Вода как уникальное вещество

Болота занимают примерно 2% суши и преимущественно приурочены к зонам избыточного и достаточного увлажнения. Но есть районы (в Западной Сибири, бассейне Амазонки), где заболоченность от 10 до 20 % . В Южной Америке заболоченность территории 7%.

Основная масса воды в болотных массивах содержится в торфяной залежи, которая делится на два слоя: верхний - деятельный, и нижний - инертный. Толщина деятельного слоя равна расстоянию от поверхности болота до отметок среднего многолетнего минимального уровня болотных грунтовых вод, на Северо-Запада она изменяется от 0,4 м для травянистых микроландшафтов до 1 м для лесных. В деятельном слое содержание влаги не постоянно, а в инертном оно мало изменяется. Следовательно, биологические и физические свойства этих слоев различны. Деятельный слой - аэробный, с легким доступом воздуха, переменным увлажнением. В нем отмирающие организмы превращаются в торф, из него происходит отдача воды, то есть количество воды в этом слое не постоянно.

В инертном слое водообмен очень замедленный, отсутствует кислород - условия анаэробные. Толщина инертного слоя не зависит от типа растительности, а определяется мощностью торфяных отложений. Она может изменяться от 0 до 18-20 м (самая большая известная мощность современных торфяников). В большинстве случаев основная масса воды содержится именно в этом слое.

Средняя мощность торфяников 4,5 м. Торфяники на 95% напитаны водой. На болотах произрастает специфическая влаголюбивая растительность - мхи, тростники. Из болот берут начало многие реки.

Осушение болот проводят для получения дополнительных сельскохозяйственных угодий и торфа - прекрасного горючего материала. Считается, что в связи с осушением уменьшается испарение и увеличивается сток. Это приводит к нарушению внутриматерикового влагооборота, водного баланса крупных территорий, преобразованиям природных ландшафтов.

Вопросы на зачет

1 Понятие озера, распространение озер на Земле, озерность территорий

2 Типы озерных котловин

3 Самоочищение и трофический статус озер

4 Понятие водохранилища, цели создания водохранилищ

5 Болота и заболоченные земли, торф, деятельный и инертный слой торфяника

ЛЕКЦИЯ 5. КРУГОВОРОТ ВОДЫ НА ЗЕМНОМ ШАРЕ МИРОВЫЕ ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ

5.1 Круговорот воды на земном шаре

Влагооборот - непрерывный процесс перемещения воды под действием солнечной радиации и силы тяжести. Благодаря влагообороту в атмосфере возникают облака и выпадают осадки. Выделяют малый, большой и внутриматериковый влагооборот. Малый влагооборот наблюдается над океаном, здесь взаимодействуют атмосфера и гидросфера, в процессе участвует живое вещество. Благодаря испарению в атмосферу поступает водяной пар, образуются облака и осадки выпадают на океан. В большом влагообороте взаимодействуют атмосфера, литосфера, гидросфера, живое вещество. Испарение и транспирация с поверхности океана и с суши обеспечивают поступление водяного пара в атмосферу. Облака, попадая в потоки ОЦА, переносятся на значительные расстояния и осадки могут выпадать в любой точке на поверхности Земли. Внутриматериковый влагооборот характерен для областей внутреннего стока.

Движущие силы гидрологического цикла (ГЦ) - это тепловая энергия и сила тяжести. Под воздействием тепловых процессов происходит испарение и конденсация водяных паров, таяние, замерзание и другие фазовые переходы воды. Под влиянием силы тяжести выпадают осадки, движутся поверхностные и подземные воды. Водяные пары, поступившие в атмосферу, перемещаются вместе с воздушными массами, при благоприятных условиях конденсируются и выпадают в виде атмосферных осадков. Согласно общему закону сохранения материи Vос = Vисп . В целом для земного шара такой круговорот - замкнутая система, в ней выделяют три основных звена: атмосферное, океаническое и материковое. Ни одно из этих звеньев по отдельности не является замкнутым.



Рисунок 1 - Схема круговорота воды

Только весь ГЦ - замкнутая система (Но на практике и отдельные звенья принимают замкнутыми. Так, часто рассчитывают характеристики круговорота воды (составляющие водного баланса) для отдельных материков, озер, речных бассейнов). Область внешнего стока занимает 78% суши, а область внутреннего стока - 22% суши.

Водный баланс земного шара и его отдельных частей

Основные звенья влагооборота в атмосфере: испарение, образование облаков, выпадение осадков. Испарение - процесс перехода воды из жидкого состояния в газообразное. За год количество испарившейся на всей Земле воды равно выпавшим осадкам, в годовой влагооборот включено 525,1 тыс. км3 воды. В течение года с каждого км2 Земли в среднем испаряется 1030 мм воды (М.И. Львович, 1986).

Глобальный влагооборот Земли находит свое выражение в водном балансе Земли, который математически выражается уравнением водного баланса (для Земного шара в целом и для его отдельных частей). Все компоненты (составляющие) водного баланса можно разбить на 2 части: приходную и расходную.

Уравнение водного баланса для:

1 Мирового океана Eо = Хо + y (1)

2 Периферийной части суши Епс = Хпс - y (2)

3 Для замкнутой части суши Езс = Хзс (3)

4 Для суши в целом Ес = Хс - y (4)

Сложив уравнения (1 - 3), получим уравнение водного баланса для ЗШ

Eо + Епс + Езс = Хо + Хпс + Хзс или

ЕЗШ = ХЗШ

Внутриматериковый влагооборот

В действительности влагооборот на Земном шаре происходит значительно сложнее: в формировании осадков, выпадающих на материк, участвует как влага с океана (внешняя), так и испаряющаяся с суши (внутренняя). Они полностью перемешиваются над континентом.

Х - общее количество осадков, выпавших на поверхность ограниченной области;

XA - внешние осадки, сконденсировавшиеся из поступившего извне водного пара; вода гидросфера река трофический

XE - внутренние осадки, сконденсировавшиеся из влаги, испарившейся с поверхности этой области.

