Загрязнение подземных вод

2.5.2 Загрязнение подземных вод

Загрязнению подвергаются не только поверхностные, но и подземные воды. В целом состояние подземных вод оценивается как критическое и имеет опасную тенденцию дальнейшего ухудшения. Подземные воды (особенно верхних, неглубоко залегающих, водоносных горизонтов) вслед за другими элементами окружающей среды испытывают загрязняющее влияние хозяйственной деятельности человека. Подземные воды страдают от загрязнений нефтяных промыслов, предприятий горнодобывающей промышленности, полей фильтрации, шламонакопителей и отвалов металлургических заводов, хранилищ химических отходов и удобрений, свалок, животноводческих комплексов, не канализированных населенных пунктов. Происходит ухудшение качества воды в результате подтягивания некондиционных природных вод при нарушении режима эксплуатации водозаборов. Площади очагов загрязнения подземных вод достигают сотен квадратных километров. Из загрязняющих подземные воды веществ преобладают: нефтепродукты, фенолы, тяжелые металлы (медь, цинк, свинец, кадмий, никель, ртуть), сульфаты, хлориды, соединения азота. Перечень веществ контролируемых в подземных водах не регламентирован, поэтому нельзя составить точную картину о загрязнении подземных вод.

Комплексный и взаимосвязанный характер пресноводных систем требует целостного подхода к управлению ресурсами пресной воды (предполагающего хозяйственную деятельность в пределах водосборного бассейна) на основе сбалансированного учета потребностей населения и окружающей среды. Еще в принятом в Мар-дель-Плата Плане действий было указано на внутреннюю связь между водохозяйственными проектами и серьезными последствиями их осуществления, которые носят физический, химический, биологический и социально-экономический характер. В области оздоровления окружающей среды была поставлена следующая общая цель: "производить оценку последствий различных видов водопользования для окружающей среды, поддерживать меры, направленные на борьбу с передаваемыми посредством воды заболеваниями, а также охранять экосистемы". Масштабы и степень загрязнения зон аэрации и водоносных горизонтов всегда недооценивались в силу относительной недоступности водоносных горизонтов и отсутствия информации о водоносных системах. В этой связи охрана подземных вод является одним из важнейших элементов рационального использования водных ресурсов.

Для включения элементов регулирования качества водных ресурсов в водохозяйственную деятельность необходимо одновременно стремиться к достижению следующих трех целей:

1.         сохранение целостности экосистемы благодаря ведению хозяйственной деятельности на основе принципа, предусматривающего охрану водных экосистем, включая живые ресурсы, и их эффективную защиту от любых видов деградации в пределах водосборного бассейна; 2. охрана здоровья населения, что предусматривает не только снабжение питьевой водой, не содержащей патогенных микроорганизмов, но и борьбу с переносчиками инфекции в водной среде;

3. развитие людских ресурсов, являющееся залогом формирования потенциала и необходимым условием для налаживания деятельности по регулированию качества воды.

Все государства, в зависимости от своих возможностей и имеющихся ресурсов и через двустороннее или многостороннее сотрудничество, в том числе с Организацией Объединенных Наций и, при необходимости, с другими соответствующими организациями, смогли бы установить следующие цели:

1. определить те ресурсы поверхностных и подземных вод, которые можно было бы освоить для использования на устойчивой основе, и другие основные зависящие от воды ресурсы, которые могут быть освоены, и одновременно начать осуществление программ по охране, сохранению и рациональному использованию этих ресурсов на устойчивой основе; 2. определить все потенциальные источники водоснабжения и подготовить проекты их защиты, сохранения и рационального использования; 3. приступить к осуществлению эффективных и соизмеримых с уровнем их социально-экономического развития программ по борьбе с загрязнением вод, соответствующим образом сочетая реализацию стратегий сокращения загрязнения у источника с проведением экологических экспертиз и применением практически осуществимых норм для выбросов из крупных точечных источников и неточечных источников с высокой степенью риска; 4. принимать, насколько это возможно, участие в осуществлении международных программ мониторинга и регулирования качества воды, например, таких, как Глобальная программа мониторинга качества воды (ГСМОС-ВОДА), Программа ЮНЕП по экологически обоснованному использованию внутренних водных ресурсов (ЭМИНВА), Программа ФАО по региональным внутренним водоемам, используемым для рыбного промысла, и Конвенция о водно-болотных угодьях, имеющих международное значение главным образом в качестве местообитаний водоплавающих птиц (Конвенция РАМСАР);

