Антропогенное воздействие на водный бассейн

Поверхностные и подземные воды образуют водную оболочку планеты, или гидросферу.

Поверхностные воды представлены океанами, морями, озерами, реками и прочими водоемами и водотоками. К подземным относятся воды различного типа, залегающие в верхних слоях литосферы.

Из общей поверхности Земли, равной 510 млн км2, 70,8 % составляют океаны и моря, 29,2% - суша. Около 3% поверхности суши занимают внутриматериковые воды - озера, реки и пр., около 11% поверхности покрыто ледниками.

В настоящее время масса воды составляет около 0,02 % массы земного шара, объем ее равен 1,45 109 км3. По запасам свободной воды Земля занимает первое место среди планет Солнечной системы. Распределение объемов воды, тыс. км3, в различных частях гидросферы представлено следующим образом:

Мировой океан 370 323

подземные воды 60 000

в том числе зоны активного водообмена 4 000

ледники 24 000

озера 280

почвенная влага 85

пары атмосферы 14

речные воды 1,2

Воды в океанах и морях минерализованы (среднее содержание соли; - 3,5 г в 1 л воды); значительное количество подземных вод также минерализовано, причем содержание солей в 1 л воды может достигать 200-250 г.

Запасы пресных вод по последним данным составляют 35 млн км3, т.е. всего 2 % общих запасов, а с учетом недоступной для использования некоторой части пресных вод, законсервированных в виде льдов в полярных ледниках, - 0,3 % объема гидросферы.

Распределение ресурсов пресных вод, км3 (%), представлено следующим образом:

ледники 24 000 000 (85)

подземные воды 4 000 000 (14)

озера и водохранилища 155 000 (0,6)

почвенная влага 83 000 (0,3)

пары атмосферы 14 000 (0,05)

речные воды 12 000 (0,04)

Для возобновления ресурсов пресных вод определяющее значение имеет круговорот воды, связывающий воедино все части гидросферы.

В круговороте воды выделяют такие основные элементы, как атмосферный, океанический и материковый.

Схема глобального водообмена показана на рис.7.1.

Продолжительность гипотетической смены всего объема данной части гидросферы в процессе круговорота характеризуется активностью водообмена. Например, при общем объеме рек 1200 км3 по ним за год стекает в океаны и моря 32000 км3 воды, а это значит, что сток воды в реках обновляется 26,6 раза в год, т.е. почти через каждые 13 сут.

По степени связи подземных вод с поверхностью земли и поверхностными водами выделяют три гидродинамические зоны.

Первая, самая верхняя, зона характеризуется активной формой взаимосвязи с поверхностью, интенсивным и устойчивым стоком подземных вод в сторону крупной речной сети. В этой зоне формируются пресные воды, отличающиеся высокой способностью к возобновлению. Вторая, средняя, зона замедленного водообмена приурочена к глубинам ниже активного дренирования подземных вод гидрографической сетью. Питание подземных вод ухудшается из-за инфильтрации атмосферных осадков. Направление стока подземных вод определяется положением регионального дренирующего базиса. Сток замедленный, возобновление ресурсов вод затруднено. В этой зоне преобладают подземные воды повышенной минерализации (до 10-20 г/л) сульфатно-гидрокарбонатного состава. Третья, нижняя, зона приурочена к большим глубинам (более 800-1000 м). Она характеризуется замедленным стоком (0,05-0,1, реже 0,2 м в год) в направлении глубоко залегающего регионального базиса разгрузки (море, океан, тектонические разломы) или застойным режимом. Воды высокоминерализованы (более 50 г/л), преимущественно хлоридно-кальциевого состава. Возобновление запасов происходит в течение длительного, возможно геологического, времени. Ценными и легко доступными для использования являются подземные воды первой верхней гидродинамической зоны, находящиеся под дренирующим влиянием речных долин и образующие подземный сток в реках. Ресурсы этих пресных вод наиболее устойчивы.

По оценкам экспертов на территории России по состоянию известно 3 200 месторождений пресных подземных вод (ППВ) с суммарными эксплуатационными запасами 62,5 млн м3/сут. В эксплуатации находится 1 235 месторождений с суммарным водооборотом 16,5 млн м3/сут. Суммарные потенциальные ресурсы ППВ составляют 365 млн м3/сут.