X = XA + XE

В - часть водяных паров, как поступивших извне, так и образовавшихся в данной области, выносимые воздушным потоком за пределы территории:

В = (А - XA) + (Е - XE)

Е - XE = С - атмосферный сток > Е = XE + С - испарение с этой области.

В среднем за многолетний период

Х = Е + y

где Х, Е, y - нормы осадков, испарения и стока соответственно.

Можно выразить

Х = Е + y = XE + С +y = X - XA + С + y

XA = С + y

Зная значения X и XA можно определить коэффициент влагооборота К, представляющий собой отношение общего количества осадков Х, выпавших на данную территорию суши, к количеству “внешних” осадков XA, которые сконденсируются из водяного пара, поступившего извне (преимущественно с океана), пока он не будет вынесен за пределы этой территории, т.е.

К = Х/XA

Коэффициент влагооборота увеличивается с увеличением размера территории. Для малых областей К = 1 (при ХЕ = 0, Х = ХА и К = 1). Для больших территорий К > 1.

Значения К по данным ГГИ (Государственный гидрологический институт)

Материк Европа Азия Африка Сев. Америка Юж. Америка Австралия

К 1,42 1,62 1,42 1.65 1.68 1.14

(В формировании общего количества осадков над всеми материками, за исключением Австралии, заметное участие принимают внутренние осадки, сформировавшиеся за счет испарения с материков).

5.2 Мировые водные ресурсы и их распределение по территории

Вода - основа существования и развития жизни. За последние 5 тыс лет развития цивилизации запасы воды остались без изменений, в то время как население планеты возросло в сотни раз, неизмеримо возросли и техногенные запросы на воду. Объем пресных вод на Земле оценивается примерно в 47 млн км3 - это всего 2,5% гидросферы, но они постоянно возобновляются. Скорость возобновления определяет доступные человечеству ресурсы. Из поверхностных вод суши быстрее всего обновляются воды рек - за 10-12 суток. Следовательно, наибольшее практическое значение для человечества имеют пресные воды рек - водные ресурсы. Обеспеченность водными ресурсами различных территорий планеты не одинакова:

Таблица 1 Возобновляемые водные ресурсы мира

Континент с островами	Сток	Доля от суммарного стока %	Площадь F км2	Сток л/(сек км2)	Население человек 2011 г	Сток на душу населения тыс м3
	мм	км3
Европа	306	3.21	7	10 180 000	9.00	830400000	3.9
Азия	332	14.41	31	43 810 000	9.4	4340000000	3.3
Африка	151	4.57	10	30 250 000	4.3	922000000	5.0
Северная Америка	339	8.2	17	24 200 000	9.7	500000000	16.4
Южная Америка	661	11.76	25	17 820 000	18.9	385742554	30.5
Австралия (с о. Тасмания)	45.3	0.343	1	7 632 000	1.3	22863024	15.0
Океания	1610	2.04	4	891 000	65.4	10700000	191
Антарктида	165	2.31	5	13 980 000	4.7	1000
Вся суша	Средний 451	46 843	100	148 763 000	114,44	7 011 706 578	6,8

Наиболее сложная ситуация, в связи с огромной численностью населения, складывается в Азии.

Всего 10 стран мира обладают более чем 60% мировых запасов пресной воды. В их число входит и Китай, где проживает каждый пятый житель планеты, но поскольку 90% рек страны загрязнены, там уже сейчас испытывается дефицит воды. Самой многоводная страна - Бразилия, запасы пресных вод которой составляют 9 950 км3 (в год). Россия обладает 4 500 км3 пресных вод в год. Далее следуют Канада, Китай, Индонезия, США, Бангладеш, Индия, Венесуэла, Мьянма

Обеспеченность России водными ресурсами

Объем речного стока России (практически водные ресурсы) 4 262 км3, из них 4 043 км3 - местного формирования. РФ, где проживает только 2.5% населения планеты, обладает десятой частью мировых водных ресурсов и по обеспеченности водными ресурсами занимает второе место после Бразилии. Россия является одной из наиболее благополучных стран по уровню как суммарных запасов пресной воды, так и по уровню удельной обеспеченности своих жителей.

В каких объектах гидросферы эти ресурсы содержатся?

- В реках. В РФ 120 тысяч рек длиной более 10 км.

- В озерах. В РФ 2 млн озер, площадь которых в нашей стране больше территории Великобритании. (Только Байкал содержит около 80% водных ресурсов России и 26% водных ресурсов мира; если бы все реки мира текли в Байкал, то понадобился бы год, чтобы заполнить его котловину).

- В недрах - подземные воды. Потенциальные ресурсы подземных вод 230 км3/ год, из них эксплуатируется 28 км3/ год и 19 км3/ год готовы к промышленному освоению.

Распределение водных ресурсов по территории не равномерно: 90 % стока приходится на бассейн Северного Ледовитого и Тихого океанов, и 8% - на бассейны Каспийского и Азовского морей, где проживает 80% населения и расположена масса промышленных предприятий. В связи с этим регионы делятся на водообеспеченные и водонедостаточные. Важно и то, что более 80% российской пашни размещено в зонах неустойчивого и недостаточного увлажнения, что обусловливает уязвимость сельского хозяйства. При значительных капиталовложениях в сельское хозяйство Россия смогла бы прокормить десятую часть населения планеты, а огромный потенциал водных ресурсов мог бы вывести РФ в число ведущих мировых водных держав.

Таблица 2 Удельная водообеспеченность экономических районов России

Экономический район	Водообеспеченность на 1 км2 территории, тыс м3	Водообеспеченность на душу населения, тыс м3
Северный	349	90,6
Северо - Западный	455	11,6
Центральный	232	3,9
Центрально - Черноземный	125	2,7
Волго - Вятский	577	18,2
Поволжский	503	17,3
Северо- Кавказский	195	4,3
Уральский	157	6.6
Западно - Сибирский	241	44.7
Восточно - Сибирский	273	136
Дальневосточный	290	297
Россия в целом 17 075 тыс км2 Население РФ 141 800 000 человек	250	28,5

Уже сегодня, по данным журнала Fortune, прибыли в области поставок питьевой воды достигают $1 трл в год - это 40% прибыли нефтяных компаний. А ведь продажа бутилированной воды - это малый рынок. Важнее формирование “большого рынка” воды, который позволил бы решить проблемы дефицита качественной пресной воды в национальных масштабах.

