Лекция «Рациональное использование и охрана водных ресурсов»

Лекция «Рациональное использование и охрана водных ресурсов»

Вода играет исключительно важную роль в природе. Температура воды в жидком состоянии наиболее благоприятна для жизненных процессов. Для огромной массы организмов она служит средой обитания. Вода в водоемах замерзает сверху вниз, что имеет большое значение для обитающих в них организмов.

Высокая удельная теплоемкость воды благоприятствует аккумуляции колоссального количества тепла, способствует медленному нагреванию и охлаждению. Обитающие в воде организмы защищены от резких спонтанных колебаний температуры и состава, они приспособлены к медленным ритмическим колебаниям – суточным, сезонным, годовым и т.д. Атмосферная влага оказывает смягчающее влияние на погодно-климатические условия. Вода постоянно перемещается во всех сферах Земли. На большие расстояния она переносится циркуляционными потоками атмосферы. Циркуляция воды в океане (морские течения) приводит к планетарному тепло-, массо- и влагообмену.

Известна роль воды как мощного геологического фактора. Экзогенные геологические процессы на Земле, в частности, обусловлены деятельностью воды как эродирующего агента. Размыв и разрушение горных пород, эрозия почв, перенос и отложение веществ связаны с водой.

Большинство органических веществ биосферы представляют собой продукты фотосинтеза – процесса, при котором растения используют световую энергию для соединения углекислого газа с водой, выделяя в атмосферу кислород. Вода необходима для биохимических и физиологических процессов, происходящих в организме, потеря 10-20 % воды приводит к его гибели.

Вода играет важную роль в жизнеобеспечении человека, организм которого на 80 % состоит из воды. Она используется для питья и хозяйственных нужд, как средство передвижения и сырье для получения промышленных и сельскохозяйственных продуктов. Вода имеет эстетическое и рекреационное значение.

В настоящее время потребление воды в народном хозяйстве в количественном отношении превышает суммарное использование всех иных природных ресурсов. В основных отраслях промышленности производственные процессы требуют огромных затрат пресной воды. Например, для переработки 1 т нефти необходимо около 60 т воды, для изготовления 1 т условной тканевой продукции – 1 100 т, синтетического волокна – до 5 000 т воды. Для выращивания и получения 1 т зерна пшеницы нужно 2 т воды, 1 т риса – свыше 25 т воды.

Потребление воды одним городским жителем южных районов России составляет: в доме без канализации – 75 л/сут, в доме с канализацией – 120, с газовым водонагревателем – 210 и со всеми удобствами – 275 л/сут. В городах средней полосы Европейской России потребление воды согласно нормам хозяйственно-питьевого потребления для населенных пунктов должно составлять: в домах без ванн – 125-160 л/сут, с ваннами и нагревателями – 160 – 230 и при централизованном горячем водоснабжении – 250-350 л/сут.

Вода превращается в самое драгоценное сырье, заменить которое невозможно. Запасы и доступность водных ресурсов определяют размещение новых производств, а проблема водоснабжения становится одной из наиболее важных в жизни и развитии человеческого общества.

Истощение ресурсов пресных вод. Пресные воды составляют ничтожную (около 2%) долю общих запасов воды в природе. Пресная вода, доступная для использования, находится в реках, озерах и подземных водах. Ее доля от всей гидросферы составляет 0,3 %. Ресурсы пресной воды распределены крайне неравномерно, часто обилие воды не совпадает с районами активной хозяйственной деятельности. В связи с этим возникают проблемы недостатка и истощения водных ресурсов и особенно пресной воды. Они усугубляются все возрастающими объемами ее использования.

Проблема недостатка водных ресурсов обусловлена, прежде всего, неравномерным распределением воды во времени и пространстве, ростом ее потребления человечеством, потерями при транспортировке и использовании, ухудшением качества и как крайний случай – загрязнением воды.

Основные антропогенные причины истощения и загрязнения пресной воды – это отбор поверхностных и подземных вод; водоотлив из шахт, штолен; разработка месторождений твердых полезных ископаемых, нефти и газа, промышленных вод, выплавка серы; рост городов – жилая застройка, энергетические объекты (АЭС, ТЭЦ). Сильно загрязняют пресные воды предприятия химической, пищевой, целлюлозно-бумажной, нефтеперерабатывающей промышленности, черной и цветной металлургии, машиностроения, производство строительных материалов.

