Источники водного баланса и водоохранные зоны России

Глава 1. Источники водного баланса и водоохранные зоны России.

1.1. Составляющие водного баланса и их режим

1. Атмосферные осадки

Атмосферные осадки – один из главных факторов формирования стока рек и главный параметр стоковых характеристик – образуется при конденсации водяного пара, содержащегося в атмосфере, в тех случаях, когда его упругость равна или превышает упругость насыщенного пара при данной температуре воздуха. Водяной пар достигает стадии насыщения обычно поднятии воздушных масс, вследствие сильного прогрева атмосферы либо при прохождении атмосферных фронтов.

Атмосферные осадки в основном выпадают в капельножидком состоянии в виде дождя и мороси, реже – в твердом состоянии в виде снега, крупы и града. Формирование снежного покрова имеет большое режимообразующее значение, поскольку осадки, выпавшие в одни месяцы, формируют половодье и питают подземные воды в другие. Кроме того, снежный покров, обладая малой теплопроводностью, уменьшает степень промерзания почв и водоемов. В северном полушарии доля твердых осадков становится существенной (более 5%). Затем количество твердых осадков увеличивается до 40-50% к северо-востоку. На севере Африки, на юге Азии и в Южном полушарии осадки формируются в основном в горах. В Южной Америке доля твердых осадков к югу составляет 5% – 17%. В Антарктиде твердые осадки преобладают на протяжении всего года.

Режим атмосферных осадков определяется общими климатическими условиями, характером атмосферных процессов, удаленностью от океанов и морей, рельефом. Некоторое влияние на осадки оказывает лес и большие внутренние водоемы.

2. Конденсация водяных паров

В результате конденсации водяного пара на поверхности Земли образуется роса, иней, изморозь и гололед. В течение года в умеренных широтах роса может дать слой осадков 10-50 мм. Изморозь, образуясь в морозную туманную погоду на ветвях деревьев и опадая на почву, может дать дополнительный запас влаги, достигающий 10% общего слоя осадков. Воздух, заполняющий поры и трещины горных пород, содержит водяной пар, движение которого происходит от зон с большей к зонам с меньшей его упругостью. В теплый период упругость водяного пара в атмосфере выше, чем под землей, вследствие чего происходит перемещение влаги под землю и ее конденсация в подово-трещинных коллекторах. В холодный период пары воды выносятся из них, но, как правило, не поступают в атмосферу, а конденсируются в поверхностном слое почвы или на нижней поверхности снежной толщи, формируя своеобразный «малый круговорот» влаги.

Наиболее благоприятные условия для интенсивной конденсации присущи районам с континентальным климатом, с большими суточными колебаниями температуры воздуха и почвы, приморских горных и карстовых районов. Конденсация достигает максимума в июне – июле, снижаясь до нуля в апреле и октябре. Она должна учитываться в водном балансе речных водосборов с малым количеством атмосферных осадков, где может составлять до 16% разности «осадков-испарения». В водном балансе крупных территориальных единиц и континентов конденсация обычно не учитывается.

3. Испарение

Испарение – главный источник поступления водяного пара в атмосферу и основная составляющая водного баланса территории различных размеров. В настоящее время определение испарения приобретает огромное значение при оценке водных ресурсов отдельных районов, проектирования и эксплуатации систем осушения, орошения и пр.

Различают следующие показатели: испаряемость и испарение. Испаряемость – это максимально возможное при данных условиях испарение с хорошо увлажненной подстилающей поверхности. Испарение – это количество влаги, потерянной с поверхности почвы или снега (физическое испарение, или эвапорация), либо растительным покровом (Биологическое испарение, или транспирация).

Режим испарения определяется метеорологическими условиями (дефицит влажности воздуха, интенсивность вертикального переноса водяного пара) и состоянием подстилающей поверхности (влажность и водно-физические свойства почв и горных пород).

4. Поверхностный  сток

Речной сток, в отличие от других составляющих водного баланса, - интегральная характеристика речного бассейна. Расход воды, определенный в каком-либо створе, представляет собой суммарный сток с площади, расположенной выше данного створа. Впервые измерения речного стока начаты в 1800-1810 гг. на территории Европы. Продолжительность самых надежных стоковых рядов не превышает 100-150 лет.

