АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ 

НА  ГИДРОСФЕРУ

1. 1.Основные сведения о гидросфере

      Гидросфера — это совокупность всех вод Земли: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических, атмосферных. Как особая водная оболочка Земли, здесь рассматриваются лишь воды, находящиеся на поверхности планеты — материковые и океанические. Вследствие высокой подвижности воды проникают повсеместно в различные природные образования. Они находятся в виде паров и облаков в земной атмосфере, формируют океаны и моря, существуют в замороженном состоянии в высокогорных районах континентов и в виде мощных ледяных панцирей покрывают полярные участки суши. Атмосферные осадки проникают в толщи осадочных пород, образуя подземные воды. Вода способна растворять в себе многие вещества, в связи с этим воды гидросферы можно рассматривать в качестве естественных растворов разной степени концентрации.

      Гидросфера  находится в тесной зависимости  с литосферой (подземные воды), атмосферой (парообразная влага) и живым веществом  биосферы, в которое она входит в качестве обязательного компонента (табл.1)

                                                             Таблица 1

      Распределение водных масс в гидросфере Земли  
 

      Подавляющая часть массы природных вод (94,2%) — это воды Мирового океана, представляющего собой уникальную природную систему. Здесь происходит грандиозный процесс обмена, трансформации энергии и вещества нашей планеты (рис. 1)

                                                 2

        Энергетика гидрологического цикла

Примечание: энергетика гидрологического цикла  представлена в виде двух путей: верхний  приводится в движение солнечной энергией, а нижний отдает энергию рекам, озерам, заболоченным землям и выполняет работу, полезную для человека, например ГЭС. Поверхностный сток пополняет резервуары грунтовых вод и сам пополняется от них 

      Различные физические, химические и биологические  процессы объединяются, образуя единую природу океана — древнейшую область биосферы Земли. Со времени образования океана протекало изменение его природы под воздействием различных природных процессов (солнечного излучения, геологических и геохимических факторов) и, что весьма важно, биологических процессов. Биологические процессы проявлялись и проявляются в развитии живых организмов, в усвоении солнечной энергии и накоплении свободной энергии в самих телах организмов, в биологической продуктивности и осадкообразовании на всей площади дна Мирового океана, в формировании различного рода органогенных илов.

      Наиболее  чистые атмосферные воды содержат 10—50 мг/л растворенных веществ. Морская (океаническая) вода представляет собой раствор, содержащий в среднем в 1 кг 35 г вещества. Можно считать, что в морской воде присутствуют все химические элементы таблицы Менделеева.  
 

      3

      Однако  преобладающая часть растворенных веществ сложена немногими химическими элементами: натрий, магний, кальций, хлор, углерод, сера. Они находятся в морской воде в виде ионов различного типа. Например, можно  

      выделить  катионы: Na¹⁺, Mg²⁺, Са²⁺ и анионы С1^1-, SО₄^2-; HCO₃^1-; .СО₃^2-

      Другие  химические элементы присутствуют в  морской воде в более низких концентрациях, чем главные ионы. Некоторые элементы, несмотря на относительно низкую концентрацию, играют важную роль в химических процессах моря и в морских организмах. Здесь ведущая роль принадлежит азоту, фосфору, кремнию, усваивающимся живыми организмами, а их концентрация в морской воде контролируется ростом и размножением морских животных и растений.

1.2. Роль воды в природе и жизни человека

      Откуда  появилась вода на Земле? До сих пор на этот, казалось бы, простой вопрос нет однозначного ответа. За миллиарды лет существования планеты ее океаны вполне могли бы наполниться водой от вулканических извержений, доставляющих и сейчас на поверхность из глубин планеты миллионы тонн воды ежегодно. Но если подсчитать, сколько за это время упало на Землю метеоритов, содержащих воду, и сколько воды образовал на подступах к планете поток водородных ядер — протонов, посылаемых Солнцем, а он и сейчас дает по 1,5 тыс. т воды ежегодно, то реальным окажется и космический источник. Существует гипотеза, согласно которой вода пронизывает всю нашу планету, до самых далеких ее глубин, где она активно перемещается, используя фазовые переходы и способность растворять. Она образует единую дренажную оболочку Земли, с которой непосредственно связаны месторождения многих полезных ископаемых, в особенности нефти и газа.

      Химическая  формула воды — Н₂О — поражает своей простотой. Однако кажущаяся столь простой вода по своей структуре и свойствам — вещество совершенно уникальное.

      Вода  является одним из самых сложных  веществ, как с физической, так  и химической точек зрения. Вода относится к веществам, которые  наиболее трудно получить в чистом виде. Чистая вода всегда является смесью легкой воды (Н₂О) и очень малых количеств тяжелой и сверхтяжелой воды.