По прогнозам специалистов, прибыли на этом рынке могли бы быть выше, чем на рынке углеводородного сырья, к тому же вода, в отличие от нефти и газа - самовозобновляющийся ресурс.

Вопросы на зачет

1 Понятие о влагообороте, уравнение водного баланса для различных территорий суши

2 Cхема внутриматерикового влагооборота

3 Водные ресурсы Земли, неоднородность их распределения

4 Обеспеченность водными ресурсами России в целом и отдельных регионов

ЛЕКЦИЯ 6. ВОДОПОТРЕБЛЕНИЕ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

6.1 Потребление водных ресурсов

За последние 5 тысяч лет развития цивилизации запасы воды остались без изменений, а население планеты возросло в сотни раз, неизмеримо возросли и техногенные запросы на воду. Человечество может использовать для своих нужд около 46 - 47 тыс км3 воды ежегодно (часть общего круговорота воды, которая приходится на речной сток), но если учесть, что более половины русловых пресных вод стекает в океан и смешивается там с соленой водой, то для водозабора остается около 15 тыс км3 в год. Кроме того могут быть использованы около 13 тыс км3 подземных вод. В настоящее время в мире используется около четверти доступных возобновляемых ресурсов пресной воды, а если учесть загрязненность источников - 55%. По оценкам ООН, если нынешнее среднедушевое потребление сохранится, то к 2050 г использование мировых запасов пресной воды только за счет роста населения достигнет 70%.

Доступность пресной воды для населения неуклонно сокращается при экстенсивном росте ее среднедушевого потребления. За последние 80 лет общее потребление пресной воды возросло в 10 раз, а население увеличилось только в 2,5 раза. Объем воды на личное потребление зависит от региона и уровня жизни и составляет от 20 до 500 л в сутки на одного человека.

Однако в любом районе мира ЗПВ могут истощиться из-за нерационального водопользования или загрязнения. Число таких мест растет, охватывая целые географические районы. Потребность в воде не удовлетворяется у 20% городского и 75% сельского населения Земли; в целом дефицит воды испытывает 1/3 населения планеты более чем в 50 странах. Основным потребителем пресной воды является сельское хозяйство - до 70% - 80% мирового потребления пресной воды. Большая часть ее идет на производство продуктов питания (орошение): для обеспечения среднестатистического жителя самой простой растительной пищей расходуется 350 м3 в год. При небольшом повышении благосостояния и необходимости содержать скот затраты воды на производство продуктов питания увеличиваются втрое.

Орошаемое земледелие занимает лишь около 20% площади сельскохозяйственных угодий, а дает половину всей продукции. Примерно 80 % забираемой на орошение речной воды не возвращается обратно в реки и расходуется на испарение и транспирацию сельскохозяйственными культурами. Для орошения 1 га земли в Западной Европе 4 000 - 6 000 м3 воды, в США и Мексике - 7 000 - 8 000 м3, в Индии и Индонезии - 9 000 - 10 000 м3, в бывшем СССР - 12 500 м3. Для производства 1 т зерна требуется 100 м3 пресной воды, 1 т риса - 400 м3, 1 кг мяса - 27 м3, 1 л молока - 4 м3. Почти 70% посевов хлопчатника в мире существует благодаря орошению.

Не смотря на рост урожайности в последние 20 лет с 1 га угодий на 40%, удельное потребление воды на 1 га остается практически неизменным на протяжении последнего столетия - то есть рост производства достигается в основном за счет увеличения площади орошения. Дальнейшее увеличение населения будет сопровождаться обострением продовольственных проблем, а нехватку воды к 2025 г будет испытывать 2/3 населения планеты. Уже сегодня дефицит воды существует в экономически развитых странах, например США и Германии.

В настоящее время среднее потребление пресной воды составляет около 630 м3 в год на человека, из них 420 м3 - на производство продуктов питания, 125 м3 - на коммунально-бытовые нужды, 65 м3 - на производство промышленной продукции.

Потребление воды промышленностью зависит от экономического развития данного района. Например, в Канаде на долю промышленного потребления приходится 84% всего водозабора, а в Индии - 1%. Почти 70% всей воды, затрачиваемой в промышленности, потребляют наиболее водоемкие отрасли - сталелитейная, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная и пищевая. В среднем в мире на промышленное потребление уходит примерно 20% всей потребляемой воды (по разным оценкам, от 400 до 600 км3 пресной воды). Казалось бы, от стока всех рек мира промышленное потребление составляет небольшую долю. Но если учесть неравномерность распределения стока в пространстве и во времени и часть стока, которую можно реально использовать, то, оказывается, для промышленного использования изымается до 40 % полного стока рек. Увеличение за последние десятилетия водопотребления связано с развитием водоемких отраслей.

Водопотребители - это отрасли народного хозяйства, которые требуют забора значительных объемов воды из водных объектов (орошаемое земледелие, промышленное производство, водоснабжение крупных населенных пунктов и городов).

Водопользователи - отрасли хозяйственной деятельности, которые не связаны с необходимостью водопотребления, но коренным образом изменяющие естественный гидрологический режим водоисточников (гидроэнергетика, судоходство, лесосплав, рыбное хозяйство).

Водопотребляющие отрасли, изымая воду из рек, могут существенно уменьшать естественный речной сток, особенно во влагодефицитных районах, где речная сеть редкая, а водные ресурсы ограничены. При этом может нарушаться водный баланс морей и озер.

Основная беда водопотребления для поддержки санитарного состояния мест расселения людей, нужд промышленности, сельского хозяйства, городского хозяйства заключается в том, что изымаемая чистая вода из рек, озер, подземных резервуаров возвращается в эти водоисточники загрязненной. Сточные воды, даже прошедшие предварительную очистку, нуждаются в многократном разбавлении чистой водой тех же объектов - в среднем необходимо 15-кратное разбавление.