Совокупное изменение во времени расходов воды, уровней, уклонов и скоростей течения называется водным режимом реки.

Существуют четыре основных источника питания рек: жидкие осадки; твердые осадки; высокогорные снега и ледники; подземные воды. Соотношения между количествами воды, поступающими в реки из различных источников, изменяются от сезона к сезону для одной реки и неодинаковы в разных районах.

Источники питания рек количественно легко определить по гидрографу. Подземное питание можно выделить тремя основными методами. Первый – простейший из них: исходят из предположения, что подземное питание фиксируется минимума стока, которые соединяются прямыми линиями. Недостаток способа – недоучет особенностей стока подземных вод в реки в период половодья. Второй способ основывается на предположении, что в период прохождения пика половодья уровни воды в реке поднимаются настолько, что подземные воды перестают питать реку. Третий способ учитывает раздельное питание за счет не напорных подземных вод, гидравлически связанных и не связанных с рекой, а также напорных вод.

Годовой цикл водного режима рек подразделяется на несколько периодов – фаз водного режима. Выделяются половодье, дождевые паводки, летняя и зимняя межень. Половодье характеризуется повторяющимся в один и тот же сезон длительным значительным увеличением водности; дождевые паводки – относительно быстрыми, но кратковременными подъемами уровня; межень – малой водностью и низкими уровнями воды. В зависимости от типологических особенностей на реках на реках могут наблюдаться все четыре фазы (реки снегового питания). В зависимости от изменения климатических факторов стока и физико-географических условий его формирования количество воды в руслах рек непрерывно изменяется – от года к году и от сезона к сезону. Эти колебания для разных рек большей частью несинхронны, поэтому одновременный суммарный запас русловых вод может быть определен только по среднему многолетнему расходу. Большая часть суши (80%) относится к областям внешнего стока: 51% принадлежит бассейнам Атлантического и Тихого океанов, 29% - Северного Ледовитого и индийского океанов. На их долю приходится 93% осадков на суше, 98% объема стока и 88% суммарного испарения. Атмосферные осадки составляют 110 000 км3, 56% их расходуется на испарение, 41% - на формирование речного стока и 2% - на подземный сток в океан. Суммарный объем речного стока областей равняется 45800 км3. Часть речных вод не достигает океана вследствие испарения и разбора воды на орошение. Потери речных вод в областях внешнего стока составляют 1100 км3 в год, т.е. почти равны «внутреннему стоку». Областями внешнего стока принадлежит заметная роль в перераспределении воды на земном шаре. Особенно отчетливо это видно в бассейне Северного Ледовитого океана, сток рек которого формируется в основном за счет атмосферной влаги, поступающей с Атлантического и Тихого океана. Избыточное питание Северного Ледовитого океана обусловливает его «отточный» режим.

20% суши относится к  областям внутреннего стока. Наиболее значительны такие области в Азии (12,3 млн. км2), Африке (9,6 млн. км2) и Австралии (3,9 млн. км2). Все они располагаются в аридных и полуаридных засушливых пустынных, полупустынных и сухостепных районах (Америка, Африка, Азия).

Многолетние колебания речного стока имеют сложный циклический характер. Многоводные и маловодные годы длительностью 3-5, реже 10 лет охватывают как континенты, так и всю сушу в целом. Однако на разных континентах они асинхронны и не всегда совпадают по знаку. Синхронны колебания стока рек Азии и Северной Америки, асинхронны – Северной и Южной Америки. Совпадают по знаку колебания стока рек Азии и Австралии, противоположны – Европы и Австралии. Цикличность стока следует учитывать при составлении хозяйственных планов отдельных стран и их частей на многолетие.

Термический режим рек формируется в результате теплообмена между водой, атмосферой и ложем русла. При наличии ледяного покрова интенсивность теплообмена с атмосферой резко снижается, а при формировании 10-20 см снежного покрова практически прекращается.

В ледовом режиме рек выделяются фазы замерзания, ледостава и вскрытия. На многих реках образуется внутриводный и донный лед, а на горных и северных реках – шуга. Во время весеннего (реже – осеннего) ледохода на определенных участках рек возникают заторы, представляющие большую опасность для мостов и береговых сооружений.

