Лекции 7, 8. Использование и охрана ресурсов гидросферы

Значение воды в природе и жизни человека определяется ее физическими и химическими свойствами. Вода отличается высокой теплоемкостью и низкой теплопроводностью. Эти свойства обусловливают влияние воды на климат: вода в два раза медленнее нагревается и охлаждается по сравнению с почвой. Вода – универсальный растворитель. Благодаря большому поверхностному натяжению вода и растворенные в ней вещества способны перемещаться по почвенным капиллярам. Такое перемещение, например, в условиях орошаемого земледелия, приводит к вторичному засолению почв.

Вода влияет на все природные компоненты. Различают морской и континентальный климат. Морской климат характеризуется малыми годовой и суточными амплитудами температур и большим количеством осадков. Значительное влияние на климат оказывают теплые и холодные течения. Побережья материков, омываемые холодными течениями, холоднее их внутренних частей, расположенных на тех же широтах. Климат побережий, омываемых теплыми течениями, теплее и мягче, чем внутри материка. Холодные течения усиливают сухость климата. Теплые течения способствуют насыщению воздуха влагой и образованию осадков.

Влияние на биоту проявляется в том, что вода – необходимое условие существования организмов (организмы состоят из воды, обезвоживание организмов приводит к болезненному состоянию) и среда их обитания. Недостаток воды уменьшает интенсивность фотосинтеза. В зависимости от обеспеченности территории водой выделяются зоны растительности: лесные, степные, пустынные.

Воздействие воды на рельеф проявляется в формировании соответствующих форм рельефа. Вода совершает эрозионную, транспортную и аккумулятивную работу. В результате деятельности воды образуются эрозионные формы рельефа: овраги, балки, речные долины и т.д., аккумулятивные формы – дельты рек и т.д.

Вода является составной частью почвы. В почве выделяют твердую, жидкую и газообразную фазы. Жидкая фаза представлена различными видами воды: капиллярной, пленочной, подвешенной и др. Почва обладает определенными водно-физическими свойствами, которые влияют на произрастание растений.

Значение воды в жизни человека многообразно:

1) условие существования человека и необходимое условие развития промышленности, сельского хозяйства и коммунально-бытового хозяйства;

2) источник энергетических и неэнергетических ресурсов;

3) источник продовольствия;

4) транспорт;

5) рекреационное значение воды.

 

Запасы воды на планете

 

Объем воды, заключенной в реках, озерах, ледниках, морях и океанах, в подземных горизонтах и в атмосфере достигает почти 1,5 млрд км³. 98% общего объема воды приходится на соленые воды, 2% - на пресные. Основной объем пресных вод (почти 80%) составляет вода ледников, снежных покровов, подземных льдов, многолетнемерзлых пород, глубинных слоев земной коры. В настоящее время они не используются и рассматриваются в качестве потенциальных водных ресурсов.

Доступные водные ресурсы рек слагаются из поверхностного и подземного стока. Наиболее ценным в хозяйственном отношении является подземный сток, т.к. он в меньшей степени подвержен сезонным или суточным колебаниям объема. Подземные воды реже загрязняются. Поверхностный сток включает паводковые и полые воды, обычно быстро проходящие по руслам рек. Хозяйственная ценность водно-ресурсного потенциала определяется долей устойчивой составляющей стока. Ее величина количественно определяется объемом подземного стока и меженным русловым стоком. Общий объем доступных водных ресурсов мира оценивается в 41 тыс. км³ в год, из них 14 тыс. км³ составляют их устойчивую часть (М.И.Львович, 1986).

Водные ресурсы распределены неравномерно по территории материков и частей света. Наиболее значительными водными ресурсами на единицу площади располагает Южная Америка (слой стока – 600 мм), за ней следует Европа, Азия, Северная Америка, Африка, Австралия. В среднем для суши земного шара слой стока оценивается в 294 мм.

Водные ресурсы Беларуси представлены поверхностными и подземными водами. Ресурсы поверхностных вод Беларуси оцениваются в 58 км³ в год. По этому показателю Республика занимает восьмое место в СНГ. Ресурсы поверхностных вод представлены реками, озерами, водохранилищами и прудами. Местные ресурсы речных вод составляют 36,4 км³ в год. Местный сток изменяется от 61 до 24 км³ в год. Основная часть местного стока образуется в бассейнах Днепра с Березиной и Сожем и Немана с Вилией. Значительно меньше стока приходится на бассейны Западной Двины и Припяти. По этим рекам поступает в Беларусь основная часть транзитных вод с территории соседних государств.

Беларусь богата озерами (11 тысяч), особенно северная часть. Самые крупные из озер – Нарочь, Освейское, Лукомское, Дривяты, Червоное. Общий объем воды в озерах оценивается в 6-7 км³ . Северные озера отличаются хорошей сохранностью озерных котловин, что позволяет вести их комплексное использование.

