Структура использования воды и водообеспечения в РФ

(из кн. "Знакомьтесь, вода России", РосНИИВХ, 1993)

за счет

При этом необходимо отметить, что поверхностные воды используются значительно больше, чем воды из подземных источников, на которые приходится всего около 10 % общего водопотребления.

Растущие потребности в питьевой и технической воде порождают ряд экологических проблем, основными из которых являются:

1) истощение запасов и понижение уровня воды в поверхностных водоемах;

2) изменение качества воды в связи с загрязнениями промышленными и сельскохозяйственными стоками, нефтепродуктами, тяжелыми металлами;

3) термическое загрязнение и радиационное заражение водоемов;

4) изменение режима рек, форм проявления и масштабов эрозионно-аккумулятивной деятельности;

5) появление наведенных очагов землетрясений в пределах асейсмичных территорий;

6) истощение биологической продуктивности водоемов.

Истощение запасов поверхностных вод и, как следствие, понижение уровня воды (обмеление водоемов) определяется двумя факторами. К первому относятся ежегодные безвозвратные потери при хозяйственном использовании. Эти потери, в зависимости от качества и количества систем оборотно-повторного использования, составляют от 10 до 25 % ежегодного технологического расхода воды.

Вторым фактором, существенно влияющим на истощение запасов, являются водохранилища, особенно каскады водохранилищ, создаваемые для решения различных хозяйственных задач: гарантированного водообеспечения населения, использования гидропотенциала рек, снижения опасности наводнений и подтопления территорий, улучшения условий для судоходства, рыболовства, лесосплава, создания рекреационных зон. Помимо крупных сооружается и большое число малых водохранилищ, имеющих массовое распространение в аридной зоне.

Водохранилища являются объектами безвозвратных потерь поверхностного стока за счет испарения воды с поверхности. Их влияние на общее обмеление многих поверхностных водоемов становится все большим в связи с наблюдающейся тенденцией к общему потеплению климата. Так, безвозвратные потери речного стока Амударьи и Сырдарьи, используемого на орошение окружающих земель, стимулировали Аральскую экологическую катастрофу. Строительство в верховье р. Или в конце 60-х гг. Капчагайского водохранилища недалеко от г. Алма-Аты вызвало резкое обмеление озера Балхаш и привело к почти полной утрате его хозяйственного значения. В настоящее время наблюдается отчетливая тенденция к общему снижению уровня воды в системе Верхневолжского каскада водохранилищ: Иваньковском, Угличском, Рыбинском - в связи с сокращением годового количества атмосферных осадков и потеплением климата.

Изменение качества воды связано с загрязнениями промышленными и сельскохозяйственными стоками, нефтепродуктами. Основными загрязнителями поверхностных водоисточников являются сточные воды промышленных предприятий, сельского и коммунального хозяйства. Значительный вклад в загрязнения вносят аварии на нефте- и газопроводах.

Объемы промышленного водоиспользования зависят от структуры промышленных предприятий и уровня применяемых технологий. Наиболее водоемкими являются теплоэнергетика, черная и цветная металлургия, машиностроение, нефтехимическая и деревообрабатывающая промышленность. Особенности сельскохозяйственного водоснабжения - массовость потребителей и малые объемы потребления. В коммунальном хозяйстве большая часть (88 %) потребляемой воды используется для нужд населения городов, имеющих централизованные системы водоснабжения.

Несмотря на обширную сеть очистных сооружений, только около 70 % (на территории России) очищается до нормативных требований. Остальные стоки сбрасываются неочищенными или недостаточно очищенными. С ними в природные водоисточники поступают огромные количества органических веществ, твердых взвешенных частиц, нефтепродуктов, тяжелых металлов, сульфатов, хлоридов, соединений фосфора, азота, нитратов.

Применительно к России общий объем ежегодных загрязнений, поступающих в водоемы, достигает 50 млн. т. различных веществ. Из них на долю сельскохозяйственных предприятий приходится 55 %, коммунальной сферы - 37 %, промышленности - около 8 % .