5. Подземный сток

Подземные воды могут иметь свободную поверхность (безнапорные воды) или находиться под гидростатическим давлением (напорные воды). В зоне аэрации находятся безнапорные воды: почвенные (накапливающиеся в почвенном слое), верховодка (формирующиеся на местных слабоводопроницаемых прослоях), грунтовые (залегающие на первом от поверхности выдержанном водоупорном слое), изредка – межпластовые (залегающие между водоупорными слоями); в зоне насыщения – напорные межпластовые (артезианские) воды. Наибольшую роль в питании рек имеют грунтовые и межпластовые воды. Возможны различные типовые ситуации. Если река врезана в водоупорные породы, ее питание осуществляется в основном грунтовыми водами, гидравлически не связанными с рекой. Если река врезана в водопроницаемые породы, возникает подпорный тип питания, при котором в межень грунтовые воды питают реку, а в половодье – река питает подземные воды. Если река прорезает толщу чередования водопроницаемых и водоупорных пород, она питается как грунтовыми, так и межпластовыми безнапорными водами. Наконец, если река получает питание за счет безнапорных и напорных вод.

Грунтовые воды испытывают годовые, сезонные и суточные колебания. Принято выделять три типа их режима: летнего, сезонного и круглогодичного питания. Летнее (мерзлотное) питание отличается кратковременностью вследствие промерзания грунтовых вод в условиях сурового климата и развития многолетней мерзлоты. Сезонное питание характерно для территорий континентального климата с продолжительной и холодной зимой, когда инфильтрация отсутствует. Грунтовый сток осуществляется на протяжении всего года, потери на испарение происходят в теплый сезон. Круглогодичное питание характерно для территорий с мягкой непродолжительной зимой, в течение которой инфильтрация не прерывается, но потери на испарение невелики. Поэтому уровень грунтовых вод с осени повышается, достигает максимума в середине зимы, а затем понижается с минимумом в середине лета. Закономерности уровенного режима грунтовых вод могут изменяться в зависимости от глубины их залегания и геологических условий.

Режим межпластовых напорных вод определяется в основном геологическими причинами (строением водонапорных систем, соотношением областей питания и разгрузки и пр.) и в слабой мере отражает только вековые или многолетние климатические изменения.

Составляющие части водного баланса имеют большое значение для водоохранных зон России. Река должна получать питание и наибольшую роль в этом играют грунтовые и межпластовые воды. Для отдельных водных объектов возникает необходимость учета составляющих прихода и расхода влаги.

1.2. Водоохранные зоны России

Водоохранные зоны. Согласно водном кодексу РФ, для поддержания

водных объектов в состоянии, соответствующем экологическим требованиям, для предотвращения загрязнения, засорения и истощения поверхностных вод, а также сохранения среды обитания объектов животного и растительного мира устанавливаются водоохранные зоны. В пределах водоохранных зон устанавливаются прибрежные защитные полосы, где запрещается распахивать землю, рубить и корчевать лес, размещать животноводческие фермы и лагеря, а также вести другую деятельность.

Государственный контроль за соблюдением режима использования и охраны прибрежных ресурсов и иной хозяйственной деятельности граждан и юридических лиц в водоохранной зоне осуществляется органами и исполнительной власти субъектов РФ.

Охрана водоемов. Водное законодательство России регулирует отношения в области использования и охраны водных объектов в целях обеспечения прав граждан на чистую воду и благоприятную водную среду; поддержание оптимальных условий водопользования; качества поверхностных и подземных вод в соответствии с санитарными и экологическими требованиями; защиты водных объектов от загрязнения, засорения и истощения; сохранения биологического разнообразия водных экосистем.

Согласно Водному кодексу РФ, использование водных объектов для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения является приоритетным. Для этих водоснабжений должны использоваться защищенные от загрязнения и засорения поверхностные и подземные водные объекты.

Запрещается сброс сточных и дренажных вод в водные объекты:

• содержащие природные лечебные ресурсы;
• отнесенные к особо охраняемым;
• находящиеся в курортных зонах, местах отдыха населения;
• находящиеся в местах нереста и зимовки ценных и особо охраняемых видов рыб, в местах обитания ценных и занесенных в Красную книгу видов животных и растений.