Известные советские гидрологи Куделин, Кунин, Львович и Соколов еще в 1970 г писали: “Главную причину ухудшения положения с водой в последнее время следует искать не в свойствах водных ресурсов, а в характере их использования”.

Даже если допустить, что все сточные воды будут очищаться значительно качественнее, то при росте населения Земли и увеличении забора вод в некоторых районах земного шара воды не хватит для разбавления сточных вод до нормы, необходимой для повторного использования.

Критическим считается использование более 10% годовых запасов пресной воды. Сейчас Египет, например, использует 97% ООВР, Израиль - 84%, Германия - 27%, США - 19%, Россия - 2,7%. По расчетам к 2050 г останется лишь 3-4 страны, в том числе Россия, не испытывающие недостатка воды.

6.2 Рациональное использование водных ресурсов

ОСНОВНЫЕ ПРОЕКТЫ ПО УВЕЛИЧЕНИЮ ДОСТУПНЫХ ЗАПАСОВ ПРЕСНОЙ ВОДЫ

1. Сооружение водохранилищ. С помощью водохранилищ возможно увеличить устойчивый сток пресных вод до 20% от существующего уровня. Активнее всего водохранилища создавались в 50-70-х годах прошлого века, но в 90-х этот процесс замедлился и в настоящее время практически прекратился.

2. Опреснение морских вод. В районах искусственного орошения важно опреснение засоленных речных вод. В странах тропического пояса широко распространено опреснение морских вод. Однако отходы опреснения, складируемые на суше или сбрасываемые в море - экологическая опасность.

3. Транспортировка воды. Разрабатываются проекты строительства магистральных водопроводов для межрегиональной переброски воды, в частности из Канады в Мексику и южные штаты США. В России до сих пор на рассмотрении Правительства РФ находятся проекты вовлечения вод Оби и Иртыша в хозяйственный оборот южных районов Урала и Тюменской области. Предлагается осуществлять танкерную перевозку воды (например, из Ладогив Калининградскую область и из Великих Озер - в арабские страны).

Существуют проекты транспортировки ледниковых запасов пресной воды: планируется превращение айсбергов в ледяную крошку и перевоз ее грузовыми судами. Однако придется использовать только холодные течения во избежание таяния льда, что является минусом проекта. В среднем эти проекты в 100 раз дороже опреснения.

4. Очистка сточных вод. Ежегодно потребляется 4 тыс км3 воды, а объем стоков составляет 2 тыс км3. В результате несовершенства современного водопользования и очистки в большинстве развивающихся стран и некоторых развитых странах воды загрязняется больше, чем при сбросах нормативно очищенных вод. В глобальном масштабе в ближайшем будущем человечеству грозит качественное ухудшение водозапасов.

А в качестве первоочередных мер предотвращения дефицита воды необходимо всемерно ее экономить.

СПОСОБЫ ЭКОНОМИИ ВОДЫ В БЫТУ ЭКОНОМИМ ВОДУ ПРАВИЛЬНО

УТРОМ

Использовать унитаз с двойным смывом - 3 литра.

Выключать воду при чистке зубов - 27 литров.

Принимать душ вместо ванны - 60 литров.

Использовать посудомоечную машину с функцией экономии воды - 40 литров.

130 ЛИТРОВ

ВЫБИРАЯ ОПРЕДЕЛЕННЫЕ ПРОДУКТЫ, МОЖНО ЭКОНОМИТЬ ВОДУ

Пить чай вместо кофе - 105 литров.

Есть сухие завтраки вместо яиц - 55 литров.

Выпивать стакан соевого молока вместо коровьего - 155 литров.

“Если вы думаете, что экономить воду можно только дома, то сильно ошибаетесь” - говорит профессор Арджен У. Хоэкстра, научный директор системы WATER FOOTPRINT NETWORK.

ЦЕНА ЖИДКОСТИ

Яблоко - 70 литров воды

0.5 л пива - 150 литров воды

200 гр риса - 680 литров воды

200 гр сыра - 1000 литров воды

Пицца Маргарита - 1216 литров воды

Гамбургер - 2400 литров воды

1 литр био-этанола - 2400 литров воды

Рубашка из хлопка - 2700 литров воды

Говяжий стейк - 3700 литров воды

МР3 - плеер - 4000 литров воды

Ноутбук - 80 000 литров воды

ЧТО ДЕЛАТЬ, ЧТОБЫ ЭКОНОМИТЬ ВОДУ?

- Вегетарианство экономит воду. Выращивание скота на мясо требует много воды.

- Не стоит пить чай с большим количеством сахара; на его производство требуется много воды - кстати, на шоколад и кофе тоже.

- Выбирайте продукты, не наносящие ущерб окружающей среде.

6.3 Антропогенное воздействие на географическую оболочку Земли

Деятельность человека, приводящая к изменению среды обитания - антропогенное воздействие. Результаты такой деятельности - антропогенные факторы. Надо понимать, что антропогенное влияние может быть и положительным, но в большинстве случаев, говоря о нем, подразумевают негативное влияние человеческой деятельности.

Какая у нас вода? В естественном состоянии вода всегда имеет примеси, в ней растворены различные газы и соли, взвешены твердые частички. Даже пресной мы называем воду с содержанием растворенных солей до 1 г на литр. Почти все запасы мировой воды - это соленые воды Мирового океана и подземных кладовых. Всего 2% гидросферы приходится на пресные воды, но они постоянно возобновляются, быстрее других, примерно за 10-12 суток, обновляются пресные воды рек. Они и имеют наибольшее практическое значение для человечества.

Реки всегда были источником пресной воды. Но в современную эпоху они стали транспортировать отходы. Отходы с водосборных территорий по руслам рек стекают в моря и океаны. В основном поверхностные воды загрязняются сточными водами:

-производственными

- сельскохозяйственными

- коммунально-бытовыми.

