3. Загрязнение и истощение вод

Человек в настоящее время изымает из различных источников и потребляет только 0,12-0,15% от природных запасов пресной воды. При столь незначительной доле изъятия вод, казалось бы, нет причин для их дефицита, тем более, что после использования вода как неистощимый ресурс включается в круговороты и вновь возвращается в источники. Истощение вод действительно невозможно в масштабах всей гидросферы, но оно реально в региональном плане.

Чтобы ответить на вопрос о причинах дефицита пресной воды, познакомимся с некоторыми параметрами, которые характеризуют не только среднестатистические значения запасов вод, но и дают представление о реальных возможностях ее потребления. К важнейшим из них относятся доступность отдельных категорий воды, их распределение по территории, скорость возобновления и другие.

Структура запасов пресных вод, скорость их возобновления и значение для потребления. Из 35 млн. км³ пресных вод около 70% сосредоточено в ледниках и вечных снегах. Эти воды практически не потребляются человеком. Они представляют как бы «мертвый» запас. Не используются также почвенные воды, воды атмосферы и вода, содержащаяся в организмах. Ограниченно используются воды болот, и труднодоступные или пока недоступные для потребления воды глубинных слоев Земли. В целом подсчитано, что человечество в настоящее время может потенциально использовать около 3 млн. км³ воды. Под термином «потенциально» в данном случае понимается техническая возможность. Фактически же возможности намного меньше. В самых общих чертах можно отметить, что экологически обоснованным является такой объем изъятия воды из систем (источников), при котором последние сохраняют свои основные свойства по запасам и качеству (не истощаются и не загрязняются).

Технически и экологически наиболее приемлемо использование речных вод, характеризующихся быстрой обновляемостью, легкой доступностью, относительно равномерным размещением по территории, высокой самоочищаемостью. Современное водопотребление и происходит в основной массе из речных источников. Возможности изъятия воды из рек зависят также от соотношения величин общего и безвозвратного водопотребления. Под последним понимается та часть вод, которая после изъятия из источников и использования человеком не возвращается в источники.

Водопотребление общее. В настоящее время мировое общее потребление воды близко к 4000 км³. Основные объемы воды используются в промышленности, сельском хозяйстве и других отраслях.

При годовом стоке рек мира 40 тыс. км³ изъятие 4 тыс. км.³ близко к предельно допустимым 10%. Практически оно меньше, т.к. как часть воды потребляется из других источников (озер, подземные воды), часть из замкнутых циклов, а некоторая доля возвращается в эти же источники после использование и очистки. Та доля воды, которая не возвращается в источники, составляет, как уже отмечалось, безвозвратное водопотребление. Этот вид потребления является основной причиной увеличения водного дефицита, уменьшения запасов воды в источниках. Познакомимся с ним подробнее.

Водопотребление безвозвратное. Чтобы вода не возвратилась в источник, из которого изымалась, она должна уйти за пределы данного водосборного бассейна. Безвозвратное водопотребление наиболее типично для поливного земледелия. Здесь оно достигает 60-70% и более. В данном случае основная цель водопользования связана с максимальным испарением воды, что равносильно выводу ее из влагооборота данного региона.

Дефицит воды существенно усугубляется также в результате неравномерного стока рек. Основной объем его (до 70-80%) приходится на периоды половодий (в равнинных районах умеренной зоны – весной, в горах – в период таяния ледников и, как правило, летом, в приэкваториальных широтах - в период дождей). Временную неравномерность стока в какой-то мере удается нейтрализовать запасанием воды в водохранилищах. Однако и при этом неизбежны свои издержки. Они связаны с нарушением влагооборотов, изъятием земель, большим испарением с зеркала воды в водохранилищах и другими явлениями.

Таким образом, несмотря на большие запасы пресных вод на земле, дефицит их для человека и многих экосистем реален. Он обусловливается медленным возобновлением отдельных категорий вод, неравномерным их распределением в пространстве, динамичностью запасов во времени (для речных вод), безвозвратным использованием и другими явлениями. С течением времени дефицит вод увеличивается и неизбежны поиски путей его уменьшения или исключения.

С тех пор, как потребности человека в воде вышли за приделы чисто биологических, он стал выступать как существенный фактор загрязнения вод. Загрязнению подвержены все категории вод: океанические, континентальные, подземные, хотя и в разной степени.