Порядок разработки и утверждения нормативов предельно допустимых вредных воздействий на водные объекты устанавливается правительством РФ.

Охрана малых рек. Малые реки (длиной до 100 км), на долю которых приходится значительная часть поверхностного стока России, наиболее восприимчивые к антропогенному воздействию.

Своеобразный компонент географической среды, малые реки в значительной степени выполняют функцию регулятора водного режима определенных ландшафтов, поддерживая равновесие и осуществляя перераспределение влаги. Главной особенностью формирования стока малых рек является очень тесная их связь с ландшафтом бассейна, что и обусловливает легкую уязвимость этих водных артерий – не только при чрезмерном использовании водных ресурсов, но и при освоении водосбора.

Под воздействием хозяйственной деятельности малые реки преждевременно вступили в фазу старения. Снижение водности и заиление русел способствует быстрому зарастанию и заболачиванию, наступает деградация, и малые реки исчезают с лица земли.

Вырубка лесов и неумеренная распашка прилегающих территорий приводят к значительному уменьшению поверхностного и подземного грунтового стока воды в малые реки. Особенно пагубна распашка склонов, балок, оврагов, при которой нарушается эрозионная устойчивость почвы и значительная ее часть смывается в реки. Реки заиливаются, мелеют.

Для малой реки чрезвычайно опасны  сточные воды крупных свиноводческих ферм. Пока еще нет таких надежных способов очистки, чтобы сток свинофермы стал пригоден для сбрасывания в реку. Значит, эти сточные воды вообще нельзя сбрасывать в реку. Их нужно полностью использовать для удобрительного орошения кормовых культур, правда при условии, что рядом с фермой располагаются большие земельные угодья. Другой вариант решения проблемы – создания на крупных фермах установок по переработке навоза в биогаз и удобрения.

Охрана вод малых рек теснейшим образом связана с охраной от загрязнения территорий, с которой река собирает свои воды.

У малых рек способность к самоочищению значительно меньше, чем у больших, и механизм самоочищения при перегрузках легко нарушается. В связи с этим особенно остро стоит задача создания на их берегах водоохранных зон.

Овраги, примыкающие к водоохранной зоне, должны быть укреплены, чтобы не засоряли, не заиливали водоем. За пределы зоны должны бить вынесены все объекты-загрязнители. Родники, питающие реку или озеро должны быть расчищены, ухожены.

Таким образом, для поддержания водных объектов в надлежащем состоянии  устанавливаются водоохранные зоны. Они являются способом, мерой охраны водных объектов и государственный контроль за их использованием должен осуществляться усиленно.

Глава 2. Сферы использования водных ресурсов и самоочищение водоемов.

2.1. Значимость  ресурсов для промышленности, сельского  хозяйства и коммунального хозяйства

1. Коммунальное  водоснабжение

Коммунальное хозяйство России обеспечивает потребность в воде городского населения, коммунальных, транспортных и прочих непромышленных предприятий, а также расходы воды на благоустройство населенных пунктов, полив улиц и тушение пожаров.

Отличительная особенность коммунального хозяйства - постоянство водопотребления и жесткие требования, предъявляемые к качеству воды.

Основной объем (84-86%) потребляемой воды используется для хозяйственно-питьевых нужд населения, в среднем по России удельное водопотребление на одного городского жителя составляет 367-369 л/сут.

Около 99% городов, 82% поселков городского типа, 19,5% населенных пунктов в сельской местности обеспечены централизованным водоснабжением. Благоустройство городского жилого фонда в среднем по стране характеризуется следующими показателями обеспеченность центральным водопроводом - 83,8%, канализацией - 81,4% центральным отоплением - 84,7%, ванными и душем - 76,7%, горячим водоснабжением - 70,8% (данные за 1996 год).

В поверхностные водные объекты предприятиями отрасли отводится около 13 км 3/год сточных вод, по разным причинам в структуре сбрасываемых вод преобладают недостаточно очищенные. В целом по стране через системы очистных сооружении предварительно пропускается около 70% всей подаваемой воды.

