Истощение поверхностных и подземных вод
Долгое время считалось, что в распоряжении человечества находятся неисчерпаемые запасы пресной воды, и что они достаточны для удовлетворения всех нужд. Это было глубоким заблуждением, так как уже сейчас во многих регионах мира ощущается дефицит пресной воды. Он обусловлен интенсивным увеличением водопотребления, уменьшением водоносности рек, медленным возобновлением отдельных категорий вод, их неравномерным распределением в пространстве, безвозвратным использованием и другими явлениями.
Сейчас мировое потребление воды более 4000 км3 в год, что близко к 26 годовым стокам Волги. Потребности в чистой пресной воде с каждым годом растут, что связано не только с быстрым развитием промышленности, но и с ростом водоёмкости производства, т.е. с увеличением расхода воды на единицу продукции. Так, например, на производство 1 т синтетического волокна расходуется от 2600 до 5000 м3 воды, а 1 т хлопка – 10 000 м3.
Использование воды для хозяйственных целей – одно из звеньев круговорота воды в природе. Но антропогенное звено круговорота отличается от естественного тем, что в процессе испарения лишь часть использованной человеком воды возвращается в атмосферу опреснённой. Другая часть сбрасывается в реки и водоёмы в виде сточных вод, загрязнённых отходами производства.
Одной из причин увеличения дефицита воды является безвозвратное водопотребление, при котором вода, изъятая из источника, испаряется и в виде пара уносится на большие расстояния, выпадая в виде осадков в пределах других водосборов. Безвозвратное водопотребление наиболее типично для поливного земледелия, где оно достигает 60–70%.
Истощение поверхностных вод проявляется в прогрессирующем снижении их водоносности и минимально допустимого стока, что связано не только с неблагоприятными климатическими и гидрологическими условиями, но и с активизацией хозяйственной деятельности человека. Наиболее уязвимы к антропогенному воздействию малые реки, на долю которых приходится значительная часть поверхностного стока России. Они в значительной степени выполняют функции регулятора водного режима определённых ландшафтов, поддерживая равновесие в перераспределении влаги. Под воздействием хозяйственной деятельности сток малых рек снизился более чем наполовину. Снижение водоносности и заиление русел способствуют быстрому зарастанию и заболачиванию рек. Многие из них пересыхают и исчезают с лица Земли.
К очень серьёзным негативным экологическим последствиям приводит изъятие на хозяйственные цели большого количества воды из впадающих в водоёмы рек. Так, в связи с недопустимо высоким перезабором воды из Амударьи и Сырдарьи, объём Аральского моря сократился более чем наполовину, уровень его снизился на 13 м, а солёность воды увеличилась в 2,5 раза. В дельте Амударьи и Сырдарьи на месте гибнущих лесов появились бесплодные солончаки. Трансформация природных сообществ на берегу Аральского моря и в дельтах Сырдарьи и Амударьи происходит на фоне высыхания озёр, болот и повсеместного снижения уровня грунтовых вод, обусловленного падением уровня моря.
Истощение подземных вод происходит в результате их длительной эксплуатации мощными водозаборами. Почти во всех крупных промышленных городах (Москве, Санкт-Петербурге, Киеве, Донецке и др.) возникли значительные депрессионные воронки (понижения) с радиусами до 20 км и более, что привело к значительному истощению подземных вод. Интенсивная эксплуатация подземных вод в районах водозаборов и мощный водоотлив из шахт, карьеров приводят к изменению взаимосвязи поверхностных и подземных вод, значительному ущербу речному стоку, к прекращению деятельности тысяч родников, многих ручьёв и небольших рек. Кроме того, в связи со значительным снижением уровня подземных вод наблюдаются и другие негативные изменения экологической обстановки: осушаются заболоченные территории, иссушаются леса, гибнет влаголюбивая растительность и др. Длительное и интенсивное использование подземных водозаборов в определённых геолого-гидрогеологических условиях может вызвать медленное оседание и деформацию земной поверхности. Это негативно сказывается на состоянии экосистем, особенно прибрежных районов, где затапливаются пониженные участки и нарушается нормальное функционирование естественных сообществ и всей среды обитания человека. Истощению подземных вод способствует также длительный неконтролируемый самоизлив артезианских вод из скважин.
Охрана водных ресурсов
Защита водных ресурсов от истощения и загрязнения предусматривает следующие меры: 1) разработку соответствующих законодательных актов; 2) организацию мониторинга водных объектов; 3) охрану поверхностных и подземных вод; 4) подготовку воды, используемой для питьевых и хозяйственных целей; 5) государственный контроль за использованием и охраной водных ресурсов.