      Вода — это вещество, физические константы которого отличаются наибольшим количеством аномалий.

      1. При нагревании от 0 до 4°С объем воды не увеличивается, а уменьшается, и максимальная плотность достигается не в точке замерзания (0°С), а при 4°С. 

      4

      2. При замерзании вода расширяется, а не сжимается, как все другие тела, плотность ее уменьшается. 

      3. Температура замерзания воды с увеличением давления понижается, а не повышается.

      4. Удельная теплоемкость воды чрезвычайно велика по сравнению с удельной теплоемкостью других веществ.

      5. Вследствие высокой диэлектрической постоянной вода обладает большей растворяющей и дисоциирующей способностью в сравнении с другими жидкостями.

      6. У воды самое большое поверхностное натяжение из всех жидкостей: 75×10^-3 Дж/м².

      Одна  из причин аномалии — в особенностях строения и способности молекул воды к сильному взаимодействию. Благодаря аномалии воды в конечном счете обеспечивается жизнь на Земле. Вода, как известно, может находиться в жидком, твердом и газообразном состояниях. Она остается жидкостью в температурных интервалах, наиболее подходящих для жизненных процессов. Для огромной массы организмов вода является средой их жизни и эволюции. В определенное время года жидкая вода может замерзнуть и покрыться льдом. При замерзании при 0°С вода превращается в лед, при этом происходит расширение объема на 10%. Замерзание идет сверху вниз, лед легче воды и плавает на поверхности. Эта особенность имеет большое значение для жизни обитающих в водоемах (водных системах) организмов. Если бы лед был тяжелее воды, водоемы промерзали бы до дна и жизнь в них замирала.

      Высокая удельная теплоемкость, медленное нагревание и охлаждение наряду с другими  факторами определяют годовые, суточные и даже часовые колебания температуры океанов и озер. Эти колебания заметно отличаются от изменений температуры на суше. Указанное свойство воды определяет различие в температурном режиме почв, в конечном итоге оказывает существенное влияние на жизнь водных и почвенных организмов. Жизнь в воде многообразнее, чем на суше.

      Природные воды находятся в сложных обратимых  взаимоотношениях с организмами, горными  породами, атмосферой. Происходящий в  природе круговорот самоочищающейся воды — вечное движение, обеспечивающее жизнь на Земле, — оценивают в 483 000 км. Присутствующий в атмосфере водяной пар играет роль фильтра для солнечной радиации, а вода на земной поверхности служит своего рода мощной буферной системой, смягчающей действие экстремальных температур.

      Вода  является главным фактором, определяющим климат на поверхности Земли.

      Главная роль воды состоит в том, что она  является средой и источником водорода для жизненных процессов. Практически  все органические вещества биосферы представляют собой продукт фотосинтеза,

      5

        при котором растения используют световую энергию для соединения двуокиси углерода с водой. Без воды, как известно, фотосинтез не может происходить. Процесс, которому обязана вся жизнь нашей планеты. Вода — единственный источник кислорода, выделяемый в атмосферу при фотосинтезе. Вода необходима для биохимических и биофизических процессов, обеспечивающих возможность жизни на Земле. Образно говоря, в капле воды заключена жизнь (рис. 2).  

      Рис. 2. В капле воды заключена жизнь 

      Вода  составляет 89— 90% массы растений и 75% массы животных. В составе человеческого тела воды 65%. Вода служит постоянным участником интенсивных биохимических процессов, происходящих в человеческом организме. Ни один жизненный процесс не совершается без нее. Нарушение водного баланса ведет к серьезным сдвигам в организме человека. При утрате 6—8% влаги от массы тела человек впадает в полуобморочное состояние, при потере 12% и выше процентов влаги наступает смерть. Сколько же человеческому организму нужно воды?

      Ученые считают, что в среднем человеку нужно 2,5 литра воды в сутки, при этом один литр приходится на питьевую воду. Однако при определенных условиях потребность в воде возрастает до 4—5 л, а в условиях жаркого климата при низкой влажности воздуха достигает 6 л и более. Человек может

      6

      прожить без пищи пять-шесть недель, без  воды — пять дней. Здесь уместно привести слова Дж. Байрона: «Не испытав страданий жажды, нельзя постичь, как много значит для людей вода».

      Главным потребителем воды на Земле является человечество и его деятельность. И не случайно все великие цивилизации древности возникали и развивались вблизи воды, в больших речных долинах. Не существовало ни одной великой цивилизации в местности, лишенной воды.

      Подводя итог вышесказанному, следует еще  раз подчеркнуть, что вода — хранитель и распределитель на нашей планете солнечной энергии, главный творец климата, ежедневной погоды, аккумулятор тепла и, что особенно важно, необходимейшее условие жизни на планете. И нет на Земле ничего, к чему надо было бы относиться с большим вниманием и осторожностью, чем к столь привычной для нас воде. По образному выражению академика А. Л. Карпинского, «вода — это живая кровь, которая создает жизнь там, где ее не было».

