ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С ВОДНЫМИ РЕСУРСАМИ

2.1.1. Источники и объемы потребления воды

Использование человеком воды в хозяйственной деятельности в ХХ в. увеличилось в 12 раз и достигло огромной величины – 5 тыс. км3 в год, что составляет более 10 % годового стока всех рек мира.

Преобладающим источником водоснабжения в мире остаются реки. Возросшее водопотребление нуждается в емких резервуарах воды, мало зависящих от сезонных перепадов стока. Поэтому многие тысячи рек в ХХ в. были зарегулированы. Более 30 тыс. водохранилищ с общей площадью зеркала около 500 тыс. км2 (больше площади Черного и Азовского морей) увеличили мгновенный объем воды в речных системах от 1,2 до 7,3 тыс. км3, а средний период обращения воды в них – от 11 до 72 сут.

Итоговый экологический эффект создания и эксплуатации некоторых крупных водохранилищ отрицателен (Т. А. Акимова, В. В. Хаскин, 1998).

Около 70 % мирового водопотребления приходится на сельское хозяйство, 13 % – промышленность, 10 % – коммунально-бытовые нужды, 7 % – собственные нужды водного хозяйства (гидроэнергетика, судоходство, рыбное хозяйство и др.).

Общий объем организованных (технических) стоков водоотведения в поверхностные водоемы и водотоки мира превышает 1300 км3 в год. Для достаточного разбавления содержащихся в них техногенных примесей требуется в среднем в 10 раз больше свежей воды. Таким образом, суммарное прямое антропогенное вмешательство в природный круговорот воды достигает 18 тыс. км3 в год (водозабор (5) + разбавление стоков (13)), что приближается к половине речного стока мира.

Кроме того, существует еще значительное косвенное вмешательство в глобальный круговорот воды, обусловленное уменьшением объема транспирации из-за вырубки лесов. Вода некоторых рек в промышленных районах мира полностью (в ряде случаев более чем однократно) проходит через различные технические системы водопотребления. Благодаря применению в промышленности и энергетике водооборотных циклов суммарное использование воды в этих отраслях в целом в 2,8 раза превышает объем забора свежей воды. Разумеется, водообеспеченность хозяйства и населения в разных регионах мира очень различна и изменяется от 0,3 в Нижнем Египте до 150 в Нижнем Конго или на Аляске (в тыс. м3 годового речного стока на душу населения, без учета транзитного стока).

Водоемкость разных производств зависит от вида продукции, применяемых технических средств и технологических схем водоснабжения. Так, на производство 1 т различных видов готовой продукции расходуются в среднем следующие объемы воды (в м3): уголь – 0,6, нефть – 3, сталь – 40, синтетические волокна – 300, бумага – 900, резина – 2300. Большие объемы воды требуются для охлаждения энергоблоков: для ТЭС и АЭС мощностью 1 ГВт – 1,5–3 км3 соответственно.

Потребление водных ресурсов не ограничивается водозабором. Водные артерии широко используются как транспортные пути. Из всего огромного водного грузооборота мира, оцениваемого в 35 трлн т ⋅ км в год, около 4 % относится к внутреннему водному транспорту. Значительная часть стока рек мира проходит через плотины гидроэлектростанций. Современное техногенное вмешательство в планетарный круговорот воды близко к критическому уровню, повышение которого может существенно повлиять на географическое распределение осадков и качество воды природных источников.

2.1.2. Загрязнение воды

Различают первичное и вторичное загрязнение вод. Первичное связано с поступлением в водоемы различных загрязняющих веществ. Вторичное –обычно является следствием цепных реакций, протекающих под воздействием первичных загрязнителей. Важнейшие первичные загрязняющие вещества, источники их поступления и следствия для водных экосистем и человека представлены в табл. 4.

К числу наиболее опасных и распространенных загрязняющих веществ относятся нефть и нефтепродукты. Имеются данные, что в настоящее время загрязнено около 1/5 акватории Мирового океана. Содержание нефти даже в количестве 0,05 мг/л делает воду непригодной для питья, а при концентрации 0,5 мг/л погибают многие гидробионты. Из-за запаха нефти, приобретаемого водой, изменяются пути миграции рыб и других организмов. Особенно чувствителен к нефтяному загрязнению планктон. Его гибель лишает возможности существования многих других организмов.