Рост потребления пресной воды населением на планете составляет 0,5 - 2 % в год. В началеXXIв. общий водоотбор достиг объема 12-24 тыс. км³. Потери пресной увеличиваются с ростом ее потребления на душу населения и связаны с использованием воды для хозяйственных нужд. Чаще всего это объясняется несовершенством технологий промышленного, сельскохозяйственного производства и коммунальных служб. Потери воды из водонесущих коммуникаций в городах России – 30 – 35 %. В городах областного значения они составляют примерно 10 – 15 млн. т в год и удваиваются через каждые 5 лет. Большие потери пресной воды происходят при разработке месторождений полезных ископаемых, строительном осушении городских территорий.

В ряде случаев недостаток пресной воды связан с непредсказуемостью негативных последствий деятельности человека. Например, строительство каналов (Волга – Чограй, Волга – Урал), каскадов водохранилищ, орошение и обводнение пастбищ, осушение болот не привели к ожидаемым положительным эффектам, напротив, многие проекты закончились потерей и загрязнением водных ресурсов. Печальные свидетельства результатов небрежного и расточительного отношения к ресурсам пресных вод – заброшенные поселки и города в районах их истощения.

Потери воды и истощение водных ресурсов во многом связаны с недостаточным знанием природных условий (геолого-литологических и гидрогеологических, климатических и метеорологических, биологических), внутренних закономерностей и механизмов развития экосистем. Например, при создании водохранилищ не всегда учитывают усиление фильтрации в их борта, рост испарения при увеличении водной поверхности. Создание каскадов прудов на реках наносит ущерб речному стоку. Осушение болот ведет к уменьшению запасов подземных вод, нарушению веками установившегося баланса влаги и ее циркуляции, изменению видового состава биоценозов и т.д. Строительство и использование каналов способствует резкому засолению почв, заболачиванию и огромным потерям пресной воды.

Ухудшение качества и загрязнение воды связаны с попаданием в реки, другие поверхностные водоемы и подземные воды загрязняющих веществ – продуктов деятельности человека. Этот вид истощения пресных вод наиболее опасен и становится все более угрожающим для здоровья людей и состояния жизни на Земле. Его крайнее проявление – катастрофическое загрязнение вод.

Естественные изменения качества воды, в том числе загрязнения, происходят постоянно и носят циклический, реже спонтанный характер: они возникают при извержениях вулканов, землетрясениях, цунами, наводнениях и других катастрофических явлениях. В антропогенных условиях такие изменения состояния воды однонаправленны: инородные вещества, попавшие в воду, накапливаются в ней, изменяя ее органолептические, физические и химические свойства. Когда количество содержащихся в воде инородных веществ, особенно тех, которые оказывают неблагоприятное влияние на человека, животных и растения, достигает критических значений, говорят о загрязнении воды.

Загрязнение вод морей и Мирового океана. В настоящее время большую тревогу вызывает загрязнение вод морей и Мирового океана в целом (фоновое загрязнение). Основными источниками их загрязнения служат бытовые и промышленные сточные воды (в прибрежных районах находится 60 % крупных городов), нефть и нефтепродукты, радиоактивные вещества. Предприятия приморских городов выбрасывают в море тысячи тонн различных, как правило, неочищенных отходов, в том числе канализационные стоки. В моря выносятся загрязненные речные воды.

Весьма опасны для окружающей среды несанкционированные или аварийные сбросы промышленных и хозяйственных отходов (Черное море в районе Одессы, 1999 г., р. Тиса, Румыния, 2000 г., р. Амур, Хабаровск, 2000 г. и т. д.). В результате подобных аварий происходит быстрое загрязнение речных вод вниз по течению. Загрязненные канализационные воды могут попасть в водозаборные сооружения. Загрязнение воды приводит к гибели морских животных: кораллов, ракообразных, моллюсков и рыб, водоплавающих птиц, тюленей. Один из примеров – массовая гибель морских звезд в начале 1990-х гг. в Белом море. Особую опасность представляют загрязнения нефтью и радиоактивными веществами. Нефть и нефтепродукты попадают в воду в результате промывки цистерн, емкостей, в которых транспортируется нефть. Большие объемы нефти оказываются в водах океанов и морей при авариях танкеров, нефтепроводов, при разведке и эксплуатации нефтяных месторождений в зоне материковых шельфов. При авариях на нефтяных скважинах в море выбрасываются многие тысячи тонн нефти. Нередки случаи закрытия пляжей в связи с опасным повышением концентрации загрязняющих веществ в морской воде, вызванным многочисленными авариями судов, которые перевозят нефть и нефтепродукты.