1.3. Запасы пресной воды

      Из  общего количества воды на Земле столь нужная для человечества пресная вода составляет немногим более 2% общего объема гидросферы, или примерно 28,25 млн км³ (табл. 2).

                                                            Таблица 2

      Пресные воды гидросферы  

      Нужно учесть, что основная часть пресных вод (около 70%) заморожена в полярных льдах, вечной мерзлоте, на горных вершинах. Воды в реках и озерах составляют лишь 3% суши, или 0,016% общего объема гидросферы. Таким образом, воды, пригодные для всех видов использования, составляют ничтожную часть общих запасов воды на Земле. Проблема усложняется и тем, что распределение пресной воды по земному шару крайне неравномерно. В Европе и Азии, где проживает 70% населения мира, сосредоточено лишь 39% речных вод.

      Россия  по ресурсам поверхностных вод занимает ведущее место в

      7

      мире. Только в уникальном озере Байкал сосредоточено около 1/5 мировых запасов  пресной воды и более 4/5 запасов  России. При общем объеме 23 тыс. км³ в озере ежегодно воспроизводится около 60 км³ редкой по чистоте природной воды.

      Среднегодовой суммарный сток рек Российской Федерации  в 90-х гг. XX в.составляет 4270 км³ в год, в том числе из сопредельных территорий в Россию поступает 230 км. ЭВ, год.

      Потенциальные эксплуатационные ресурсы подземных  вод в России около 230 км³ в год.

      В целом в России на одного жителя приходится 31,9 тыс. м³ пресной воды в год. Однако распределение пресной воды, в первую очередь речного стока, по территории крайне неравномерно и не соответствует численности населения и размещению промышленных предприятий (табл. .3).

                                                            Таблица 3

      Распределение речного стока  по некоторым экономическим  районам России  

      90% общего годового объема речного стока приходится на бассейны Северного Ледовитого и Тихого океанов. На бассейны Каспийского и Азовского морей, где проживает свыше 80% населения России и сосредоточен ее основной промышленный и сельскохозяйственный потенциал, приходится менее 8% общего годового объема речного стока. Водообеспеченность на 1 км² территории колеблется от 130 тыс. м³ в Центрально-Черноземном районе до 610 тыс. м³ — в Волго-Вятском, а на одного жителя — от 2,8 тыс. км³ в Центрально-Черноземном до 307,5 тыс. км³ в Дальневосточном. Недостаточно обеспечены собственными водными ресурсами Ростовская, Астраханская, Липецкая, Воронежская, Белгородская, Курганская области, республика Калмыкия и некоторые другие территории.

      В Курганской области в среднем  на одного человека приходится в год 1,15 тыс. м³ водных ресурсов, что в 6,6 раза меньше, чем по Уральскому региону, и в 27,7 раза меньше, чем в целом в Российской Федерации.

      8

1.4. Использование водных ресурсов

      Мы  ошибочно полагали, что в распоряжении человечества находятся неисчерпаемые  запасы пресной воды и что они достаточны для всех нужд. Следует повторить еще раз, что это было глубоким заблуждением. Человечеству не угрожает недостаток воды. Ему грозит нечто худшее — недостаток чистой воды.

      Проблема  недостатка пресной воды возникла по следующим основным причинам:

      1. Интенсивное увеличение потребностей в воде в связи с быстрым ростом народонаселения планеты и развитием отраслей деятельности, требующих огромных затрат водных ресурсов.

      2. Потери пресной воды вследствие сокращения водоносности рек и других причин.

      3. Загрязнение водоемов промышленными и бытовыми стоками.

      Потребности же в чистой, пресной воде с каждым годом растут. Достаточно отметить, что на производство 1 т стали расходуется 250 м³, меди — 500 м³, целлюлозы — 1500 м³ воды. Крупнейшим водопотребителем является сельское хозяйство. Для получения 1 т пшеницы требуется 1500 м³ воды, а 1т хлопка—10000 м³. За вегетационный период на 1 га кукурузы расходуется 3000 м³, капусты — 8000 м³, риса — 12 000—20 000 м³ воды.

      Распределение и использование водных ресурсов России в 90-х гг. XX в. по Т.А. Акимовой, В.В. Хаскину (1994) представлено на рис. 3.

      Рис. 3. Распределение и использование водных ресурсов

                       России

      9

      Расход  воды на промышленные нужды составлял 40%, сельское хозяйство — 24%, бытовые расходы — 17%. Суммарный объем забора свежей воды, например, в 1991 г., равнялся 3% сред-немноголетнего стока. Однако по ряду бассейнов рек (Кубань, Дон, Терек, Урал, Исеть, Миасс, Тобол и др.) величина водозабора достигает 50% и более, что превышает экологически допустимый отбор воды. 
 