До сих пор рост количества очистных сооружений отставал от роста потребления воды. Но суть проблемы не в этом. Даже при самой совершенной очистке, включая биологическую, все растворенные неорганические вещества и до 10% органических загрязняющих веществ остаются в очищенных сточных водах. Такая вода вновь может стать пригодной для потребления только после многократного разбавления чистой природной водой (15-20 кратное разбавление). И здесь для человека важно соотношение абсолютного количества сточных вод, хотя бы и очищенных, и водного стока рек. Основная угроза нехватки воды не в безвозвратном промышленном потреблении, а загрязнении природных вод промышленными стоками.

Ежегодное водопотребление в мире составляет около 4 тыс км3 в год. Объем промышленных стоков составляет около 2 тыс км3. 1 км3 очищенной сточной воды "портит" до 10 км3 речной воды, а не очищенной - в 3-5 раз больше. Если учесть, что не все сточные воды очищаются перед сбросом в реки, то речной сток загрязняется в еще большей степени -- не менее чем до 4 000 км3 в год, что составляет более 10 % стока всех рек мира и примерно 25 % стока рек районов, экономически наиболее развитых.

Ресурсы полного мирового речного стока близки к исчерпанию, а во многих районах мира они уже исчерпаны, в некоторых районах земного шара воды не хватает для разбавления сточных вод до нормы, необходимой для повторного использования. Количество пресной воды не уменьшается, но ее качество резко падает, она становится не пригодной для потребления.

Известные советские гидрологи Куделин, Кунин, Львович и Соколов еще в 1970 г писали: “Главную причину ухудшения положения с водой в последнее время следует искать не в свойствах водных ресурсов, а в характере их использования”.

Современный порочный принцип использования естественных вод, основанный на создании своего рода второго, антропогенного влагооборота - основная причина неблагоприятных последствий антропогенного влияния на водные ресурсы Земли. В естественном ГЦ испаренная с поверхности водных объектов и суши вода возвращается в водные объекты гидросферы в прежнем состоянии. В антропогенном ГЦ изъятая и использованная в промышленности и процессе жизнедеятельности вода возвращается в водные объекты не очищенной от вредных химических продуктов.

Следовательно, единственно правильно: использовать природные воды в производстве материальных благ таким образом, чтобы очищенные сточные воды не сбрасывались обратно в реки, озера и подземные воды, а полностью повторно использовались бы в том же производстве или других видах технологических процессов. То есть следует максимально изолировать естественный влагооборот от антропогенного. А в качестве первоочередных мер - всемерно экономить воду.

Вопросы на зачет

5 Водопотребители и водопользователи, потребление воды различными отраслями

6 Способы регулирования, перераспределения и экономии водных ресурсов

7 Почему современная система водопотребления опасна?

8 Виды антропогенного влияния на водные ресурсы суши

9 Виды загрязнения природных вод: физичеcкое, химическое, тепловое, радиоактивное

ЛЕКЦИЯ 7. АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ГЕОГРАФИЧЕСКУЮ ОБОЛОЧКУ ЗЕМЛИ

7.1 Водные экологические проблемы

Воды суши - важный компонент биосферы, контролирующий структуру и функционирование экосистем, их связи, региональные и глобальные процессы переноса вещества и энергии в их природных круговоротах. На Земле на всем протяжении ее геологической истории существовали взаимная связь и взаимное влияние воды и жизни. Отдельные виды организмов и их комплексы адаптировались к конкретным условиям водного режима территорий и акваторий и, в свою очередь, оказали существенное влияние на качественное состояние вод суши и других компонентов гидросферы.

На современном этапе развития цивилизации под целевым сознательным и неосознанным воздействием человека воды суши претерпели глубокие изменения и перешли в качественно новое состояние - искусственно управляемые или регулируемые воды, кроме того, сформировались и неизвестные в природе воды - техногенные.

В.И. Вернадский в 30-х годах прошлого столетия, до проявления экологических водных проблем и кризисов, отмечал неразрывную связь жизни и воды, главенствующую роль человека в формировании вод суши. Он писал, что современные воды суши - новое явление в истории планеты. Изменение природных вод, по мнению В.И. Вернадского, и есть тот рычаг, с помощью которого человек, желая того или нет, производит глубокие изменения в биосфере. Он рассматривал гидросферу в качестве одной из оболочек биосферы и оценивал трансформацию природных вод человеком как геологический процесс на Земле, отмечал, что изменение вод суши повлечет за собой изменение живого вещества. Следовательно, взаимодействие и взаимосвязь вод суши и экосистем является условием устойчивого функционирования биосферы и существования человека, нуждается в фундаментальных исследованиях и тщательном анализе. Осмысление этого процесса наукой происходит в наше время, и основные усилия направлены на изучение и оценку качества вод и водных экосистем. (Организована Лаборатория динамики наземных экосистем под влиянием водного фактора в Институте водных проблем РАН, Москва).

Активная хозяйственная, и, в особенности, водохозяйственная деятельность человека, ставшая во второй половине XX века одним из ведущих факторов средообразования (трансформации природной среды), изменила водный режим обширных территорий, нарушила сложившиеся природные связи и стала причиной развития негативных процессов и явлений в природной среде и социально-экономической сфере.

Площадь орошаемых земель на планете превысила 2 млн км2 [Postel, 1990], площадь осушенных земель также достигла 2 млн км2, а площадь водохранилищ составляет более 400 тыс. км2 [Авакян, 1999]. Если добавить площади под городскими поселениями и пашней, то общая площадь земель с целенаправленно преобразованным водным режимом достигла размеров, соизмеримых с площадью отдельных материков. Следовательно, многократно увеличилось изъятие воды из природных систем, ее вовлечение в антропогенные процессы. Вода - основной ресурс, определяющий размещение и развитие производительных сил. Рост промышленного и сельскохозяйственного производства обусловил увеличение потребления природных вод и вызвал:

количественное антропогенное воздействие

- перераспределение стока по территории,

- изменение гидрогеологического режима водотоков и водоемов

качественное антропогенное воздействие

- изменение качества поверхностных и подземных вод.