Вода является элементом биосферы, обеспечивающим существование и развитие всего живого на планете и прежде всего человека. Великому ученому эпохи Возрождения Леонарду да Винчи принадлежит высказывание о том, что воде была дана волшебная власть стать соком жизни на Земле.А.Е. Ферсман назвал воду самым важным минералом на

Земле, без которого нет жизни. Гидрологические условия играют одну из важнейших ролей в формировании природной среды. Там, где воды в достаточном количестве, наблюдается многообразие живых организмов. Там, где ее мало или она отсутствует, жизнь замирает. Вода оказала на развитие общества значительно большее влияние, чем другие природные ресурсы. Только при наличии воды человек осваивал, создавал культурные ландшафты, развивал производство. Уходила вода, и плодородные земли превращались в пустыню, оставались покинутыми города и селения.

Под использованием водных ресурсов подразумеваются водопотребление и водопользование. Водопотребление связано с изъятием воды из водоемов, водотоков, подземных водоносных пластов. При этом часть воды после использования, пройдя соответствующую очистку, возвращается в гидрографическую сеть или водоносные горизонты, а часть воды безвозвратно теряется, так как входит в состав промышленной или сельскохозяйственной продукции, испаряется, инфильтруется в грунты и не попадает в места водозаборов. При водопользовании вода является операционным базисом и средством производства и не изымается из источников. К системе водопользования относятся гидроэнергетика, водный транспорт, рыбное хозяйство, водный туризм и др.

Естественно, что эти два вида использования воды взаимно связаны. Большое внимание специалистов во всем мире привлекает проблема количественного и качественного истощения водных ресурсов, определяемая непрерывным ростом водопотребления в промышленности, сельском хозяйстве и быту (количественное истощение) и загрязнением вод (качественное истощение).

Количественное истощение водных ресурсов. В настоящее время человечество потребляет 12-13 % речного стока.

Если в промышленно развитых странах с интенсивным сельскохозяйственным производством, в которых значительные объемы воды используются на орошение, потребление пресной воды на одного жителя достигало 150-200 м3, то в развивающихся странах Африки и Ближнего Востока - 100-200 м3, а в странах, расположенных в безводных зонах, - 20-50 м3.

В промышленности наиболее водопотребляющие отрасли - энергетика, горно-добывающая, металлургическая и химическая. Например, для выплавки 1 т чугуна и переработки его в сталь и прокат расходуют около 300 м3 воды, для изготовления 1 т алюминия-1500 м3, меди - 500 м3, бумаги - 900 м3, синтетического каучука - 2100-3500 м3, искусственного волокна - 4000 м3. Еще больший объем воды потребляется в сельском хозяйстве.

Качественное истощение водных ресурсов. Основные причины качественного истощения водных ресурсов - их загрязнение и засорение.

Под загрязнением вод понимают их насыщение вредными веществами в таких количествах или сочетаниях, в результате чего ухудшается качество вод и водный объект признается загрязненным в соответствии с принятыми нормами. В отличие от загрязнения под засорением вод имеют в виду поступление в водоем посторонних нерастворимых в воде предметов, не изменяющих качество воды, но влияющих на качественное состояние русел водоемов.

Основные источники загрязнения - сточные воды нефтяной, нефтехимической, химической, угольной, целлюлозно-бумажной и металлургической промышленности. Интенсификация сельскохозяйственного производства, связанная с внесением больших доз минеральных удобрений, применением химических средств защиты растений, организацией животноводческих комплексов, также приводит к значительному росту загрязнения водоемов и водотоков. Количество выносимых водно-растворимых веществ зависит от механического и химического состава почв, их сельскохозяйственного использования, количества выпадающих осадков, способов и норм орошения, видов и норм вносимых минеральных удобрений и применяемых ядохимикатов. Установлено, что из легких по механическому составу почв выносится примерно в 2 раза больше водно-растворимых солей, чем из суглинистых, а вынос с угодий, занятых пропашными культурами, в 2-2,5 раза превышает вынос с угодий, занятых кормовыми травами. Строительство дренажных систем способствует улучшению промывного режима подзолистых почв и переносу различных химических веществ в нижележащие горизонты, что приводит к загрязнению грунтовых и даже более глубоко залегающих подземных вод. Удобрения, а также такие биогенные элементы, как фосфор и азот, содержащиеся в сточных водах промышленных предприятий и животноводческих комплексов, попадая в поверхностные водоемы и водотоки, нарушают их гидрохимический и биологический режимы, снижают способность природных вод к самоочистке, что приводит не только к ухудшению качества воды, но и к деградации водоемов и водотоков.