5. уменьшить распространенность передаваемых через воду заболеваний, начиная с ликвидации дракункулза (ришта) и онхоцеркоза (речная слепота) к 2000 году;

6. установить, согласно своим возможностям и потребностям, биологические, санитарно-гигиенические, физические и химические критерии качества воды в отношении всех видов водоемов (поверхностные и подземные воды) с целью постоянного улучшения качества воды;

7. осуществлять комплексный подход к экологически безопасному управлению водными ресурсами, включая защиту водных экосистем и живых пресноводных ресурсов;

8. разработать стратегии по экологически безопасному управлению запасами пресной воды и соответствующими прибрежными экосистемами, включая рассмотрение проблем, связанных с рыболовством, аквакультурой, пастбищным хозяйством, сельскохозяйственной деятельностью и биологическим разнообразием [24, 25].

Глава 3. Методические разработки

 

К сожалению, провести весь курс занятий, логически связанных между собой, оказалось невозможным, и были апробированы только некоторые формы организации элективных курсов по изучению темы «Экологический мониторинг водных объектов».

 

Занятие №1. Водные ресурсы планеты

В ходе эволюции вода создала окружающую нас природу, живой мир, да и самого человека: именно водная среда (мировой океан) могла обеспечить все требования к возникновению и развитию жизни. Она стала тем «питательным бульоном», в котором 3,5 млрд лет назад при специфических внешних условиях зародилась жизнь на Земле.

Есть ли вода в нашем организме и много ли ее? Как вы полагаете, отчего это?

Вода обеспечивает существование жизни на нашей планете: сложнейшие биохимические реакции в клетках животных и растительных организмов могут протекать только при наличии воды. Все живые существа на Земле содержат воду в большем или меньшем количестве, в среднем около 70-80%, т.е. на 3/4 состоят из воды. С химической точки зрения живое вещество – это водный раствор, и почти все процессы, обеспечивающие его жизнедеятельность, сводятся к химическим реакциям в водном растворе.

На что похожа кровь? Такая соленая? О чем это может свидетельствовать?

По солевому составу кровь человека и морская вода очень близки. Кровь человека составляет десятую часть от всей жидкости в его теле (в среднем 5 л крови, из них 3,5 л – жидкая составляющая - плазма) и обеспечивает возможность обмена веществ в организме. Одна из ее главных функций, подобно воде в природе, - транспортная (перенос кислорода, питательных веществ, шлаков). Для поддержания жизни человек должен получать около 2,5 л воды в сутки (непосредственно и с пищей).

Попробуйте догадаться, сколько всего человек за жизнь потребляет и выделяет воды?

В среднем за всю жизнь человек потребляет и выделяет около 75 т воды, а все человечество – почти четвертую часть годового стока всех рек мира.

А сколько человек может прожить без воды? Не высохнет ли он как трава без дождя?

Без воды человек не проживет и недели, погибнет от жажды. Обезвоживание организма приводит к серьезным нарушениям функционирования различных органов. Человек тяжело переносит потерю 5% воды, а обезвоживание на 15-20% приводит к необратимым изменениям в организме и к смерти.

Как известно, кислород атмосферы, играющий исключительно важную роль в функционировании всех аэробных живых организмов, в том числе и человека, - биогенного происхождения.

А наши организмы выделяют кислород? Что это за процесс?

Более 150 млрд. тонн кислорода поставляют ежегодно в атмосферу фитопланктон и наземные растения за счет фотосинтеза – важнейшего биохимического процесса на нашей планете. С помощью масс-спектрометрии и использованием изотопной разновидности воды H₂ ¹⁸O было доказано, что источником кислорода при фотосинтезе служит вода. Попытайтесь написать эту реакцию сами, а потом запишем ее вместе.

nCO₂ +n H₂ ¹⁸O [CH₂O] + n¹⁸O₂

(формула [CH₂O]_n отражает не реальное вещество, а состав углевода).

Было также установлено, что более точное итоговое уравнение фотосинтеза имеет вид:

nCO₂ + 2 n H₂ ¹⁸O [CH₂O]_n + n H₂ ¹⁸O + n¹⁸O_2,

откуда следует, что в процессе фотосинтеза вода не только используется, но и образуется.

Когда кислорода стало очень много он стал превращаться в озон. Что случилось потом?