Качество вод, особенно пресных, стало одним из важнейших факторов здоровья населения. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) отмечает, что на планете от низкого качества воды ежегодно умирает около 5 млн. человек (в основном детей), а получают различной степени отравления или заболевания от 500 миллионов до 1 миллиарда человек.

Основные показатели качества вод и их химический состав. Все воды содержат растворенные вещества. Наиболее представленными элементами в воде являются кальций, натрий, хлор, калий. Характерно, что набор химических элементов в воде близок к их составу в крови животных и человека. Это, по-видимому, является одним из подтверждений зарождения жизни в водной среде.

Соленость воды оценивается обычно по суммарному содержанию в ней химических веществ, или сухому остатку (г/л). По данному показателю выделяют следующие категории вод:

- пресные - до 1 г/л;

- солоноватые - 1-3 г/л;

- слабосоленые - 3-10 г/л;

- соленые и очень соленые - 140-50 г/л;

- рассолы (рапа) - более 50 г/л.

Морская вода в среднем содержит 35 г/л солей (3,5%, или 35 промилле). В водах содержатся также органические вещества и различного рода взвеси, а также организмы, часть из которых относятся к группе патогенных.

Человек оценивает воду обычно в зависимости от целей ее использования: питьевая, технические нужды, сельскохозяйственное потребление и др. Наиболее жесткие стандарты существуют на питьевую воду.

Для оценки качества вод, как и воздуха, используются предельно допустимые концентрации (ПДК). Кроме химических, при оценке качества питьевой воды используются бактериологические и органолептические критерии. Бактериологическое состояние воды оценивается через общее число бактерий в воде, оно не должно превышать 100 в одном миллилитре воды, и через количество бактерий группы кишечной палочки. Последнее выражается либо коли-индексом: количество кишечных палочек в одном литре воды (оно не должно превышать трех), либо коли-титром: количество воды в миллилитрах, в котором содержится одна кишечная палочка (он не должен быть меньше 300 мл.).

К органолептическим показателям относятся запах, цветность, мутность и привкус.

Важный показатель качества воды – наличие в ней кислорода. В прямой зависимости от его содержания находится жизнь гидробионотов (аэробов) и способность вод к самоочищению. Кислородообеспеченность обычно выражается через показатель биологического потребления кислорода (БПК). Под БПК понимают количество кислорода, которое расходуется для разложения (окисления) содержащихся в воде веществ, способных участвовать в биохимических процессах. Для определения БПК обычно создают стандартные условия для жизнедеятельности микроорганизмов. Потребление кислорода при этом, как правило, измеряется в одном литре воды за 5 дней. Чем больше потребление кислорода, тем сильнее загрязнена вода органическими и другими биодеградирующими веществами.

В водах появляется все больше веществ, которые не поддаются биологическому разложению (например, органические растворители) и поэтому не фиксируются показателем БПК. Их содержание оценивается через химическое потребление кислорода (ХПК). Этот показатель определяется посредством реакций проб воды с сильными окислителями, например бихроматом калия. Обычно разрешается сбрасывать воду в водоемы в тех случаях, когда ХПК не превышает 100 мг/л. Отношение БПК к ХПК характеризует степень способности воды к самоочищению. Если это отношение равно единице, самоочищаемость оценивается как максимальная (биологическим путем разрушается практически весь спектр загрязняющих веществ).

Основные вещества и другие агенты, загрязняющие воду. 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 - это в основном продукты эрозии почв, минеральные удобрения, ядохимикаты и другие вещества, которые могут поступать в водоемы с водосборных бассейнов. Значительное количество загрязняющих веществ приносят атмосферные осадки. Велика доля загрязнения вод канализационными стоками, мусором, отходами предприятий, водным транспортом. К сожалению, люди до настоящего времени не смогли отказаться от принципа – «водные системы – конечное звено канализации». Даже существующими нормами допускается такая степень очистки вод, при которой они становятся соответствующими нормам ПДК после 10 – кратного разбавления природными водами.

Серьезный вред водным системам причиняет тепловое загрязнение. Оно обуславливается сбросом в источники подогретых вод или изменением температуры в результате действия других факторов.