Неравномерность размещения водных ресурсов и внутригодового распределения стока поверхностных вод в определенной степени компенсируется строительством водохранилищ и прудов. На территории Беларуси сооружено более 140 водохранилищ, суммарный полный объем воды в которых достигает 3 км³ . Полный объем воды в прудах не превышает 1 млн м³.

Естественные ресурсы пресных подземных вод оцениваются в 15,9 км³ в год. Значительные их ресурсы находятся в бассейне Днепра с Березиной и Сожем, Немана с Вилией. Всего разведано более 230 месторождений пресных подземных вод с запасами 5,7 млн м³ в сутки.

Человечество на свои нужды использует главным образом пресную воду. Пресные воды сохранились полно в районах с малой плотностью населения и слаборазвитой маловодоемкой промышленностью. Здесь сосредоточено более 80% мировых ресурсов пресных вод (В.М.Мишон, 1996)

Недостаток в пресной чистой воде испытывает более четверти населения земного шара, и почти 500 миллионов человек страдают от болезней, вызванных ее дефицитом и плохим качеством (В.М.Мишон, 1996). Проблема недостатка пресной воды возникала по трем основным причинам:

1. вследствие интенсивного водопотребления и в связи с быстрым ростом населения планеты и развитием водоемких производств. Потребление воды удваивается каждые 10-12 лет;

2. в результате загрязнения воды, например в США по этой причине 1/7 населения испытывают недостаток воды;

3. в связи с уменьшением водоносности рек. Чтобы река не стала мертвой, нельзя брать больше 1/10 ее части.

Одним из резервов водоснабжения является использование опресненных вод Мирового океана, подземных вод и вод ледников. Доля опресненных вод в общем объеме водоснабжения мира невелика – 0,05% (1991г.), что объясняется высокой стоимостью и значительной энергоемкостью технологических процессов опреснения. Опреснение (из-за высокой стоимости) используется там, где совершенно отсутствуют или чрезвычайно труднодоступны ресурсы пресных вод, а их транспортировка дороже, чем опреснение воды повышенной минерализации на месте. В перспективе опреснение воды будет осуществляться одновременно с извлечением из нее полезных компонентов: хлористого Na, Mg, K, S, B, Br, I, Sr, цветных и редких металлов. Это повысит экономическую эффективность опреснительных установок.

Важный резерв водоснабжения – подземные воды. Наибольшую ценность для общества представляют пресные подземные воды. Пресные подземные воды составляют 24% (1991г) от объема пресной части гидросферы. Резервом в обеспечении водой могут служить солоноватые и соленые подземные воды при использовании их в смеси с пресными или после искусственного опреснения.

К факторам, лимитирующим подземный водозабор, относятся:

1) неравномерность распределения подземных вод по территории земли;

2) трудности в переработке соленых подземных вод;

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

4) разнообразные последствия их использования – проседание грунта, опускание земной поверхности, выход за пресной подземной водой на земную поверхность соленой воды.

Утилизация воды, находящейся в твердой фазе (льды, ледники), предполагается, во-первых, путем увеличения водоотдачи горных ледников, во-вторых, с помощью транспортировки льда из полярных районов. Оба эти способа практически труднореализуемы и еще не изучены экологические последствия их осуществления. Таким образом, на современном этапе развития общества привлечение дополнительных объемов водных ресурсов ограничено.

 

Мировое водопотребление

 

Для обоснования потребностей в воде какой-то территории составляется водохозяйственный баланс территории (В). Он состоит из двух частей: приходной и расходной. В приходную часть входят все водные ресурсы региона, в расходную – потребности в воде различных отраслей хозяйства, потери на фильтрацию и испарение, отдача воды в соседний регион. Уравнение водного баланса записывается следующим образом: П₁+П₂-Р₁-Р₂ -(Х₁-Х₂)=В.

П_1,П₂ – речной сток, поступивший сверху и местный;

Р₁- отток речных вод в соседний регион;

Р₂- потери воды на фильтрацию и испарение;

Х₁- объем воды, изымаемой на хозяйственные нужды;

Х₂ – возвратный объем воды.

В зависимости от способа использования воды выделяются отрасли – водопользователи и водопотребители. При водопользовании воды остается в водоемах, она служит в качестве среды для транспорта, рыбного хозяйства, рекреации и т.д. К водопотребителям относятся те отрасли хозяйства, которые забирают воду из источников.

