ВОДА КАК РЕСУРС И УСЛОВИЕ ЖИЗНИ

2. ВОДА КАК РЕСУРС И УСЛОВИЕ ЖИЗНИ.

2.1 Водные ресурсы земли.

Вода – самое распространенное вещество в природе. Она находится в свободном состоянии (океаны, моря, озера, реки, ледники), содержится в минералах, горных породах, почве и входит в состав живых организмов (50 – 90 % их массы, а в теле медузы и огурца – около 98 %). Планета Земля содержит около 16 млрд км3 воды, что составляет 0,25 % ее массы. Основная часть воды находится в глубинных зонах (мантии) Земли. По месту размещения воду разделяют на атмосферную, поверхностную и подземную[15].

Все водные источники (океаны, моря, реки, озера, водоемы, ледники, болота, атмосферные и подземные воды) входят в состав Мирового океана и образуют гидросферу планеты Земля. Большая часть поверхности планеты (около 71 %) покрыта водами Мирового океана. Общий объем воды в нем составляет 1 370 323 тыс. км3 – около 94 % всей воды планеты. Верхняя граница гидросферы проходит на высоте нижних слоев стратосферы до высоты озонового экрана (приблизительно на высоте 20 км). Вода в атмосфере находиться в парообразном состоянии и перемещается. Нижняя граница гидросферы проходит в литосфере на глубине 3 – 3,5 км от поверхности земли.

Кроме вод Мирового океана наибольшее количество воды находится в литосфере – подземные воды гидросферы (грунтовые, подгрунтовые, межпластовые безнапорные и напорные воды, воды трещин карстовых пустот). Подземные воды составляют 60 млн км3 , или 4,12 % общего объема, и находятся на различных глубинах (до нескольких сотен метров). Однако в зоне активного водообмена их содержится меньше чем 4 млн км3. В ледниках находится 24 млн км3 воды, в озерах и водохранилищах – 280 тыс. км3, в почвах – 85 тыс. км3, в атмосфере – 14 тыс. км3. Вода, находящаяся в руслах рек, составляет только 1,2 тыс. км3 (таблица 2.1)[14].

Таблица 2.1 Распределение массы воды гидросферы.

К поверхностным водам принадлежат воды океанов, морей, озер, рек, болот, ручьев и штучных озер. Океаны, моря и некоторые озера – соленые. В реках, большинства озер, прудах, штучных водохранилищах, болотах и ручьях вода пресная. Последнюю, как правило, используют для хозяйственного водообеспечения. Итак, на Земле большинство вод (почти 1.5 млрд км3) содержит значительное количество растворенных солей. К ним принадлежат воды океанов, морей, некоторых озер и большинства подземных вод вне зоны активного водообмена.

Пресная вода составляет незначительную часть гидросферы (менее 4 %). Основная масса пресной воды (до 77 %) находится в снего-ледниковом покрове[5]. Распределение воды в гидросфере достаточно неравномерно, про это свидетельствуют данные таблицы 2.1.

Наибольшие запасы пресной воды сосредоточены в снего-ледниковых покровах Антарктиды, Гренландии и Арктики. Вода в ледниках пребывает в твердом состоянии и характеризуется наименьшим содержанием солей среди известных водных источников в природе. Максимальная минерализация ледниковой воды составляет 3мг/л. Человечество, рассматривая водный баланс будущего, с надеждой смотрит на эту огромную «кладовую» пресной воды, где сосредоточено до 77 % всех запасов пресной воды нашей планеты. Уже существуют проекты буксирования айсбергов из ледников Антарктиды в Австралию, Южную Америку и другие регионы. По стоимости вода из ледников не будет превышать стоимости подземных или пресных вод.

В недрах Земли вода может существовать в жидком состоянии до глубины 5 км от поверхности, а отдельных случаях и до глубины 10 км. На большей глубине при высокой температуре вода превращается в пароводяную смесь. В критических условиях при температуре 374ºC для пресной воды и 425ºC для соленых насыщенных растворов и давлении 21,8 МПа она образует своеобразную водяную плазму, то есть исчезает отличия между паром и жидкой водой[1]. При этих условиях молекулы жидкой воды приобретают скорости молекул газа, а ее плотность приближается к плотности жидкой воды.