В нашей стране с 1972 г. ведутся систематические наблюдения за качеством поверхностных вод (в 1990 г. контролировалось 2258 водных объектов). Многие объекты имеют высокую степень загрязнения - 10, некоторые до 6,50 ПДК по соединениям металлов, нефтепродуктам, фенолам и другим органическим, азотным, серным и прочим веществам.

Для непроточных водоемов особо неблагоприятно воздействие Р, которое в месте скопления озер (только крупных) приблизилось к 70 (Северная Америка, Западная Европа, Южная Африка, Япония и др.) [27]. Если в прежние геологические периоды этот процесс длился тысячи - миллионы лет, то в наше время - десятилетия и менее, в зависимости от антропогенного поступления биогенных веществ,

В США и Канаде работы по спасению эвтрофных озер начались в 70-х гг. - только на очистку вод бассейна Великих озер было затрачено 6,6 млрд. долл. В 80-х годах угроза была устранена.

Помимо медико-санитарных последствий изменение качества воды активизирует различные геологические процессы (химическое выветривание, карстообразование и др.), негативно влияет на биологическую продуктивность водоемов.

Термическое загрязнение водоемов связано с работой тепловых и атомных электростанций. Основной объем используемой воды (до 90-95 %) предназначается на отведение тепла от конденсаторов турбин. При этом доля безвозвратного потребления составляет 4-5 %.

Существуют различные системы охлаждения технологической воды. Широкое развитие, в частности, получили специальные водохранилища - охладители при электростанциях. Нагретые сточные воды ТЭС и АЭС (охлаждающая вода), поступая в водоемы, приводят к их "тепловому загрязнению", способствующему массовому размножению фитопланктона - "цветению воды".

Поверхностные водоемы используются также для создания хранилищ вредных, в том числе радиоактивных, отходов (хвостохранилища на горнодобывающих и обогатительных предприятиях). Широко известен пример предприятия "Маяк" (Челябинск-40), в течение длительного времени использующего в качестве накопителя радиоактивных отходов озеро Кыштым. Переполнение водоемов-хранилищ отходов и природные катастрофы с ними приводят (могут приводить) к необратимому геохимическому загрязнению и радиационному заражению местности.

Обмеление водоемов в результате хозяйственной деятельности, создание на реках искусственных водохранилищ, использование рек, озер и водохранилищ в качестве транспортных магистралей с применением крупнотоннажных речных судов приводит к изменению гидродинамического режима, форм и масштабов проявления геологических процессов; глубинной и боковой эрозии, руслового и пойменного осадконакопления, аккумуляции аллювия в устьях речных систем. Все это, в свою очередь, меняет условия воспроизводства биологических ресурсов, рыболовства и судоходства. В последнем случае приходится проводить работы, направленные на выправление судоходной обстановки: землечерпание, канализирование рек, регулирование стока гидротехническими сооружениями, инженерную защиту берегов.

Возбужденная сейсмическая активность в районах возведения водохранилищ. "Возбужденной" или "наведенной" называют сейсмичность, вызванную деятельностью человека.

В настоящее время накопилось достаточное количество статистических данных, свидетельствующих о связи возбужденной сейсмичности с периодами заполнения водохранилищ. К началу 70-х гг. в мире было известно 35 случаев усиления сейсмической активности при создании водохранилищ.

Часть геологической среды, располагающаяся под акваторией будущего водохранилища, находится в естественном напряженном состоянии, обусловленном силами, воздействующими на определенный объем породы (гравитационных, тектонических и др.). В толще пород возникают напряжения - внутренние силы сопротивления, уравновешивающие внешние нагрузки и отнесенные к единице площади. Выделяют общее напряжение (Р), нормальное (σ), располагающееся перпендикулярно к выбранной площадке (рис. 4.10), и касательное (τ), ориентированное вдоль нее. Ориентированные в пространстве максимальные нормальные и касательные напряжения создают поле напряжения.

Причиной наведенных землетрясений могут являться резкие изменения естественного напряженного состояния и поля напряжения, вызванные давлением огромною столба воды заполняющегося водохранилища. Это приводит к кратковременным смещениям по разрывам, существующим на глубине, и определяет распространение упругих сейсмических волн, достигающих поверхности и вызывающих ее сотрясение.