В свою очередь, кислород, образующийся как побочный продукт фотосинтеза, под действием мощного солнечного ультрафиолетового излучения образовал в стратосфере озоновый слой, защищающий белковые соединения от жесткой радиации, что позволило живым организмам выйти из Мирового океана на сушу.

Теперь, когда все приблизилось почти к современным условиям, установились круговорот веществ и энергии.

Опишите круговорот воды в городе?

Одновременно с образованием первичных гидросферы и атмосферы на земле зародился геологический круговорот воды. Этот планетарный круговорот воды продолжается до сих пор, в нем участвует и живая природа, теперь он имеет геобиохимический характер. «Любое проявление природной воды – глетчерный лед, безмерный океан, почвенный раствор, гейзер, минеральный источник – составляет единое целое, прямо или косвенно, но глубоко связанное между собой», - считал В.И. Вернадский.

Попытайтесь дать определение круговороту. Это очень важное понятие – необходимо осознать что в нашей крови есть вода, например, с древних ледников Антарктиды. Итак…

Круговорот воды в природе – это непрерывный процесс движения и обмена водой между различными составляющими гидросферы. Примерно за 3000 лет вся современная масса гидросферы испаряется, т.е. интенсивность возобновления воды достаточно велика. Обладая в миллион раз меньшей массой воды, чем масса гидросферы, живые организмы, главным образом растения, пропускают ее через себя (за время порядка 1 млн. лет). Таким образом, природная вода – это тоже продукт жизнедеятельности живых организмов. В круговороте воды на суше доминирующая роль принадлежит растениям, 2/3 осадков образуются за счет транспирации – испарения с поверхности листьев растений. «Вся масса воды, - писал В.И. Вернадский, - и в жидкой, и в газообразной, и в твердой форме находится в непрерывном движении, переполнена действенной энергией, сама вечно меняется и меняет все окружающее. Картина видимой природы определяется водой».

Важна ли была вода для древних? Как они относились к ней?

Велика роль воды в истории человеческой цивилизации. Вся практическая (хозяйственная) деятельность человека с самой глубокой древности связана с использованием воды. Вода – ценнейший природный ресурс, и нет ни одной отрасли хозяйства, где она не использовалась бы.

Как можно получить энергию из воды? Нарисуйте схему извлечения энергии из воды в домашних условиях.

Вода – один из важнейших техногенных источников получения энергии, прежде всего электрической. В настоящее время пятая часть вырабатываемой в мире электроэнергии приходится на гидроэлектростанции, при этом следует заметить, что и на тепловых электростанциях (в том числе и на АЭС) именно вода, превращенная в пар, вращает турбины и связанные с ними электрогенераторы.

Объемы воды в составляющих гидросферы

Около 70% поверхности Земли (361,2 млн. км²) покрыто водой морей и океанов. Вся же гидросфера занимает заметно большую поверхность, если учитывать ледники (16,3 млн. км², или 11% суши), озера и реки (2,3 млн. км², или 1,6%), а также болота и сильно увлажненные земли (около 3 млн. км², или 2%). Таким образом, гидросфера на нашей планете – это основная часть ее поверхности: более 380 млн. км², или свыше 75% площади поверхности Земли.

Гидросфера Земли содержит около 1,4 млрд. км³ воды. Данные о содержании воды в отдельных составляющих гидросферы приведены в таблице.

Когда отмечают, что 3/4 планеты покрыты водой, то имеют в виду только нижний предел этого значения, так как на самом деле поверхность, занимаемая гидросферой, существенно меняется. Ежегодно снежный покров зимой в Северном и Южном полушариях закрывает огромные пространства суши. Особенно большую территорию – более 42 млн. км² в среднем – снежный покров занимает на суше в зиму Северного полушария. Таким образом, в этот период площадь, занятая гидросферой, составляет более 83% поверхности Земли.

Общее количество воды в гидросфере постоянно, по крайней мере, в течение последнего геологического периода. Утечка воды в космос из-за фотодиссоциации молекул водяного пара в экзосфере компенсируется приходом воды на Землю за счет метеоритного вещества космического пространства (около 0,5 км³ в год) и первозданной (ювенильной) воды, извергаемой подводными вулканами и виде пара и горячих растворов (около 1 км³ в год). Учитывая вышесказанное и имея в виду планетарный круговорот воды, можно отнести воду к неисчерпаемым возобновляемым природным ресурсам.

