. чел. В настоящее время жители 3800 населенных пунктов пьют солоноватую или содержащую фтор воду. Прооект состоит, в свою очередь, из 30 крупных проектов, 135 средних по размеру и 3000 малых. Подача воды началась в 1997 г. Проект планируется завершить к 2010 г. Он предполагает коренным образом изменить условия жизни населения этого засушливого района. Следует сказать, что проект вызывает очень сильное сопротивление со стороны экологических групп, подчеркивающих, что неблагоприятные экологические последствия проекта превзойдут ожидаемые выгоды.

2.2.4 Управление водопотреблением и водохозяйственный баланс

Эффективное водное хозяйство -- это умение уравновесить имеющиеся водные ресурсы территории и спрос на них, не допуская при этом ухудшения качества окружающей среды. Иными словами, это искусство соблюдать водохозяйственный баланс. Имеются два принципиально различных пути его достижения.