В современном хозяйстве главными водопотребителями являются промышленность, сельское хозяйство и коммунально-бытовые службы. Водопотребители изымают из водоемов определенные объемы воды, которые составляют водозабор. В процессе использования некоторое количество изъятой воды теряется на испарение, просачивание и т.д. У различных потребителей масштабы такого расхода неодинаковы. Для небольших по площади территорий эти потери рассматриваются как безвозвратные. Наиболее значителен объем безвозвратных потерь воды (до 80-90%) при использовании ее в сельском хозяйстве. В некоторых отраслях промышленности разработаны схемы замкнутого или многократного водопользования. При этом снижаются объемы водозабора и безвозвратные потери воды.

В связи с неоднократным использованием одного и того же количества воды в водохозяйственный баланс включают еще одну категорию – водопотребление – общий объем воды, используемой данной отраслью хозяйства за определенный отрезок времени.

В сфере коммунального хозяйства водопотребление и водозабор равны между собой, т.к. оборотное водоснабжение не осуществляется. В промышленности водозабор немного меньше водопотребления вследствие применения замкнутых циклов водоснабжения. В сельском хозяйстве водопотребление может количественно превышать водозабор из источников, т.к. для орошения используются сточные воды коммунально-бытового хозяйства и промышленности. Сточные воды – это воды, отводимые после использования в бытовой и производственной деятельности человека.

Структура водозабора и водопотребления (т.е. распределение воды между потребителями) территориально изменяется. Это изменение обусловлено общим уровнем экономического развития хозяйства, его специализацией, спецификой природных условий.

Во второй половине XX в. отмечается резкий рост мирового водопотребления. За последние 80 лет XX века сельскохозяйственное использование воды увеличилось в 6 раз, коммунальное – в 7 раз, промышленное – в 20 раз, а общее в 10 раз.

Коммунально-бытовое водоснабжение. Уровень развития коммунального водоснабжения определяется двумя показателями: обеспеченностью населения централизованным водоснабжением и величиной удельного водопотребления. Норма водопотребления на 1 человека составляет в среднем 120-150 л в сутки. В городах промышленно-развитых стран водопотребление возрастает (в странах Европы – 300-400 л /сутки). В городах развивающихся стран в субаридных и аридных районах нормы снижаются до 100-150 л/сутки. Меньше расходует воды сельский житель. В гумидных областях в развитых странах он потребляет в сутки 100-150 л воды, а в сухих тропических районах – не более 20-30 л. Безвозвратные потери воды в коммунально-бытовом хозяйстве доходят до 10-20% водозабора. Согласно данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), в настоящее время в мире более 1,5 млрд.человек не обеспечены чистой, безопасной для здоровья водой.

Промышленное водоснабжение. Ни один технологический процесс в промышленности невозможен без участия воды – она входит в состав готовой продукции, используется для транспортировки веществ, как теплоноситель и охладитель, как растворитель и разбавитель. Водоемкость различных производств изменяется в зависимости от вида продукции, применяемых технических средств и технологических схем. На производство 1 т стали расходуется 120 м³ воды, химического волокна – 2000, резины – 4000, бумаги – 1000 м³. Только на нужды энергетики забирается из водных источников 320 км³ воды, при этом 20 км³ теряется. Водопотребление в энергетических целях дает 300 км³ термических стоков, требующих для разбавления 900 км³ пресных вод. Другими отраслями промышленности расходуется – 400 км³ воды. Общий объем стоков – 290 км³, на разбавление этого объема стоков требуется в 20 раз больше воды.

Сельскохозяйственное водоснабжение. Воды в сельском хозяйстве потребляется больше, чем в промышленности (в 3,5-4 раза). Главным водопотребителем воды является орошаемое земледелие. Мало воды необходимо для водоснабжения животноводства. Для выращивания 1 т хлопка требуется 4-5 тыс.м³ пресной воды, 1 т риса – 8 тыс.м³. Водопотребление на орошение зависит от трех факторов: площадей орошения, состава культур и техники полива. При средней норме орошения (в 1980гг.) 12-14 тыс. м³/га на полив тратилось 2500-2800 км³ чистых вод и 600 км³ очищенных и разбавленных сточных вод. Примерно 1900 км³ воды испарялось с поверхности поливных земель и транспирировалось растительностью; 500 км³ просачивалось в подземные горизонты. Основным способом полива является дождевание. КПД действующих оросительных систем – 0,6, что обусловливает значительные безвозвратные потери воды.

Водопотребление и его структура различаются на разных материках. Особенности современного водного хозяйства зависят от природных факторов и от уровня социально-экономического развития страны. Наибольший объем воды потребляет хозяйство азиатских стран. Почти на 90% этот объем в Азии расходуется на нужды сельского хозяйства. Аналогичная ситуация характерна для Южной Америки, Африки, хотя в целом участие этих материков в мировом водопотреблении незначительно. В Северной Америке и Европе расходование воды на промышленное и сельскохозяйственное водоснабжение примерно равны между собой.