Подземная вода может пребывать в свободном, парообразном и физически связном состоянии. К физически связной воде обычно принадлежит крепко связная гигроскопическая вода, которая удерживается молекулярными силами на поверхности частичек породы. На больших глубинах при высоком давлении, которое достигает сотен мегапаскалей, вода выдавливается из породы и переходит в свободное состояние. К физически связной воды принадлежит также капиллярная вода, которая под действием капиллярных сил перемещается в тонких порах и трещинах.

В мировых запасах пресной воды часть подземных и грунтовых вод составляет около 22,4 %[5].

Подземные воды заполняют поры, трещины и пустоты, тесно контактируют с почвой и породами земной коры. Для них характерно слоевое размещение водоносных горизонтов (рисунок 2.1), которые отделены водонепроницаемыми пластами пород, слабая связь с атмосферой, незначительное развитие биологических процессов, бедность форм жизни, повышенные температура и давление. Все это содействует меньшему загрязнению вод нечистотами и микроорганизмами, благодаря чему они по качеству приближены к питьевым водам. Находясь на значительных и различных глубинах, они характеризуются стабильным химическим составом, содержат больше полезных для здоровья человека веществ (соединений Кальция, Йода и др.). однако и подземные воды могут загрязняться, если фильтровального слоя пород недостаточно.

Рис. 2.1. Схема залегания

подземных вод[14]:

1 – верховодка; 2 – межпластовые безнапорные воды;

3 – грунтовые воды; 4 – межпластовые напорные воды

По глубине залегания подземные воды разделяют на три зоны. Верхняя зона, глубина которой в большинстве случаев составляет 2 – 6 м (см. рисунок 2.1), но может достигать 20 – 60 и даже 300 м, имеет активный водообмен, и подвергается действию фильтрационных атмосферных осадков и в некоторой мере атмосферного воздуха.

С хозяйственно-питьевой целью используют преимущественно воду верхней зоны. Качество воды зависит от типов почв и пород, размещенных ниже. Почвы торфяно-тундровой зоны обогащают воду органическими соединениями растительного происхождения. Это относиться также и к болотным водам. Черноземы, каштановые и солончаковые почвы обуславливают появление в воде преимущественно минеральных веществ. С увеличением глубины залегания воды уменьшается число микроорганизмов и на глубине6 м и более оно равняется нулю. Слой почвы толщиной 3,5 – 4 м на полях фильтрации задерживает до 90 % микроорганизмов.

Хозяйственная деятельность человека содействует загрязнению подземных вод. На химический состав этих вод наиболее влияет интенсивное развитие промышленных городов и химизация сельского хозяйства, которое сопровождается появлением значительного количества сточных вод и газовых выбросов. При этом в атмосферу, почвы и поверхностные воды попадают различные органические и неорганические вещества. Биологическое загрязнение подземных вод обуславливают различные микроорганизмы (бактерии, вирусы и др.). Наименее безопасным является загрязнение воды болезнетворными микроорганизмами, которые могут поступать в грунтовые воды с полей фильтрации, скотных дворов, выгребных ям и т. д.

В подземных водах растворяется большое количество газов – кислорода, азота, оксида углерода (VI), метана, сероводорода, водорода (до 1000 – 1500 см3/л). Общая масса в растворенных подземных водах газов превышает их содержание в Мировом океане (до 20 см3/л) и приближается к уровню всей атмосферы Земли.

Все другие составные гидросферы, кроме вод Мирового океана, подземных и снего-лендниковых образований, являются, малыми составными гидросферы составляют незначительную часть мировых запасов пресной воды. Наибольшее количество пресной воды содержится в прудах и озерах (около 0,28∙1015 т), которых на Земле насчитываются миллионы. Некоторые из озер имеют очень большие размеры и достаточно глубоки. Больше всего пресной воды содержится в озере Байкал в России, которое имеет глубину 1620 м.