Общие ресурсы пресной воды

Большое значение для жизни на Земле и хозяйственной деятельности человека имеет водный баланс пресной ветви планетарного круговорота воды. Пресной считается вода, в 1 л которой содержится не более 1 г. растворенных веществ (солей). Другими словами, пресная вода – это вода с соленостью не более 1%_о (одной промилле). Для сравнения: средняя соленность морской воды составляет 35%_о.

Как вы думаете связаны между собой соленая и пресная вода?

Отметим важнейший момент происхождения пресной воды – испарение и выпадение атмосферных осадков в системе «океан-атмосфера». Таким образом, соленая вода Мирового океана обеспечивает Землю пресной водой!

Где можно найти пресную воду? Многие города расположены по берегам рек, о чем это говорит?

Основные запасы пресной воды на земле сосредоточены в снежно-ледовых образованиях и в подземных водах – около 35 млн. км³, или 2,5% от всего объема воды в гидросфере. Хотя снежно-ледовые образования и подземные воды и играют существенную роль в водоснабжении некоторых районов, все же они труднодоступны, и в мировом масштабе их использование пока не имеет практического значения. Кроме того, пресные подземные воды располагаются лишь до глубины активного водообмена, формирующегося за счет атмосферных осадков, т.е. до глубины 200-1500 м.

Большая часть подземных вод, находящихся на нижних горизонтах, - соленые воды.

Непосредственно доступные пресные воды (пресные озера, содержащие 91 тыс. км³ воды, и реки) составляют лишь 0,007% от всей воды на земле, или 0,26% от общего запаса пресных вод на Земле. Самое большое в мире по запасам пресной воды оз. Байкал содержит 23 тыс. км³ воды, столько же – Великие американские озера. Таким образом, на эти озера приходится половина запасов воды пресных озер всего мира.

Структура водного фонда России такова:

Мировой океан – 93,6%;

подземные воды – 4%;

ледники, снежный покров – 2 %;

реки, озера и другие источники пресной воды – 0,4%.

По данным Атласа мирового водного баланса, с поверхности суши ежегодно испаряется и вновь возвращается на сушу примерно 70 тыс. км³ воды; с поверхности Мирового океана ежегодно испаряется около 500 тыс. км³ воды, большая часть этой испарившейся воды возвращается обратно в океан в виде осадков, а примерно 1/10 часть выпадает над сушей, пополняя через поверхностный и подземный стоки водные запасы рек. Это разность между осадками и испарениями определяет значение речного стока. Кроме этого, речной сток в скрытом виде включает в себя часть ресурсов подземных вод, которые также относятся к источникам питания рек и поддерживают их водный режим.

К этому значению можно добавить ледяной сток Антарктиды – 2,5 тыс. км³/ год и Гренландии – 0,5 км³/год, исходя из этих цифр, можно оценивать экологическую ситуацию с ресурсами пресной воды на Земле.

Обеспеченность водными ресурсами регионов и стран

Для определения степени обеспеченности регионов водными ресурсами необходимо рассчитывать удельные характеристики – объем воды, приходящийся на единицу территории или на одного человека.

В среднем на одного жителя Земли приходится 8 тыс. м³ пресной воды в год, на одного жителя Европы – 4,6 тыс. м³/год, для Азиатского контингента эта величина равна 5,2 тыс. м³/год. За последние 20 лет произошло существенное уменьшение водообеспеченности Азии, Африки и Южной Америки в связи с демографическим взрывом в этих районах.

Если рассматривать отдельные страны, то более других обеспечена пресной водой Бразилия (свыше 140 тыс. м³/год), где располагается бассейн крупнейшей реки мира – Амазонки, на втором месте по суммарному стоку (около 30 тыс. м³/год) стоит Россия.

Представьте себе конфликт из-за уменьшения количества пресной воды.

Средние показатели по материкам и даже по странам не могут дать истинного представления об обеспечении водой. Это объясняется неравномерным распределением водных ресурсов по территории. Неравномерность распределения ресурсов поверхностных пресных вод характерна для всего мира, и она стала первопричиной напряженной ситуации в ряде регионов и стран. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), в настоящее время трудности, связанные с обеспечением питьевой водой, испытывают около 2 млрд. человек – треть населения земного шара.

Наглядный пример – ситуация с водными ресурсами, сложившаяся в России. В целом Россия богата водными ресурсами: среднемноголетний суммарный речной сток в Российской Федерации составляет 4270 км³/год. Распределение речного стока по территории России крайне неравномерно и не соответствует расселению жителей, а также размещению производительных сил.