Из-за неблагополучного состояния источников питьевого водоснабжения и несовершенства системы водоподготовки не теряет своей остроты проблема качества воды. Стандартные сооружения очистки, включающие двухступенчатую схему осветления, обесцвечивания и обеззараживания не справляются с возрастающими нагрузками новых загрязнителей (тяжелых металлов; пестицидов, галогенсодержащих соединений, фенолов, формальдегидов). Хлорирование воды, содержащей органические вещества, накапливающиеся в водных источниках, приводит к ее вторичному загрязнению и образованию канцерогенных хлорорганических соединений.

Около 70% промышленных предприятий сбрасывают в коммунальную канализацию сточные воды, в которых, в частности, содержатся соли тяжелых металлов и ядовитые вещества. Осадок, образующийся при очистке таких сточных вод, не может быть использован в сельском хозяйстве, что создает проблемы с его утилизацией.

2. Промышленное  водоснабжение

Промышленное водоснабжение, обеспечивающее функционирование технологических процессов, является ведущим направлением водопользования. Системы промышленного водоснабжения включают в себя гидротехнические сооружения по забору технической воды и доставке се предприятиям, а также системы водоподготовки.

Промышленный потенциал каждого экономического района Российской Федерации представлен практически всеми основными отраслями. Есть и такие районы, где преимущественно сконцентрированы совершенно определенные отрасли промышленности. Например, 46% объема производства легкой промышленности сосредоточено в Центральном экономическом районе, на долю Уральского экономического района приходится около 70% продукции черной и цветной металлургии, на долю Западно-Сибирского - 46% топливной промышленности.

Объемы водопотребления зависят от структуры промышленных предприятий, уровня технологии, выполняемых мероприятий по экономии воды. Наиболее водоемкими отраслями являются теплоэнергетика, черная и цветная металлургия, машиностроение, нефтехимическая и деревообрабатывающая промышленность. На долю самой водоемкой отрасли - электроэнергетики - приходится около 68% суммарного потребления свежей и 51% - оборотной воды.

Так как большинство промышленных объектов сосредоточено в крупных городах, в России преимущественное развитие получили объединенные промышленно-коммунальные системы водоснабжения, что, в свою очередь, приводит к неоправданно высоким расходам на промышленные нужды воды питьевого качества (до 30-40% суточной подачи городских водопроводов).

Предприятия промышленности являются основным источником загрязнения поверхностных вод, ежегодно сбрасывая большое количество отработанных сточных вод (в 1996 г. - 35,5 км'). Особенно разнообразны по своим свойствам и химическому составу сточные воды химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной и угольной промышленности. Несмотря на достаточную мощность очистных сооружений, только 83-85% отводимых сточных вод соответствуют нормативным требованиям. В структуре отводимых вод, содержащих загрязняющие вещества выше нормативного уровня, сброс без очистки составляет в настоящее время 23% (в 1991 г- 28%), остальные воды сбрасываются недостаточно очищенными.

3. Сельскохозяйственное  водоснабжение

В сельской местности водоснабжение осуществляется главным образом по локальным системам и путем индивидуального обеспечения водопользователей. Системы локального водоснабжения в очень сильной степени зависят от качества воды в источниках и, в случае необходимости, оборудуются специальными сооружениями. В районах с высокой плотностью сельского населения применяются групповые системы.

Для нужд отрасли из природных водных источников забирается около 28% суммарного объема изъятия воды.

Среди сельскохозяйственных отраслей основным потребителем свежей воды н крупным загрязнителем поверхностных водоемов, сбрасывающим через коллекторно-дренажную сеть неочищенные сточные воды, является орошаемое земледелие. Серьезную опасность для поверхностных водоемов представляет вынос с сельскохозяйственных полей удобрений и ядохимикатов.

Другим крупным водопотребителем и мощным источником загрязнения поверхностных и подземных вод являются животноводческие комплексы по выращиванию крупного рогатого скота, свиней, птицы. Очистка животноводческих сточных вод связана с большими трудностями, поскольку перед сбросом в водные объекты их необходимо длительное время выдерживать в прудах-накопителях.

Вода – основа жизни на Земле и ее родина. Основными потребителями воды являются промышленность и сельское хозяйство. Промышленное значение воды очень велико, так как практически все производственные процессы требуют большого ее количества. Она очень важна не только для жизни людей, но и для развития промышленности, сельского и коммунального хозяйства.