Озера различаются как по составу, так и по концентрации растворенных в их водах веществ. По своему составу они приближаются к подземным водам. В засушливых и пустынных зонах Земли преобладают соленые и солоноватые озера. Например, в озере Виктория содержание солей в 11 раз больше, нежели в океанических водах.

Болота являются промежуточным звеном биосферы между озерами и подземными водами. Значительное их количество находится в умеренных и высотных широтах. В них нагромождается болотный торф, в состав которого входит углерод. К болотам принадлежат переувлажненные почвы, которые в большинстве своём распространены в тропических районах. В них торф не нагромождается, поскольку органические вещества разлагаются полностью. Общая площадь болот и переувлажненных почв составляет около 3 млн. км2[5]. В прибрежных морских районах вода в болотах бывает соленой или солоноватой.

Грунтовые воды по интенсивности обмена с поверхностными водами и атмосферой подобны поверхностным водам, по действию капиллярных сил – к подземным водам, а по содержанию различных веществ (газов, органических соединений и организмов) – это среда, в которой интенсивно протекает биогеохимические процессы. Последние обеспечивают плодородность почв. Массу пресной озерной и болотной воды оценивают в 0,35 % от общей пресной воды на Земле.

Речки и ручьи – источники пресной воды, которая обновляется наиболее быстро в сравнении с другими составными биосферы. Имея небольшую мгновенную массу (около 1,2∙1012 т), они втечение года доставляют воды в 37-38 раз больше (около 4,5∙1013 т), нежели сами водоемы. Средняя минерализация этих вод ~ 90 мг/л. Соленые реки встречаются очень редко. Это в большинстве своём реки, которые питаются солеными подземными водами или имеют в своих руслах залежи солей. Химический состав речных вод определяется преимущественно особенностями почв, растительности, климата территорий, по которым они текут, и характеризуется средними показателями (таблица 2.2)

Таблица 2.2. Средний химический состав речных вод, мг/л[14].

 Общая масса воды в живых организмах составляет около 1,12∙1012 т.

Вода в биосфере пребывает в непрерывном движении, принимает участие в геологическом и биологическом круговоротах веществ. Круговорот воды в природе – это непрерывный процесс движения и обмена водой между составными гидросферы под влиянием тепла и гравитационных сил. Под действием тепловой радиации солнца вода испаряется с поверхности океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, прудов и суши и поступает в атмосферу. В атмосфере водяной пар конденсируется с образованием облаков. Кроме того, водяной пар охлаждается, конденсируется и под действием гравитационных сил выпадает в виде осадков – дождя, снега, града. Итак, вода переходит из одного агрегатного состояния (газового) в другое (жидкое или твердое) и перераспределяется по поверхности Земли, способствует движению поверхностных и подземных вод и даже течениям в океанах и морях.

В круговороте принимают участие все воды гидросферы, которые тесно связаны между собой. Однако, скорость перемещения отдельных видов воды (океанической, атмосферной, ледниковой, грунтовой, озерной, биологической) неодинакова. Поэтому продолжительность их обновления очень отличается и колеблется в широких границах (таблица 2.3) – от нескольких часов для биологической воды до десятков тысячелетий для подземных вод.

Таблица 2.3. Продолжительность периодов обновления запасов воды на Земле[9].

Исходя из данных таблицы 2.3, следует, что наиболее быстро обновляются биологические воды. Вследствие транспирации растений в атмосферу поступает большая часть грунтовой влаги. Атмосферная влага образуется за счет испарения с поверхностей водоемов, обновляясь, в среднем, каждые 8 суток.

Запасы воды в руслах рек, в среднем, полностью обновляются втечение 16 суток, и для отдельных континентов длительность периода обновления колеблется в пределах 9-16 суток. Из пресных вод наиболее медленный обмен характерен для ледников горных районов и полярных материков. Обновление запасов воды в горных ледниках происходит за счет осадков, а расходование – в результате таяния и испарения. Наибольшее количество пресной воды сосредоточено в ледяной оболочке Антарктиды. Расходование аккумулированной во льде воды происходит достаточно медленно через испарения и сползание льда в океан.

Грунтовая влага, которая имеет приблизительно годовой цикл наслоения, затрачивается преимущественно на испарение и транспирацию и частично на стекание в русла рек.