Загрязнение вод Мирового океана радиоактивными веществами происходит в результате испытаний атомного оружия. Площадь заражения после испытаний может достигать 2,5 млн. км². Аварии атомных подводных лодок, судов с атомными реакторами, без сомнения, также служат причинами радиоактивного заражения значительных площадей морей и океанов. В 1980-е гг. практиковалось захоронение радиоактивных отходов в контейнерах, которые сбрасывали в наиболее глубокие участки океана. В 1993 г. на межгосударственном уровне было принято решение о полном запрете захоронения радиоактивных отходов в морях и океанах. Загрязнение морской воды в дальнейшем приводит к концентрации радиоактивных веществ в живых организмах по цепям питания (от планктона к планктоноядным организмам, хищным рыбам, птицам и млекопитающим). Известны случаи, когда концентрация радиоактивных веществ в организмах, замыкающих цепи питания, превышала фоновую более чем в 50 тыс. раз.

Степень загрязнения морской воды в значительной мере зависит от отношения к этой проблеме государств, граничащих с морями и океанами. Все внутренние и окраинные моря России испытывают мощный антропогенный пресс, включая многочисленные плановые и аварийные сбросы загрязняющих веществ. Уровень загрязнения российских морей (за исключением Белого моря), по данным Государственного доклада «О состоянии окружающей среды Российской Федерации в 1998 г.», превышал предельно допустимые концентрации (ПДК) по содержанию углеводородов, тяжелых металлов, ртути, фенолов, поверхностно активных веществ (ПАВ) в среднем в 3-5 раз (табл.).

Основные загрязняющие вещества и источники загрязнений

В настоящее время известно более 2 000 веществ, загрязняющих водоемы. Основными загрязняющими и наиболее токсичными веществами являются нефть и нефтепродукты. Они попадают в поверхностные и подземные воды в результате аварий при добыче, переработке и транспортировке нефти и ее производных продуктов.

Все большую опасность представляют поверхностно активные вещества, в том числе синтетические моющие средства (СМС). Широкое применение этих соединений в быту и промышленности приводит к увеличению их концентрации в сточных водах. Опасными загрязнителями являются соли тяжелых металлов: свинца, железа, меди, ртути и др. Они попадают в поверхностные и подземные воды как непосредственно с промышленных предприятий, так и через сточные воды и твердые бытовые отходы в местах их захоронения и складирования.

Сельскохозяйственное производство поставляет такие загрязняющие вещества как пестициды, минеральные и органические удобрения. К опасным загрязнителям относятся радиоактивные и биологически активные вещества.

Поверхностные воды озер, прудов, водохранилищ, рек в наибольшей степени подвержены загрязнению. По данным Государственного доклада «О состоянии окружающей среды Российской Федерации в 1999 г.», в поверхностные воды России сбрасывается тыс. т в год: нефтепродуктов – 39,4; фосфора – 60; фенола – 0,22; ПАВ – 8,9; соединений меди – 0,9; железа – 51,2; цинка – 1,6. Общий объем сточных вод, сброшенных в поверхностные воды, в последнее десятилетие ХХ века в среднем за год составлял 50 – 60 км³. Самые распространенные инородные вещества в поверхностных водах – нефтепродукты, фенолы, легко окисляемые органические вещества, соединения металлов, аммонийный и нитритный азот, а также специфичские вредные вещества: лигнин, формальдегид и другие.

Ухудшение качества и загрязнение подземных вод связаны с деятельностью предприятий промышленности (37 %), сельского (16 %) и жилищно-коммунального хозяйства (10 %), совместным воздействием различных объектов (9 %), а также подтягиванием некондиционных природных вод при нарушении режима эксплуатации водозаборов (13 %). Основные вещества, ухудшающие качество и загрязняющие подземные воды, - сульфаты, хлориды, соединения азота (нитраты, нитриты, аммиак или аммоний), нефтепродукты, фенолы, соединения железа и других тяжелых металлов (меди, цинка, свинца, кадмия, никеля, ртути). Для 28 % выявленных очагов загрязнения подземных вод содержание указанных выше веществ изменяется в пределах 10 – 100 ПДК, для 12 % - в 100 раз превышает ПДК.

Источниками загрязнения подземных вод являются различные объекты хозяйственной деятельности человека: сбросы предприятий легкой и пищевой, целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности; складируемые или захороняемые промышленные и коммунальные отходы; выбросы автотранспорта; отходы сельского хозяйства и животноводческих комплексов, месторождений полезных ископаемых, где из недр извлекают вещества, отсутствующие в окружающей среде; места хранения, захоронения и уничтожения химического и бактериологического оружия.