Возбужденная сейсмическая активность - мелкофокусная и проявляется не только в сейсмически активных молодых горно-складчатых поясах, но и на древних стабильных (асейсмичных) платформах. Землетрясения концентрируются вдоль ранее существовавших разломов. Причем эпицентры располагаются на расстоянии 10-15 км от водохранилища, очаги - на глубине 6-8 км. Активность усиливается особенно явно после подъема уровня воды более чем на 100 м. Частота вызванных толчков в большинстве случаев связана не столько с высотой уровня воды, сколько со скоростью и величиной перепада уровня воды в водохранилище. При одном и том же давлении столба воды вероятность толчков тем больше, чем большую площадь занимает водохранилище. Периоды усиления и ослабления сейсмичности могут продолжаться по несколько лет (рис. 4.11).

В 1935 г. в США на р. Колорадо была сооружена плотина Гувер и началось заполнение водохранилища Мид. Год спустя после начала заполнения начались сейсмические толчки. Количество слабых землетрясений в 1937-1947 гг. измерялось тысячами. К 1939 г. водохранилище заполнилось. В мае того же года область была потрясена сильным толчком, выделившим столько энергии, сколько все предыдущие землетрясения, вместе взятые.

Рис. 4.11 Схема напряжений (заштрихована) и расположение нормальных и касательных максимальных напряжений при одноосном растяжении:

F – сила; напряжение: Р - общее, σ - нормальное, τ - касательное

На полуострове Индостан в сейсмической платформе на р. Койна в 1961 г. началось заполнение водохранилища объемом около 3 трлн м³. В 1967 г. произошло 8-9-балльное землетрясение, унесшее 180 человеческих жизней. 2000 человек получили ранения. Эпицентр землетрясения располагался в 3-5 км от плотины. Радиус области, ощутившей землетрясение, составил 700 км. Водохранилище имело размеры 50 км в длину и до 5 км в ширину.

К моменту интенсивного заполнения Нурекского водохранилища на р. Вахш в Таджикистане (1972) было зарегистрировано в конце 1972 г. 133 землетрясения. При этом землетрясения группировались под водохранилищем вблизи плотины, а по мере его быстрого наполнения несколько смещались, так как перемещался центр нагрузки столба воды. Второй этап интенсивного заполнения начался в июле - августе 1976 г. И снова возросло число толчков.

Рис. 4.12. Соотношение изменений уровня воды в водохранилище Вайонт (Италия) и числа возбужденных местных землетрясений (по П. Калои)

Заполнение не каждого водохранилища вызывает землетрясение. Однако именно эта неоднозначность заставляет ожидать и не исключать возможности сейсмических последствий.

Истощение биологической продуктивности водоемов. Около 30 % улова в водоемах приходится на долю пресноводных рыб группы туводных, проходных и полупроходных (табл. 4.8). Из основных природных факторов, определяющих степень рыбопродуктивности, главная роль принадлежит речному стоку, так как от него зависит водный, солевой и гидробиологический режим рек, озер, водохранилищ, а также размножение ценных видов проходных и полупроходных рыб.

Интенсивное антропогенное воздействие на гидрологический режим и качество воды (регулирование стока водохранилищами, снижение стока, загрязнение водоемов) уменьшает продуктивность водоемов суши и приводит к сокращению уловов рыбы.

Антропогенные изменения рек России за историческое время (по [30]). Существуют древние карты, а также летописи, которые свидетельствуют, что Волга у Астрахани протекала вдоль стен Кремля, Якутский острог был основан на берегу Лены, Серпухов и Рязань - на берегах Оки. По картам изменения русел рек бассейнов pp. Волги и Дона можно проследить с XVIII в. (карта Дона адмирала Крюйса - 1704 г., карты Суры конца XVIII - начала XIX в.), северных и многих других рек - с середины XIX в., Западной Сибири - с начала XX в., Восточной Сибири - с 20-30-х гг. XX в.

Таблица 4.8