Как следствие изменения ГЦ, нарушения естественного режима и качества природных вод, их территориального перераспределения, появления в биосфере значительных масс вод антропогенного происхождения возникли водные экологические проблемы. Прерываются исторически сложившиеся связи в миграции вещества и трансформации энергии как в локальных, так и региональных масштабах. В круговороты воды вовлекаются новые химические элементы, токсичные для живых организмов; формируется водный режим, нетипичный для данной территории; быстро, иногда скачкообразно, изменяется режим и состав поверхностных и подземных вод, к которым были адаптированы организмы и сам человек с его традиционными формами хозяйства.

Водные экологические проблемы - свидетельство нерешенной проблемы взаимодействия человека с окружающей средой. Этим проблемам присущи свойства, характерные для других экологических проблем:

- резкие качественные, скачкообразные изменения в состоянии объектов

- синергетический эффект неадекватного усиления разнонаправленных процессов вследствие наложения антропогенных процессов на естественные, идущие в том же направлении.

Водным экологическим проблемам присущи следующие особенности:

1. Отдаленное проявление во времени и в пространстве экологических последствий изменения режима и качества вод водоемов и речного стока.

2. Кумулятивный эффект антропогенных воздействий на режим речного стока.

3. "Саморасширение" зон прямого воздействия в результате изменения водного режима.

4. Постоянный "выход" на условия жизни и труда человека - т.е. все водные экологические проблемы имеют медико-экологический и социально-экономический аспекты, что делает их остро значимыми.

Проблема антропогенного воздействия - воздействия, оказываемого человеком на окружающую среду и ее ресурсы - на географическую среду имеет глобальный характер. Решают ее на трех уровнях: государственном, региональном и глобальном. На I уровне каждая страна решает свои экологические проблемы. На II уровне осуществляются мероприятия нескольких стран, имеющих общие природоохранные интересы. На III уровне объединяют усилия все страны мирового сообщества. Однако пример показывает, что не все так просто:

(Китай строит канал для переброски стока реки Хайлар (Аргунь) в озеро Далай. Высокодетальные космические снимки района строительства показали, что с 17 мая по 17 июля 2009 года Китай искусственно расширял русло реки Хулунгол для дальнейшей переброски вод. Ширина канала составляет 46-48 метров, а ширина расширенного русла реки Хулунгол - 70-72 метра, говорится в сообщении Минприроды РФ. По словам директора департамента государственной политики и регулирования в сфере охраны окружающей среды и экологической безопасности МПР России Рината Гизатулина, полученная информация настораживает российское министерство. Чиновник считает, что строительство водоотводного канала "может привести к значительным негативным последствиям для самой реки Аргунь и для экосистем, жизнедеятельность которых связана с состоянием реки, а также для экономического развития регионов Забайкалья.Ранее в 2006 году с китайской стороной были достигнуты договоренности о приостановке проекта до выяснения всех возможных последствий его реализации. Россия и КНР заключили соглашение о рациональном использовании и охране трансграничных вод, которое обязывает стороны сообщать обо всех возможных угрозах трансграничным водным объекта”. Минприроды РФ направило информационный запрос в органы государственной власти КНР с просьбой прояснить ситуацию и предоставить официальную информацию о реализации проекта, его стадиях, оценках специалистов возможных последствий для водных объектов и экосистем, расположенных на территории России).

Количественное антропогенное воздействие на воды суши

Сток рек изменяется в зависимости от колебаний климата, но вмешательство человека в естественные процессы затронуло и сток. В сельском хозяйстве большая часть воды расходуется безвозвратно на испарение и образование растительной массы. Для регулирования стока рек, не равномерного в течение года, в СССР построено 1500 водохранилищ (они регулируют до 9 % всего стока). На сток рек Дальнего Востока, Сибири и Севера европейской части страны хозяйственная деятельность человека пока почти не повлияла. Однако в наиболее обжитых районах он сократился на 8%, а у таких рек, как Терек, Дон, Днестр и Урал, - на 11-20%. Заметно уменьшился водный сток Волги, Сырдарьи и Амударьи. В итоге сократился приток воды к Азовскому морю - на 23%, к Аральскому - на 33%. Уровень Арала упал на 12,5 м.

Одним из гидрологических последствий урбанизации является увеличение количества донных осадков. Оно постоянно возрастает из-за эрозии почв в результате неправильного ведения сельского хозяйства, сведения лесов, а также зарегулированности речного стока. Это явление приводит к нарушению экологического равновесия в водных системах, пагубно действует на донные организмы.

7.2 Качественное воздействие на различные оболочки Земли

Антропогенное загрязнение атмосферы

приводит к глобальному изменению природной среды. Загрязняющие вещества в атмосферу поступают в виде аэрозолей и газообразных веществ. Наиболее опасны газообразные вещества, на долю которых приходится около 80% всех выбросов: соединения серы, углерода, азота. Сам углекислый газ не ядовит, но, накапливаясь, определяет «парниковый эффект». Попадание в атмосферу соединений серы и азота вызывает кислотные дожди: двуокись серы и окислы азота соединяются с парами воды, затем выпадают на землю фактически в виде разбавленных серной и азотной кислот. Такие осадки нарушают кислотность почвы, вызывают гибель растений и высыхание лесов, особенно хвойных. Попадая в реки и озера, они угнетают флору и фауну, нередко приводя к полному уничтожению биологической жизни - от рыб до микроорганизмов. Место выброса веществ, вызывающих кислотные осадки, может находиться на расстоянии в тысячи км от места их выпадения. (Восемь наиболее развитых стран потребляют более половины природных ресурсов Земли и выбрасывают в атмосферу 2/5 загрязнений. Причем Россия, чей валовый доход меньше американского в 20 раз, потребляет ресурсов лишь в 2 раза меньше, чем США, но выбрасывает отравляющих веществ примерно столько же).

Антропогенное загрязнение гидросферы

Россия занимает второе место в мире по запасам пресной воды. Мы обладаем настоящим богатством, главную опасность для этих ресурсов представляет загрязнение гидросферы. Несколько десятилетий назад загрязненные воды представляли собой острова в относительно чистой природной среде. Сейчас образовались сплошные массивы загрязненных территорий. Существует три вида загрязнения водной среды: физическое, химическое и биологическое.