Загрязняющие вещества попадают в подземные воды и в результате круговорота воды в природе, в основном через почвы. В реках и водоемах они проникают в подземные воды через донные отложения. Часть загрязняющих веществ при этом адсорбируется, механически задерживаясь в средах, через которые происходит фильтрация вод. Чем длиннее путь загрязненной воды к подземным водам, тем активнее очищается она от различных примесей и загрязнений. Таким образом, подземные воды лучше защищены и могут служить более надежным источником чистых и особенно питьевых вод. Не без основания санитарные службы России присвоили особо чистым питьевым водам название «экологически чистые воды». К ним относятся только подземные воды.

Рациональное использование водных ресурсов, меры по предотвращению их истощения и загрязнения. Масштабы загрязнения и истощения водных ресурсов в настоящее время приняли угрожающий характер. Остро встала проблема нехватки пресной воды в густонаселенных районах, крупных промышленных центрах, местах орошаемого земледелия. Отсутствие чистой питьевой воды, загрязнение водоемов являются причинами многих заболеваний человека, губительно сказываются на животном и растительном мире Земли. Во многих местах проблема загрязнения пресных вод переходит с локального уровня на региональный.

Рациональное использование и охрана водных ресурсов как составная часть охраны окружающей природной среды представляет собой комплекс мер (технологических, биотехнических, экономических, административных, правовых, международных, просветительских и других), направленных на рациональное использование ресурсов, их сохранение, предупреждение истощения, восстановление природных взаимосвязей, равновесия между деятельностью человека и средой. Важные принципы рационального использования водных ресурсов приведены ниже:

- профилактика – предотвращение негативных последствий возможного истощения и загрязнения вод;

- комплексность водоохранных мер – конкретные водоохранные меры должны быть составной частью общей природоохранной программы;

- повсеместность и территориальная дифференцированность охранных мер;

- ориентированность на специфические условия, источники и причины загрязнения;

- научная обоснованность водоохранных мероприятий и действенный контроль за их эффективностью.

Рациональное использование поверхностных вод. К поверхностным водам должны применяться в самой жесткой форме все меры их рационального использования. Они служат основным источником питьевого водоснабжения, тесно связаны с подземными водами, в них сосредоточены запасы рыбных ресурсов и т. д. Среди мер по регулированию качества и ресурсов поверхностных вод должны доминировать профилактические меры, предотвращающие попадание загрязняющих веществ в водоемы и реки: переход на безотходные технологии в промышленности и сельском хозяйстве, очистка сточных вод.

Мероприятия по рациональному использованию и охране вод морей и Мирового океана заключаются в устранении причин ухудшения качества и загрязнения вод. Особые меры по предупреждению загрязнения морской воды следует предусматривать при разведке и освоении нефтяных и газовых месторождений на материковых шельфах. Необходимо ввести запрет на захоронение токсичных веществ в океане. Следует как можно быстрее ликвидировать последствия аварий и катастроф, при которых в океан попадают токсичные продукты.

Проблема охраны вод Мирового океана является глобальной, она касается всей планеты. Для рационального использования и охраны морских вод необходимы совместные усилия всех государств мирового сообщества, ООН и его подразделений, участие возможно большего числа государств в международных природоохранных программах, предусмотренных международными соглашениями и конвенциями.

Рациональное использование подземных вод. Подземные воды – наиболее ценный, а в некоторых районах и единственный источник питьевого водоснабжения. Благодаря естественной защищенности от поверхностного загрязнения они имеют стратегическое значение для крупных городов и промышленных центров как источник чистой питьевой воды при экологических катастрофах. Поэтому очень важно обеспечить их рациональное использование и охрану от истощения и загрязнения.

Мероприятия по рациональному использованию и охране подземных вод от истощения и загрязнения подразделяются на профилактические и специальные, общие и конкретные. К профилактическим мероприятиям относятся следующие:

- тщательный выбор места расположения строящегося объекта, обеспечивающий минимизацию антропогенного воздействия на подземные воды;

- соответствующее действующим нормам и правилам оборудование зон санитарной охраны (ЗСО) и соблюдение режима хозяйственной деятельности в их пределах;

- учет степени защищенности подземных вод при их использовании;

- соблюдение режима эксплуатации, определенного нормативными документами и экспертизой Государственной комиссии по запасам (ГКЗ);

- организация и ведение мониторинга подземных вод.