Нефтяная пленка сильно изменяет отражательную способность (альбедо) водной поверхности, является причиной изменения теплового баланса и глобальных тепло -и влагопереносов. Температура изменяется также в результате ускоренного таяния льда, загрязненного нефтью. Значительное количество нефти выбрасывается на берег. Здесь она губит прибрежные экосистемы, играющие важную роль при очистке воды. Разрушенные экосистемы долго не восстанавливаются. Часть нефти, впитываясь в грунты, попадает в грунтовые воды, а затем в результате круговорота вод вновь возвращается в источники. Длительно не разлагающиеся нефтепродукты попадают в океанические течения и переносятся на большие расстояния.

Таблица 4. Основные загрязнители воды и их источники

2.1.3. Эвтрофирование водоемов

Водные экосистемы обладают способностью к самоочищению и установлению биологического равновесия. Оно достигается в результате совокупного действия физических, химических и биологических факторов. Водные организмы через сбалансированные трофические взаимодействия осуществляют многоступенчатую минерализацию органического вещества в толще воды и дне. Процесс самоочищения обеспечивает постепенное восстановление свойственной водоему структуры и биоразнообразия спустя некоторое время после попадания загрязняющего агента.

Однако способность водоемов к самоочищению не безгранична. Внесение больших или небольших, но продолжительных по времени объемов загрязнителя, нарушают процессы самоочищения.

Под эвтрофированием понимают чрезмерное обогащение вод биогенными элементами, особенно фосфором и азотом или веществами, их содержащими. На примере эвтрофирования водоемов и его последствий прослеживаются такие важнейшие экологические закономерности, как цепные природные реакции, действие лимитирующих факторов, сукцессии в водной среде и другие системные положения.

В результате обогащения водоемов биогенными элементами происходит интенсивное размножение и увеличение численности водорослей и высшей водной растительности. Структура фитопланктона быстро перестраивается, усиливается доминирование ограниченного числа видов, как правило, колониальных синезеленых водорослей (цианобактерий), слабо используемых в пастбищных пищевых цепях. Происходит бурный рост водорослей («цветение воды»), их накопление, а затем отмирание. Это создает условия для увеличения численности организмов-редуцентов (бактерий и водных грибов), питающихся мертвой органикой и разлагающих ее до минеральных веществ. В ходе процессов разложения интенсивно поглощается кислород, растворенный в воде. В результате наблюдается резкий дефицит кислорода (особенно в ночное время) и замена аэробных процессов на анаэробные, протекающие в бескислородной среде. Продукты анаэробных процессов (сероводород, метан и другие ядовитые вещества) поступают в воду и ухудшают ее качество. В сильно эвтрофированных водоемах нередко наблюдаются ночные заморы рыбы. Такие водоемы не используются для отдыха и питьевого назначения, так как забираемая из них вода требует специальной дорогостоящей предварительной очистки. Таким образом, обогащение вод биогенными элементами вызывает вторичное загрязнение с отрицательным экологическим и санитарно-гигиеническим эффектом.

Отрицательные последствия эвтрофирования вод усиливаются при тепловом загрязнении из-за меньшей растворимости кислорода в подогретой воде и более интенсивно идущих процессов разложения мертвого органического вещества водорослевой массы.

Антропогенное эвтрофирование имеет глобальный характер, так как ему подвержены практически все внутренние водоемы и некоторые моря. Источниками биогенных элементов являются смываемые с сельхозугодий во время половодья и после сильных дождей минеральные удобрения, сбрасываемые моющие средства, компоненты которых – поверхностно-активные вещества (ПАВ) – содержат фосфор, стоки животноводческих ферм и т. п. Исследования показали,что главной причиной эвтрофирования является фосфор – основной лимитирующий биогенный элемент водных экосистем. Роль азота – подчиненная, так как многие виды синезеленых водорослей, обеспечивающих массовое цветение в эвтрофированных водоемах, способны к фиксации молекулярного азота атмосферы.

Не следует, однако, полагать, что эвтрофирование водоемов вызывается только под влиянием деятельности человека. Водоемам свойственна природная эвтрофикация, медленно протекающая и зависящая от химизма и минерального состава пород и грунтов, окружающих водоемы, его морфо-метрических характеристик. Водоемы с большими запасами воды и расположенные среди кристаллических пород мало подвержены эвтрофированию. Они в течение тысячелетий могут оставаться в олиготрофном состоянии, а следовательно, с чистой и прозрачной водой. Примером такого водоема может служить оз. Байкал. Небольшие водоемы, питающиеся с водосборов, хорошо обеспеченных подвижными формами фосфора и азота, подвержены интенсивной эвтрофикации. Они быстро переходят из состояния молодости (олиготрофные) к зрелости (мезотрофные) и старости (эвтрофные) при последующем превращении в болота, а затем в сушу с торфянистыми субстратами.