Физическое загрязнение

Это прежде всего тепловое загрязнение в результате сброса подогретых вод, используемых для охлаждения на ТЭС и АЭС. Оно нарушает природный водный режим. Например, реки в местах сброса таких вод не замерзают. В замкнутых водоемах это вызывает уменьшение содержания кислорода, от чего гибнет рыба и бурно развиваются одноклеточных водоросли («цветение» воды).

К физическому загрязнению относят и радиоактивное загрязнение - следствие испытания ядерного оружия, аварий на атомных электростанциях и других объектах атомной промышленности. Радиоактивное загрязнение проявляется в сильном воздействии на гидробионты и на человека через трофическую (пищевую) цепь даже при крайне малых дозах, снижает способность водоемов к самоочищению.

Химическое загрязнение

- возникает в результате попадания в воды различных химических веществ и соединений со сточными промышленными, сельскохозяйственными и бытовыми водами, а также с атмосферными осадками. Состав производственных стоков зависит от рода промышленных предприятий, типа оборудования, используемого сырья, технологии производства, степени очистки вод и ряда других причин. Так, для сточных вод химической промышленности характерны фенолы, спирты, смолы. Выбросы тепловых электростанций, работающих на твердом топливе, после освобождения от золы и шлака, имеют повышенную концентрацию фторидов, мышьяка, ванадия, часто содержат канцерогенные органические соединения.

Загрязняющие вещества разделяют на несколько классов в зависимости от их природы, химического строения и происхождения:

- тяжелые металлы (свинец, ртуть и пр.)

- органические материалы, нитраты, фосфаты

- углеводороды (нефть, органические загрязнения).

Промышленность и транспорт - главный источник поступления опасных для живых организмов тяжелых металлов. Со сточными водами в естественные водоемы попадает огромное их количество: ежегодно сточные воды приносят в реки 720 тыс. т цинка, 110 тыс. т свинца, 2,5 тыс. т ртути.

Органические материалы поступают с бытовыми, сельскохозяйственными и промышленными стоками. Их разложение происходит под действием микроорганизмов и сопровождается потреблением растворенного в воде кислорода. При содержании кислорода в воде ниже 5 мг на 1 литр, а в районах нереста - ниже 7 мг - многие виды рыб погибают. Увеличение содержания нитритов и нитратов в поверхностных и подземных водах ведет к загрязнению питьевой воды и к развитию некоторых заболеваний, а рост содержания этих веществ в водоемах вызывает их ускоренную эвтрофикацию (увеличение запасов биогенных и органических веществ, из-за чего бурно развиваются планктон и водоросли, поглощая весь кислород в воде).

Биологическое загрязнение

К биологическим загрязнителям относятся микроорганизмы. В водную среду они попадают со стоками химической и целлюлозно-бумажной промышленности, животноводческих комплексов. Болезнетворные микроорганизмы и вирусы содержатся в плохо обработанных или совсем не обработанных канализационных стоках населенных пунктов и животноводческих ферм. Попадая в питьевую воду, патогенные микробы и вирусы вызывают эпидемии, вспышки сальмонеллеза, гастроэнтерита, гепатита и др. От таких загрязнений пострадали Байкал, Волга, многие большие и малые реки России. В развитых странах в настоящее время распространение эпидемий через общественное водоснабжение происходит редко. Но могут быть заражены пищевые продукты, например овощи, выращиваемые на полях, удобряемых шламами после очистки бытовых сточных вод (от нем. Schlamme - буквально грязь). Водные беспозвоночные, например устрицы или другие моллюски, из зараженных водоемов часто вызывали вспышки брюшного тифа.

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Загрязнение подземных вод связано с загрязнением природной среды в целом: почв и растительности, поверхностных вод, атмосферы и атмосферных осадков. От загрязнения подземные воды предохраняют поверхностные слои горных пород, которые фильтруют воды и сорбируют отдельные химические элементы. Источники загрязнения подземных вод сточные воды промышленности, сельского хозяйства, коммунальные и радиоактивные стоки, возникающие после ядерных взрывов, аварий на атомных электростанциях. Иногда человек преднамеренно закачивает загрязнители и неочищенные воды: при захоронении не подлежащих очистке промышленных ядовитых отходов и отстоев бытовых сточных вод, в процессе нефтедобычи в целях поддержания внутреннего давления. Попавшие в глубинные водоносные горизонты загрязнители мигрируют, рассеиваются и переносятся на большие расстояния. Очистка подземных вод - процесс более трудоемкий, чем поверхностных.

Интенсивный забор воды из подземных источников вызывает образование обширных (радиусом несколько десятков км и глубиной до 100 м) воронок осушения в районах крупных городов. Могут проседать целые города, например Венеция. В Японии с января 1973 по январь 1974 в западных районах столицы уровень земной поверхности понизился на 25,2 см.

На территории РФ выявлено около 500 участков с загрязнением подземных вод. Крупнейшие очаги находятся в Московской (г. Лыткарино) и Тульской областях, Татарстане. Загрязнение и истощение подземных вод недопустимо, потому что нарушает естественные миграции растворенных в водах твердых и газообразных веществ, функции которых в эволюции географической оболочки науке еще малоизвестны. Современной гидрогеологии известны десятки природных процессов с участием подземных воды: молекулярная диффузия, фильтрация, гидролиз, выщелачивание, растворение и кристаллизация, подземное испарение и вымораживание и др. Неизвестно, как повлияет на развитие географической оболочки нарушение этих процессов.

ЗАГРЯЗНЕНИЕ МИРОВОГО ОКЕАНА

Мировой океан занимает более 70 % поверхности Земли и играет важную роль в развитии и функционировании географической оболочки, регулирует климатические процессы на Земле. Загрязнение МО происходит тремя путями.