Ежегодно во всем мире в реки сбрасывается около 160 км3 промышленных сточных вод. Предполагается, что к 2000 г. сброс сточных вод достигнет 2400 км3.

Одним из основных загрязнителей вод являются нефть и нефтепродукты. Поступления нефти в Мировой океан, по данным специалистов, составляют около 25-30 млн т в год. Загрязнение вод нефтью происходит в результате естественных выходов ее на поверхность в районах залегания, при добыче, транспортировании, переработке и последующем использовании. Поступление нефти в Мировой океан из районов природного залегания нефтяных пластов составляет примерно 0,5 млн т в год. Достаточно часто отмечаются случаи загрязнения водных объектов вследствие неправильного бурения и последующей эксплуатации нефтяных скважин. При разливе нефть и нефтепродукты образуют тонкую пленку на водной поверхности.1 т нефти покрывает около 3 км3 поверхности. Так, авария на одной из нефтяных скважин в штате Калифорния (США) привела к утечке более чем 15 млн л нефти, которая покрыла акваторию океана на площади около 2000 км2.

Последствия аварий крупных танкеров ликвидируются годами. Случаи загрязнения морей на небольшую глубину по всем странам мира не поддаются учету. Однако ущерб от загрязнения нефтепродуктами прибрежных районов достигает колоссальных размеров. В Италии, например, ежегодный ущерб по этим причинам достигает 60 млн дол. В результате только одной аварии супертанкера у берегов Великобритании в море вылилось свыше 100 202 тыс. т нефти, что привело к массовой гибели живых существ, населявших акваторию. Погибло более 20 тыс. птиц. Большой ущерб нанесен пляжам Великобритании и северо-западной части Франции.

Ежегодно в реки в виде производственных отходов сбрасывается более 2,3 млн т свинца, 1,6 млн т марганца, около 0,5 млн т меди, 1 млн т цинка, 6,5 млн т фосфора, значительное количество ртути и т.д. Только во Франции реки ежегодно выносят в океан более 18 млрд м3 промышленных стоков, в ФРГ-9 млрд м3. Из металлов наибольшую опасность для водной среды представляют ртуть и ее соединения. Средняя концентрация ртути в Мировом океане равна 0,15 мг/м3, а общее ее количество достигает 210 млн т. Вещества, загрязняющие поверхностные воды, оказывают отрицательное воздействие на их экологию, резко ухудшают условия жизни водной флоры и фауны. Некоторые химические элементы накапливаются в микроорганизмах и рыбах. Обследование морей, омывающих берега Европы, показало, что во многих из них, особенно в Средиземном море, содержатся повышенные дозы различных химических элементов и веществ, в том числе инсектицидов, предназначенных для борьбы с вредными насекомыми. Специалисты подсчитали, что в воду Средиземного моря ежегодно попадает 120 тыс. т минеральных масел, 10 т соединений ртути, 2,4 тыс. т цинка и других ядовитых веществ.

Загрязнение кадмием вод в районе Тояма (Япония) явилось причиной смерти 119 чел. и вызвало неизлечимую болезнь у тысячи жителей. Антропогенные изменения состояния и режима поверхностных и подземных вод могут привести к неожиданным последствиям. Еще в начале XX столетия парижане использовали для питья воду из Сены. После загрязнения реки промышленными отходами, в том числе пестицидами и другими токсичными веществами, использовать речную воду для бытовых нужд оказалось невозможным. Для питьевого водоснабжения стали использовать артезианские воды. В процессе дноуглубительных работ в русле Сены была нарушена целостность водонепроницаемого слоя глин, и грязные воды реки проникли в нижележащий артезианский горизонт.