 

1.5. Источники загрязнения воды

      Источник, вносящий в поверхностные  или подземные  воды различные вредные  вещества, микроорганизмы или тепло, называется источником загрязнения, вещество, нарушающее нормы качества воды, -загрязняющим. Природные воды могут быть загрязнены самыми различными примесями, которые разделяют с учетом их биологических и физико-химических свойств на группы. К первой группе относятся вещества, растворяющиеся в воде и находящиеся там в молекулярном или ионном состоянии. В природной воде могут присутствовать в растворенном виде различные газы (кислород, азот, диоксид углерода, сернистый газ и др.), а также растворимые соли (натрия, калия, кальция, аммония, алюминия, железа, магния, марганца и др.). Можно установить их наличие с помощью химического анализа, потому что растворенные примеси не задерживаются ни песчаными, ни бумажными фильтрами. Вторая группа примесей — те, что образуют с водой коллоидные системы и взвеси. Коллоидные системы образуются из практически нерастворимых веществ. Они задерживаются мембранами — тонкими пленками из коллодия или бычьего пузыря. В коллоидном состоянии могут находиться вещества минерального и органического происхождения. При длительном отстаивании частицы песка, глины, образующие в воде взвеси, способны осаждаться.

      Вода  может иметь загрязнения биологического характера: бактерии, вирусы, водоросли, простейшие, черви и т. д. Бактерии образуют устойчивые взвеси, а водоросли — целые «подводные луга», на дне водоемов может быть много червей.

      В 90-х гг. XX в. антропогенное загрязнение природных вод стало носить глобальный характер и существенно сократило доступные эксплуатационные ресурсы пресной воды на Земле.

      Основными источниками загрязнения являются промышленные и коммунальные канализационные стоки, смыв с полей части почвы, содержащей различные агрохимикаты, дренажные воды систем орошения, стоки животноводческих ферм, попадание в водоемы с осадками и ливневыми стоками аэрогенных загрязнений (рис. 4).

      10

      Годовой объем промышленных коммунально-бытовых и сельскохозяйственных стоков в мире достиг 6,7%, или около 2,5 тыс. км естественного речного стока на планете, а по наличию примесей в воде практически сравнялся с ним. Антропогенные загрязнения воды по сравнению с природными водами (растворы и взвеси) более опасны и во много раз сильнее снижают ее качество.

      Среди загрязнителей воды наибольшую опасность представляют фенолы, нефть и нефтепродукты, соли тяжелых металлов, радионуклиды, пестициды и другие органические яды, биогенная органика, насыщенная бактериями, минеральные удобрения и т. д. Общая масса основных антропогенных загрязнителей гидросферы достигла 15 млрд. т в год. Большая часть этих загрязнителей приходится на реки, где средняя их концентрация достигла 400 мг/л. 

      Рис. 4. Сброс отходов производства в водоем

      Наибольшая  нагрузка из крупных речных бассейнов, как по водопотреблению, так и по загрязнению приходится на Волгу, Днепр, Дунай и Рейн в Европе; Урал. Миасс, Исеть, Тобол на Урале; Ганг, Хуанхэ и Янцзы в Азии; реки. Св. Лаврентия, Колорадо и Миссисипи в Америке.

      Объем хозяйственных стоков в реки европейской  части России, Белоруссии, Украины и Средней Азии увеличился в 5 раз. В России в 1991 г. со сточными водами было сброшено в водоемы (в тыс. т): 1200— взвешенных веществ, 190— аммонийного азота, 58 - фосфора, 50 - железа, 30 - нефтепродуктов, 11 — СПАВ, 2,1 — цинка, 0,8 — меди, 0,3 — фенолов и т. д.

      11

      Все большая опасность загрязнения  грозит и уникальному озеру Байкал. В 1990 г. объем хозяйственных стоков составил

      Мнения  рН водной среды в результате загрязнения  оказывает отрицательное влияние на организмы. У пресноводных озер и рек рН воды обычно 6-7, организмы адаптированы именно к этому уровню. Изменение реакции воды всего на одну единицу рН по сравнению с оптимумом приводит в большинстве случаев к стрессу, а нередко и к гибели организмов. Подкисление озер и рек влияет и на сухопутных животных, так как многие птицы и звери входят в состав пищевых цепей, начинающихся в водных экосистемах.

      Сброс канализационных стоков, особенно неочищенных  или недостаточно очищенных, оказывает  отрицательное влияние на круговорот органического вещества в водоеме, грозит опасностью инфекционных заболеваний, в первую очередь человека (рис. .5).