На планете в настоящее время практически не осталось поверхностных пресных вод, которые в той или иной степени не были бы загрязнены человеком. Обманчиво представление о чистоте северных вод. Меньшее загрязнение этих вод нередко компенсируется их слабой способностью к самоочищению в силу олиготрофности (бедности жизнью) и низких температур. До недавнего времени существовало представление о неисчерпаемой самоочищающей способности океана. С момента осознания человеком глобальности экологических проблем от этой, как и от других иллюзий, приходится отказываться. Становится ясным, что океан не может быть всемирной свалкой.

Сельское хозяйство как загрязнитель вод. В земледельческих районах сельское хозяйство является основным загрязнителем воды. Воды загрязняются продуктами разрушения почв, удобрениями и ядохимикатами, смываемыми с полей, животноводческими комплексами. Стоки с сельскохозяйственных полей поступают в водные экосистемы рассредоточено или неорганизованно и поэтому почти не подвергаются очистке.

Животноводческие комплексы в ряде регионов представляют основную проблему для водопользования. Так, в ФРГ объем отходов животноводческих стоков в 5 раз больше бытовых. Комплекс со 100 тысячами голов крупного рогатого скота загрязняет среду так же, как город с миллионным населением. Основное загрязнение от комплексов связано с органическими веществами, различными соединениями азота (нитраты, нитриты, аммиак) и биологическими агентами.

Тепловое загрязнение вод. Этот вид загрязнения является следствием как водопотребления, так и водопользования. Важнейшим поставщиком подогретых вод являются тепловые и атомные электростанции, а также другие объекты, где вода используется как охлаждающий агент. Получение каждого миллиона киловатт энергии на тепловых электростанциях сопряжено с подогревом 1,5-2 км. кв. воды. На атомных электростанциях объем подогретых вод на единицу получаемой электроэнергии в 2-3 раза больше, чем на ТЭС. Такие различия связаны в основном с тем, что на ТЭС значительное количество тепла рассеивается через трубы, вентиляционные и другие системы. На АЭС такое рассеивание минимально вследствие замкнутости систем. Основным агентом поглощения и отведения тепла является вода.

Подогретые воды должны охлаждаться в прудах – охладителях либо в специальных установках (градирнях) и затем повторно использоваться в производственных процессах. Однако значительная часть подогретых вод сбрасывается в источники и обуславливает их тепловое загрязнение.

Тепловое загрязнение вод происходит также непосредственно в водоемах. Особенно интенсивен этот процесс на мелководных частях водохранилищ, где создаются условия для интенсивного прогрева воды. Такие явления наиболее типичны для равнинных водохранилищ с пологими берегами.

Водосборные бассейны и качество вод. Существенное, а нередко и основное загрязнение вод связано с нарушениями их круговорота за пределами водных объектов на водосборных бассейнах. Такие явления часто связаны с разрушением или преобразованием естественных экосистем (особенно лесных и болотных), что ведет к увеличению смыва с них различных загрязнителей. Каково состояние водосборных бассейнов, таково и качество воды, формирующейся в их пределах и в конечном счете оказывающейся в водном источнике.

Водопользование как загрязнитель вод. К водопользованию относится потребление воды без ее изъятия, например, для избавления от мусора и других отходов, в том числе ядовитых и радиоактивных. Хотя большая часть таких отходов сбрасывается в воды в контейнерах, но и они не вечны, со временем разрушаются, и их содержимое может поступать в воду.

Реки, особенно северные, загрязняются продуктами разложения древесины, которая тонет при сплаве. Русла многих сплавных рек устланы несколькими слоями бревен. Это существенный источник фенолов, лигнина, дубильных и других органических веществ.

Водопользование является причиной разрушения берегов, которое происходит под действием волн, создаваемых транспортом, при строительстве портов, спрямлении русел и при осуществлении других мероприятий. Водопользование – важный фактор угрозы для обитателей водной среды. С ним связано разрушение нерестилищ, укрытий, путей миграции рыб и т.п.