Одна из наиболее важных профилактических мер по рациональному использованию и охране подземных вод – создание зон санитарной охраны. Создание таких зон регламентируется СанПиН 2.1.4.1110 – 02 «Зоны санитарной охраны источников водоснабжения и водопроводов питьевого назначения». Водоохранные зоны состоят из трех поясов, в которых осуществляются специальные мероприятия, исключающие возможность загрязнения подземных вод. Первый - пояс строгого режима. Он включает территорию, на которой расположены водозаборные, водопроводные и водоподводящие сооружения. Границы пояса устанавливаются в виде заграждения на расстоянии не менее 30 - 50 м от сооружений в зависимости от степени природной защищенности водоносного горизонта. Для береговых (инфильтрационных) водозаборных сооружений в границы первого пояса включается вся территория между водозаборными сооружениями и водоемом, но не более 150 м от него. Здесь запрещены все виды строительства, не имеющие отношения к эксплуатации водозаборного сооружения, осуществляются планировка и отвод поверхностного стока, строгий контроль состояния воды и охрана территории. Второй и третий пояса водоохранных зон – пояса ограничений. Второй пояс предназначен для защиты подземных вод от микробного загрязнения. Третий пояс предназначен для защиты от химического загрязнения. Во втором и третьем поясах запрещены новое строительство, складирование отходов, размещение предприятий промышленности и сельского хозяйства. Постоянно осуществляется контроль за благоустройством и санитарным состоянием территории.

Специальные мероприятия по охране подземных вод от загрязнения направлены на изоляцию источников и очагов загрязнения, перехват загрязненных вод. При истощении вод принимают меры искусственного пополнения и увеличения питания подземных вод. Необходимы утилизация шахтных и дренажных вод, уменьшение и исключение использования пресных вод на технические нужды, бережное расходование воды, снижение потерь при ее транспортировке и распределении. Минеральные воды должны использоваться только для лечебных целей.

Общие меры по рациональному использованию и охране поверхностных и подземных вод включают строгое соблюдение законодательных актов, уменьшение количества промышленных отходов, создание безотходных производств.

Конкретные мероприятия включают многократное использование вод, строительство очистных сооружений, соблюдение правил при разведке подземных вод, строительстве и эксплуатации водозаборов.

Очистные сооружения и оборотные системы водоснабжения

Важнейшие технологические меры рационального использования и охраны водных ресурсов – совершенствование технологий производства, внедрение в практику безотходных технологий. В настоящее время в некоторых производствах применяется и совершенствуется оборотная система водоснабжения, или повторное использование воды.

Поскольку полностью избежать загрязнения воды невозможно, применяются биотехнические меры охраны водных ресурсов – принудительная очистка сточных вод от загрязнения механическими, химическими и биологическими методами.

При механической очистке сточных вод нерастворимые примеси удаляются с помощью решеток, сит жиро(масло)ловок и т.д. В отстойниках осаждают тяжелые частицы. Механической очисткой удается освободить воду от нерастворенных примесей на 60 – 95 %.

При химической очистке применяются реагенты, которые переводят растворимые вещества в нерастворимые, связывают их, осаждают и удаляют из сточных вод, которые очищаются еще на 25 – 95 %.

Биологическая очистка проводится (после механической) двумя способами: на специально подготовленных полях фильтрации (орошения) и в биофильтрах (ускоренный способ). В обоих случаях используется также каскад прудов – отстойников, в которых происходит естественное самоочищение воды.

На полях фильтрации (орошения), которые состоят из оборудованных карт (участков с почти горизонтальной поверхностью площадью 0,5 – 2 га, огражденных валами высотой 0,8 – 1 м) с магистральными и распределительными каналами, очистка происходит естественным способом – путем фильтрации воды через почвогрунты. Органический фильтрат подвергается бактериальному разложению, воздействию кислорода, солнечных лучей и используется в дальнейшем в качестве удобрения. При ускоренной очистке в специальных биофильтрах сточные воды фильтруются через пористые материалы (гравий, щебень, песок и керамзит), поверхность которых покрыта пленкой микроорганизмов. Процесс очистки на биофильтрах происходит интенсивнее, чем на полях фильтрации.

В настоящее время практически ни один город не обходится без очистных сооружений, причем применяются все указанные способы в комплексе, что дает хороший эффект.

Вопросы для самопроверки

1. Как распространена вода на Земле?

2. Какова роль воды в природе и жизни человека?

3. Назовите причины истощения и загрязнения водных ресурсов.

4. Охарактеризуйте основные загрязняющие вещества и источники загрязнения воды.

5. Перечислите основные принципы рационального использования водных ресурсов.

6. Какие мероприятия по рациональному использованию и охране подземных вод от истощения и загрязнения вам известны?

7. Какие способы очистки воды вам известны? Дайте краткую характеристику.