Обновление вод озер колеблется в широких границах: от 1 года для малых озер засушливых районов до нескольких сотен лет для наибольших озер. Так, обновление водных запасов Байкала происходит втечение 380 лет. Свободные воды земной коры до глубин 2000 м обновляются втечение 1400 лет. Подземные воды расходуются как в результате дренирования их реками, так и вследствие непосредственного попадания их в океан. Активность водообмена подземных вод зависит от глубины залегания и уменьшается с увеличением расстояния от земной поверхности. Наиболее быстро обновляются воды верхних горизонтов, залегающие на глубине не более 200 м от поверхности. Очень медленно обновляются солоноватые воды в глубоких горизонтах, которые превращаются в соленые воды и рассол, которые часто имеют застойный характер.

Количество влаги, поступающей из океанов на сушу, различно для отдельных районов мира. Общая величина речных осадков составляет почти 119 тыс. км3. Если бы все осадки равномерно распределились по всей площади суши, то толщина их слоя составляла бы 6 800 мм. Наименьшее количество осадков выпадает в Антарктиде и Австралии, где их среднегодовые величины соответственно равняются 178 и 456 мм. Суммарное количество осадков тут составляет 5,2 % от общего количества осадков, выпадающих на сушу, тогда как площадь континентов составляет 13 % всей площади суши. В Азии и Южной Америке, площадь которых составляет 41 % суши, выпадает 50 % всей суммы осадков.

Средняя величина стока всех рек мира составляет 46 800 км3 за год. Наибольший сток приходится на Азию – 31 %, Южную(26 %) и Северную(17 %) Америку, Африку – 10, Европу – 7, Антарктиду – 5, Океанию – 4 %[15].

В связи с возрастанием численности населения планеты водообеспеченность одного жителя постоянно уменьшается. Так, втечение 1971-1994 гг. величина речного стока, которая приходится на одного жителя втечение года, в Европе уменьшилась на 8 %, в Северной Америке – на 27, в Австралии и Океании – на 29, в Азии – на 38, в Южной Америке – на 42, в Африке – на 58% . Водообеспеченность одного жителя Земли в 1971 г. составляла 12,9 тыс. м3 в год, т.е. за период с 1971 до 1994 г. водообеспечение уменьшилось на 36 %[11].

Распределение водных ресурсов на земной поверхности неравномерно как в границах континентов, так и в границах каждого из них. Так, в Европе величина стока изменяется от 5 000 мм на южно-западном побережье Норвегии до 15 мм в южно-восточных районах европейской территории Российской федерации. На юго-востоке Азии сток составляет более 4 000 мм и уменьшается до 1 мм в засушливых районах Средней и Центральной Азии. Африка, за исключением экваториальных районов бассейна Конго в северо-восточной области, является сухим континентом. Наиболее сухим материком является Австралия, на значительной части которой сток не превышает 1 мм. Итак, в Европе и Азии, где сосредоточено 73,5 % населения мира (на 1994 г.), выпадает лишь 38 % мировых запасов пресных вод. В Южной Америке, где проживает 5,6 % населения мира, водные ресурсы составляют 25 % общего объема мирового речного стока[8].

Сток рек очень неравномерно распределен втечение года. Большая его часть (60-70 %) выпадает на паводковый период, и для разных континентов он изменяется в разные месяцы. Так, в Европе 48 % стока происходит в апреле – июле, в Азии 80 % стока – в мае-октябре, в Африке 74 % стока – в январе-июне, в Северной Америке 54 % стока – в мае-августе. Итак, многоводный сезон охватывает март-сентябрь. Втечение этого периода поступает до 70 % годового стока, поэтому запасы воды на континенте увеличиваются на 28 %. В общем, для всей суши Земли многоводный сезон длится с мая по октябрь. За это время все реки мира сбрасывают 63 % речного стока. Суммарные запасы пресных вод на всех континентах увеличиваются на 26 %[8]. Неравномерность распределения втечение года суммарного стока рек отдельных континентов и всего мира обуславливает необходимость его искусственного регулирования, создавая водохранилища различного предназначения.