Первый - речной сток, с которым в океан попадают миллионы тонн загрязняющих веществ. При этом почти все взвешенные и большинство растворенных веществ осаждаются в устьях рек и на прилегающих шельфах. Следовательно, наиболее загрязнены прибрежные и шельфовые области, межматериковые и внутриматериковые моря; способствует загрязнению размещение в прибрежных районах промышленных предприятий и земледельческих угодий на низменностях. Из морей наибольшей загрязненностью отличаются Северное, Средиземное и Балтийское.
Второй путь загрязнения связан с атмосферными осадками, с ними в Мировой океан поступает большая часть свинца, половина ртути и пестицидов.

Третий путь связан с хозяйственной деятельностью человека в акваториях Мирового океана.

Ежегодно только в результате естественных процессов в океан поступает порядка 25 млн. т железа, по 300 - 400 тыс. т марганца, меди и цинка, по 180 тыс. т свинца и фосфора. Практически поступление этих элементов значительно возрастает из-за антропогенной деятельности. Свинца, например, включая антропогенное поступление, ежегодно попадает в океан 650 тыс. т. Концентрация олова в морской воде уже в 3 раза превышает норму. Количество ртути, включая антропогенные источники, достигает свыше 5 тыс. т в год.

Наиболее распространенный и опасный вид загрязнения МО - нефтяное загрязнение. Ежегодно в океан поступает нефти и нефтепродуктов около 5 - 10 млн. т, и их поступление увеличивается в связи с увеличением общей добычи. Основная масса нефти поступает в океан при авариях и сливе балластных вод, разработке нефти и газа на шельфах. Реки мира ежегодно выносят в морские и океанические воды более 1,8 млн. т нефтепродуктов. Только за последние 5- 6 лет произошли крупнейшие выбросы нефти в океан: во время войны в Персидском заливе Иран вылил в него сотни тысяч тонн нефти, что поставило на грань экологической катастрофы прибрежные государства района бедствия.

В море нефтяное загрязнение имеет различные формы. Нефть может тонкой пленкой покрывать поверхность воды, а при ее разливах толщина покрытия вначале может составлять несколько сантиметров. От 2 до 4 % поверхности Тихого и Атлантического океанов постоянно покрыто нефтяной пленкой. Углеводороды нефти растворяют в себе пестициды, тяжелые металлы, которые вместе с нефтью концентрируются в приповерхностном слое и еще более отравляют его. В этом слое, играющем особенно важную роль для различных сторон жизни океана, сосредоточено наибольшие количества нефти. Но здесь обитает множество организмов, этот слой - "детский сад" для многих популяций. Нефтяные пленки на поверхности нарушают энерго-, тепло-, водо- и газообмен, процессы растворения и выделения кислорода, углекислого газа, теплообмена, меняется отражательная способность (альбедо) воды.

С течением времени образуется эмульсия нефти в воде или воды в нефти. Позже возникают комочки тяжелой фракции нефти, нефтяные агрегаты, способные долго плавать на поверхности. К ним прикрепляются различные мелкие животные, которыми питаются рыбы и усатые киты, заглатывая нефть. Одни рыбы от этого гибнут, другие насквозь пропитываются нефтью и становятся непригодны для употребления в пищу. Нефтяное загрязнение наносит огромный вред живым организмам: меняются физиологические процессы, возникают патологические изменения в тканях и органах, ухудшается работа ферментативного аппарата, нервной системы. Все компоненты нефти токсичны для морских организмов. Доказано, что очень опасно длительное хроническое воздействие даже небольших концентраций нефти: постепенно падает первичная биологическая продуктивность моря.

Опасно радиоактивное загрязнение океанов в результате захоронения в них радиоактивных отходов и аварий на атомных судах. В 1972 г в Лондоне была подписана конвенция по предотвращению загрязнения морей и океанов сбросами, в том числе и радиоактивными. Несмотря на это соглашение, вплоть до 1983 г Великобритания, Швейцария, Бельгия и Нидерланды регулярно проводили захоронение отходов низкой концентрации в северо-восточной части Атлантики, в международных водах у берегов Испании.
Хлорированные углеводороды, применяемые для борьбы с вредителями сельского и лесного хозяйства, с переносчиками инфекционных болезней, уже многие десятилетия вместе со стоком рек и через атмосферу поступают в МО, включая Арктику и Антарктику. Они остро токсичны, влияют на кроветворную систему, наследственность, легко растворимы в жирах и поэтому накапливаются в органах рыб, млекопитающих, морских птиц. Будучи ксенобиотиками, т. е. веществами полностью искусственного происхождения, они не имеют среди микроорганизмов своих "потребителей" и поэтому почти не разлагаются в природных условиях, а только накапливаются в МО.

По своему токсичному действию особую опасность представляет ртуть. Под влиянием микробиологических процессов токсичная неорганическая ртуть превращается в более токсичные органические формы ртути. Накопленные в рыбе или в моллюсках соединения метилированной ртути представляют прямую угрозу жизни и здоровью людей. Печально известна болезнь "минамато", получившая название от японского залива, где резко проявилось отравление местных жителей, употреблявших морские продукты из залива, на дне которого накопилось немало ртути от отходов близлежащего комбината.

Масштабы загрязнения продуктов морей и океанов так велики, что во многих странах установлены санитарные нормы на содержание в них тех или других вредных веществ. Каково ближайшее будущее МО и важнейших морей? В ближайшие 20-25 лет ожидается рост загрязнения МО в 1,5 - 3 раза. Концентрации многих токсических веществ могут достигнуть порогового уровня и вызвать деградацию естественной экосистемы. Ожидается, снижение первичной биологической продукции океана в ряде районов на 20-30 % по сравнению с нынешней. Безотходные и малоотходные технологии, превращение отходов в полезные ресурсы - путь, который позволит избежать экологического тупика. Но потребуются десятилетия для воплощения идеи в жизнь.

Вопросы на зачет

1 Виды антропогенного влияния на водные ресурсы суши

2 Виды загрязнения природных вод

3 Загрязнение вод Мирового океана: основные загрязняющие вещества, пути их поступления в МО, опасность загрязнения МО.

4 Загрязнение вод суши: основные отрасли народного хозяйства, поставляющие загрязняющие вещества, самые опасные загрязнители.

Размещено на Allbest.ru

...