Воздействие промышленного производства на гидросферу, приводящее к количественному и качественному истощению водных ресурсов, наиболее ярко прослеживается на примере энергетики. Оно выражается в следующем:

водопотреблении и водоиспользовании, обусловливающих изменение естественного материального баланса водной среды;

осаждении на поверхности воды твердых выбросов продуктов сгорания органического топлива из атмосферы, изменяющих свойства воды, ее цвет, альбедо (величина, характеризующая способность поверхности воды отражать падающий на нее поток электромагнитного излучения) и т.д.;

выпадении на поверхность воды в виде твердых частиц и жидких растворов продуктов выбросов в атмосферу, в том числе кислот и кислотных остатков, металлов и их соединений, канцерогенных веществ;

осаждении на поверхности воды продуктов сжигания твердых топлив, продувок и очистки поверхностей нагрева;

выпадении на поверхность воды жидкого и твердого топлива при транспортировании, переработке, перегрузке;

сбрасывании твердых и жидких радиоактивных отходов;

изменении температурного режима вследствие сброса теплых вод;

создании водохранилищ.

Следует особо отметить два вида влияния: сброс теплых вод и создание водохранилищ. Так как температура стоков электростанций достигает 30°С, сброс их в водоем повышает температуру воды, уменьшает содержание в ней растворенного кислорода, вносит изменения в процессы внутреннего обмена, нарушает экологическое равновесие в условиях жизни водных организмов.

Строительство крупных гидротехнических сооружении и прежде всего водохранилищ, выполнение крупномасштабных мелиоративных мероприятий значительно изменяют природные условия: ландшафтные, микроклиматические, гидрологические, гидрогеологические и инженерно-геологические. Возникают новые и активизируются замедленно протекающие в естественных условиях процессы, воздействие которых проявляется на значительных территориях, прилегающих к месту выполнения водохозяйственных мероприятий и даже удаленных от него. При заполнении емкости водохранилища затопляются территории, ранее занятые продуктивными сельскохозяйственными угодьями, лесом, селениями; нарушаются коммуникации; создаются новые ландшафтные комплексы, зачастую нехарактерные для окружающей местности. Изменяются условия формирования поверхностного и подземного стоков, гидрологический режим поверхностных водоемов и водотоков. Под влиянием водохранилищ происходит подпор грунтовых вод, что вызывает заболоченность земель в радиусе, достигающем нескольких километров. В засушливых зонах это приводит к вторичному засолению почв вследствие интенсивного испарении влаги. Мелководья характеризуются застойным режимом. Это снижает способность вод к самоочистке, приводит к "цветению" воды, зарастанию прибрежной полосы осокой и другой сорной растительностью. Берега водохранилищ подвергаются интенсивному разрушению вследствие абразии, оползневых деформаций и просадочных процессов. Так, на Куйбышевском и Каховском водохранилищах, по данным И.В. Мельникова, в результате разрушения береговая линия переместилась на 100-200 м в глубь суши. На Каховском водохранилище протяженность участка, охваченного переформированием берегов, составила более 450 км. При выполнении мелиоративных мероприятий изменение водного баланса осушаемых земель и прилегающих к ним территорий может значительно снизить объем годового стока.

Н.И. Плотников отмечает, что в районе крупных водохранилищ и крупных ирригационных каналов формируется более мягкий микроклимат. В то же время данные метеорологических станций в районе днепровских водохранилищ свидетельствуют об уменьшении количества осадков на побережье искусственных водоемов в летний период.

На рис.7.2 показана схема воздействия гидроэлектростанции на локальные характеристики гидросферы.

Самоочищающая способность водоемов. Воды водоемов обладают самоочищающей способностью вследствие их непрерывного перемещения при активном участии солнечной энергии, различных видов бактерий, грибов и водорослей. Наибольшие темпы самоочищения присущи речным водам, наименьшие - водам бессточных прудов и озер. Однако даже высокая способность рек к самоочищению небеспредельна. Некоторые виды загрязнения (главным образом, органические) исчезают за период одно-, двухсуточного движения воды в реках или через десятки и сотни километров. На крупных реках со стоком, регулируемым водохранилищами, процессы самоочищения затруднены, и иногда реки полностью теряют способность к самоочищению.