Около 90% общего поверхностного годового стока приходится на восточные районы страны, где проживает только около 25% населения страны. На европейскую часть, где сосредоточен основной промышленный и сельскохозяйственный потенциал страны, находятся крупные города и живет большая часть населения, приходится лишь 10% от общего годового речного стока. Таким образом, хозяйственно освоенные регионы Российской Федерации испытывают недостаток пресных водных ресурсов уже в силу только географических причин.

Одна из главных причин загрязнения водной оболочки Земли, приводящая к дефициту чистой пресной воды, - сброс в поверхностные (а через почву и в подземные) водоемы неочищенной или недостаточно очищенной воды, содержащей загрязняющие вещества.

Загрязнение окружающей природной среды – это поступление в нее веществ (твердых, жидких, газообразных), биологических агентов, энергии в количествах или концентрациях, превышающих естественный для данной экосистемы уровень.

Как отмечается в Декларации ООН «Об окружающей среде», любое вещество считается загрязнителем, если оно встречается в ненадлежащем месте, в ненадлежащем количестве и в ненадлежащее время. И эти место, количество и время «назначает» уже не природа – распорядительница жизни на Земле, а индустрия, создающая свои незамкнутые техногенные круговороты веществ, что приводит к антропогенному загрязнению всех компонентов биосферы.

Сточными водами называют воды, использованные на бытовые и производственные нужды и загрязненные при этом дополнительными примесями, изменившими их первоначальный химический состав и физические свойства.

Водный бассейн загрязняется атмосферными осадками, вымывающими из воздуха вредные техногенные выбросы, а также ливневыми стоками с городской территории. Интенсивное загрязнение водных объектов – поверхностных и грунтовых вод – дает современное сельское хозяйство с его массовым содержанием скота, интенсивным внесением в почву удобрений и использованием химических средств защиты растений от вредителей.

Значительное количество загрязнений поступает в водоемы от промышленных предприятий, а также от предприятий коммунального городского хозяйства. Например, сброс промышленных сточных вод в поверхностные водоемы Московского бассейна составляет значительную часть водопользования на территории Москвы и существенно отражается на состоянии водных экосистем и ресурсов Московского бассейна. По данным Департамента природопользования и охраны окружающей среды Правительства Москвы, доля сточных вод составляет почти 90% от всего объема воды, поступающей в реки Московского бассейна. По этой причине очистка сточных вод промышленных предприятий, расположенных в городе, до установленных санитарных норм – приоритетное направление обеспечения нормальной экологической ситуации в этом мегаполисе.

Для обезвреживания загрязненных вод, главным образом их разбавления после очистки, ежегодно в мире затрачивается около 9000 км³ чистой воды, что составляет 20% устойчивого стока всех рек земного шара, принимаемого за запасы чистой пресной воды на Земле.

В России в настоящее время в поверхностные водоемы ежегодно сбрасывается более 70 км³ сточных вод, 30% из которых – неочищенные или недостаточно очищенные. При полной очистке современными методами сточные воды в лучшем случае бывают очищены лишь на 90%, и они вносят в водоемы не меньше загрязнений, чем все неочищенные сточные воды 50 лет назад.

Необходимость очистки сточных вод (стоков) возникла в связи с непрерывным увеличением водопотребления и, соответственно, с образованием значительного количества сточных вод. К сожалению, несмотря на высокую эффективность работы очистных сооружений, многие стоки «нормативно очищенных вод» несут большое количество остаточных загрязнений, превышающих природную самоочищаемость водоемов.

Экологические исследования указали на тесную связь между выживаемостью отдельных представителей водной биоты – флоры и фауны – и степенью загрязнения воды. Изменение состава водной флоры отмечено даже при кратковременном увеличении загрязненности воды. К сожалению, такие тонкие биоиндикаторы не дают количественной оценки загрязненности воды, но могут служить сигналом о наличии неблагоприятных экологических условий. Количественная оценка загрязненности воды возможна лишь в том случае, если степень загрязнения достаточно велика и возможно нарушение нормального состояния водной экосистемы. Такой количественный анализ необходимо делать перед тем, как вода будет сброшена в почву и поверхностные водоемы.

Давайте теперь возьмем карту нашего города и найдем там нашу школу и близлежащие источники загрязнения воды.

Завод, находящийся к западу наверняка загрязняет воду, которую мы пьем.

Кажется, около него есть хвостохранилище. А почему бы нам не сделать в лаборатории анализ этой воды?

Занятие №2. Исследование качества воды.

Органические показатели воды