2.2. Самоочищение  водоемов

Каждый водоем – это сложная система, где обитают бактерии, высшие водные растения, различные беспозвоночные животные. Совокупная их деятельность обеспечивает самоочищение водоемов. Одна из природоохранных задач поддержать способность самоочищения водоемов от примесей.

Факторы самоочищения водоемов можно условно разделить на три группы: физические, химические и биологические.

Среди физических факторов первостепенное значение имеет разбавление, растворение и перемешивание поступающих загрязнений. Хорошее перемешивание и снижение концентраций взвешенных частиц обеспечивается быстрым течением рек. Способствует самоочищению водоемов оседание на дно нерастворимых осадков, а также отстаивание загрязненных вод. В зонах с умеренным климатом река самоочищается через 200-300 км от места загрязнения, а на Крайнем Севере – через 2 тыс. км.

Обеззараживание воды  происходит под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца. Эффект обеззараживания достигается прямым губительным  воздействием ультрафиолетовых лучей на белковые коллоиды и ферменты протоплазмы микробных клеток, а также споровые организмы и вирусы.

Из химических факторов самоочищения водоемов следует отметить окисление органических и неорганических веществ. Часто дают оценку самоочищения водоема по отношению к легко окисляемому органическому веществу или по общему содержанию органических веществ.

Санитарный режим водоема характеризуется прежде всего количеством растворенного в нем кислорода. Его должно бить не менее 4 мг на 1 л воды в любой период года для водоемов для водоемов первого и второго видов. К первому виду относят водоемы, используемые для питьевого водоснабжения предприятий, ко второму – используемые для купания, спортивных мероприятий, а также находящихся в черте населенных пунктов.

К биологическим факторам  самоочищения водоема относятся водоросли, плесневые и дрожжевые грибки. Однако фитопланктон не всегда положительно воздействует на процессы самоочищения: в отдельных случаях массовое развитее сине-зеленых водорослей в искусственных водоемах можно рассматривать как процесс самозагрязнения.

Самоочищению водоемов от бактерий и вирусов могут способствовать и представители животного мира. Так, устрица и некоторые другие амебы адсорбируют кишечные и другие вирусы. Каждый моллюск отфильтровывает в сутки более 30 л воды.

Чистота водоемов немыслима без охраны их растительности. Только на основе глубокого знания экологии каждого водоема, эффективного контроля за развитием населяющих его различных живых организмов можно достичь положительных результатов, обеспечить прозрачность и высокую биологическую продуктивность рек, озер и водохранилищ.

Неблагоприятно на процессы самоочищения водоемов влияют и другие факторы. Химическое загрязнение водоемов промышленными стоками, биогенными элементами (азотом, фосфором и др.) тормозит естественные окислительные процессы, убивает микроорганизмы. То же относится и к спуску термальных сточных вод тепловыми электростанциями.

Многостадийный процесс, иногда растягивающийся на длительное время – самоочищение от нефти. В природных условиях комплекс физических процессов самоочищения воды от нефти состоит из ряда составляющих: испарения; оседания комочков, особенно перегруженных наносами и пылью; слипание комочков, взвешенных в толще воды; всплывания комочков, образующих пленку с включениями воды и воздуха; снижения концентраций взвешенной и растворенной нефти вследствие оседания, всплывания и смешивания с чистой водой. Интенсивность этих процессов зависит от свойств конкретного вида нефти (плотность, вязкость, коэффициент теплового расширения), наличия в  воде коллоидов, взвешенных и влекомых частиц планктона и т.д.,  температура воздуха и от солнечного освещения.

Таким образом самоочищение водоемов – это свойство водоемов превращать органические и часть неорганических веществ в безвредные соединения. Механизмы процессов самоочищения водоёмов делятся на физические (оседание суспензированных частиц, испарение и др.); химические (окисление веществ кислородом и перекисью водорода, растворенными в воде, переход в гидранты, коагуляция и осаждение, гидролиз токсикантов); биологические (включение загрязняющих веществ в обменные процессы, их разрушение или перевод в другие, не токсические формы соединений у разных гидробионтов и др.). В самоочищении водоёмов принимают участие все гидробионты, но главную роль играют бактерии, грибы, простейшие и многоклеточные животные-фильтраторы.