Существенные отрицательные экологические последствия связаны с водохранилищами. Они являются своего рода отстойниками, а следовательно, и накопителями широкого спектра загрязняющих веществ, особенно тех, которые не подвержены или слабо подвержены биодеградации. Донные осадки многих водохранилищ перенасыщены тяжелыми металлами, а также радиоактивными элементами. Они часто являются источником образования метана и других продуктов гниения. Понижение уровня воды в этих водоемах нередко является причиной загрязнения воздуха и прилежащих территорий в результате захвата вышедших из-под воды донных отложений ветровыми потоками. Еще более масштабные проблемы могут возникнуть при ликвидации водохранилищ. Такие явления в перспективе неизбежны, так как каждое, даже крупное водохранилище рано или поздно заиляется до такой степени, что теряет свое значение как водный резервуар или источник гидроэнергии.

Под эвтрофикацией вод понимают обогащение их биогенными элементами, особенно азотом и фосфором или веществами, их содержащими. Эвтрофикация (греч. Эу - хорошо, трофее - питание) – богатое питание вод.

На примере эвтрофикации и ее последствий наглядно прослеживаются такие основополагающие для экологии явления, как цепные природные реакции, действие лимитирующих факторов, водные сукцессии и другие системные положения. Следствие эвтрофикации – интенсивный рост водорослей и других растений, накопление в водоемах органических веществ и других продуктов отмирания организмов. Это создает условия для увеличения численности организмов-редуцентов, питающихся мертвым органическим веществом и разлагающих его исходных минеральных элементов и углекислого газа. Редуценты в процессе жизнедеятельности интенсивно поглощают кислород. Конечный результат таких явлений – обескислороживание водной среды и замена аэробных (с участием кислорода) процессов на анаэробные, протекающие в бескислородной среде. Результат анаэробных процессов – выделение в среду сероводорода, метана и других загрязняющих веществ. Таким образом, обогащение вод необходимыми для жизни химическими элементами вызывает вторичный крайне отрицательный экологический и санитарно-гигиенический эффект.

Отрицательные следствия эвтрофикации вод усиливаются при их тепловом загрязнении. Последнее способствует ускоренному обеднению воды кислородом как в результате его меньшей растворимости по мере повышения температуры, так и вследствие интенсификации биохимических процессов.

Роль природных и антропогенных факторов эвтрофикации вод. Эвтрофикация вызывается как природными, так и антропогенными факторами. Различия в их действии связаны не только с интенсивностью, но и с механизмом отдельных процессов.

Природная эвтрофикация протекает, как правило, медленно и зависит от химизма и минералогического состава пород и грунтов, окружающих водоемы. Водоемы с большими запасами воды и расположенные среди кристаллических пород мало подвержены эвтрофикации.

Небольшие водоемы, питающиеся с водосборов, хорошо обеспеченных подвижными формами азота и фосфора, подвержены интенсивной эвтрофикации. Они быстро переходят из состояния молодости (олиготрофные) к зрелости (мезотрофные) и старые (эвтрофные) при последующем превращении в болота, а затем и сушу с торфянистыми субстратами. Антропогенной эвтрофикации в настоящее время подвержены практически все внутренние водоемы и некоторые моря. Основными факторами ее являются минеральные удобрения, а в ряде случаев моющие средства, компоненты которых – поверхностно-активные вещества (ПАВ) изготавливаются на фосфорной основе.

Процессы, сопутствующие эвтрофикации вод. В бедных питательными веществами (олиготрофных) природных водах группа организмов-продуцентов представлена в основном крупными растениями (макрофитами) Эти растения размещаются в природной части водоемов и своими корнями извлекают необходимые им биогенные элементы из донных структур. Выделяющийся в процессе фотосинтеза кислород растворяется в глубинных слоях воды. Поверхностные слои воды обогащаются кислородом, поднимающимся из природных слоев в результате поглощения из воздуха. Оба процесса сбалансированы и вода остается чистой.

В эвтрофированных водах создаются благоприятные условия для поглощения растениями биогенных элементов непосредственно из окружающей их воды. Это способствует интенсивному накоплению фитопланктона в верхних слоях воды и гибели донных растений из-за недостатка кислорода. Он здесь поглощается организмами-редуцентами, перерабатывающими органические вещества планктона после его отмирания. Таким образом, в процессе эвтрофикации изменяется не только химизм воды, но и видовой состав организмов. За этим следует обеднение глубинных слоев воды кислородом, смена аэробных процессов анаэробными, загрязнение воды ядовитыми веществами.