Водное законодательство включает Водный кодекс Российской Федерации и принимаемые в соответствии с ним федеральные законы и иные нормативные правовые акты, а также законы и нормативные правовые акты субъектов РФ. Целью водного законодательства является регулирование отношений в области использования и охраны водных ресурсов. На всех водопользователей в законодательном порядке возлагается обязанность сокращать изъятие и потери воды, не допускать засорения, истощения и загрязнения водоёмов. Запрещён сброс сточных вод в водные объекты, если они отнесены к особо охраняемым, содержат природные лечебные ресурсы, находятся в местах массового отдыха населения или курортных зон и т.п.
Водный кодекс РФ запрещает вводить в эксплуатацию: 1) любые объекты, которые не оборудованы очистными сооружениями и устройствами, предотвращающими засорение, истощение и загрязнение вод; 2) сбросные, водосборные и гидротехнические сооружения без рыбозащитных устройств; 3) объекты промышленности, сельского хозяйства и др., которые не имеют санитарно-защитных зон; 4) оросительные, обводнительные и осушительные системы, водохранилища, плотины и каналы до завершения мероприятий, предотвращающих их вредное воздействие на водные объекты.
Нарушение требований по охране и рациональному использованию водных ресурсов влечёт за собой ограничение, приостановление и даже запрещение эксплуатации хозяйственных и других объектов, которые оказывают негативное влияние на состояние водных объектов. Решение об этом принимается Правительством РФ или органами исполнительной власти её субъектов.
Мониторинг водных объектов включает мониторинг поверхностных водных объектов, мониторинг подземных водных объектов и мониторинг водохозяйственных систем и сооружений. Он предусматривает: 1) постоянное наблюдение за состоянием, качественными и количественными показателями поверхностных и подземных вод; 2) сбор, обработку и хранение данных наблюдений; 3) создание и ведение банков данных; 4) оценку, составление прогнозов изменений состояния водных объектов и передачу информации государственным органам.
Осуществляют государственный мониторинг водных ресурсов Министерство природных ресурсов, Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет) и другие специально уполномоченные государственные органы в области охраны окружающей среды. Министерство природных ресурсов (МПР) отвечает за развитие сети станций и постов наблюдений на водных объектах, разработку автоматизированных информационных систем по ведению государственного мониторинга водных объектов, создание наблюдательной сети постов на водохозяйственных системах и сооружениях. Росгидромет ведёт наблюдение за состоянием поверхностных вод суши. Санитарно-эпидемиологическая служба отвечает за санитарную охрану водоёмов.
Охрана поверхностных вод включает мероприятия, направленные на предотвращение их засорения, истощения и загрязнения. Для предупреждения засорения принимают меры, исключающие попадание в поверхностные водоёмы и реки строительного мусора, твёрдых отходов, остатков лесосплава и других предметов, негативно влияющих на качество вод, условия обитания организмов и др.
Истощение поверхностных вод предотвращают путём строгого контроля за минимально допустимым стоком вод, использованием водосберегающих технологий, переходом на многократное использование воды в производственных условиях, уменьшением потерь воды при подаче её потребителям, или при отведении после использования, установлением экономически обоснованной цены за воду, уменьшением безвозвратных потерь воды и др.
Мероприятия по защите вод от загрязнения включают: развитие безотходных и безводных технологий, а также внедрение систем оборотного (замкнутого) водоснабжения; очистку сточных вод; очистку и обеззараживание поверхностных и подземных вод, используемых для питьевого водоснабжения и других целей; создание водоохранных зон.
Наиболее действенным способом защиты поверхностных вод от загрязнения их сточными водами является внедрение безводных и безотходных технологий производства, начальным этапом которого является создание оборотного водоснабжения. В эту систему включают ряд очистных сооружений и установок, что позволяет создать замкнутый цикл использования производственных и бытовых сточных вод. При таком способе сточные воды всё время находятся в обороте и попадание их в водоёмы полностью исключено. Это даёт возможность не только предотвратить загрязнение водоёмов, но и значительно сократить потребление речной воды. Например, внедрение в Челябинске оборотного водоснабжения на промышленных предприятиях позволило сократить потребление речной воды с 8,8 до 5,5 тыс. м3 в сутки и уменьшить сброс сточных вод в канализацию.
Для предотвращения загрязнения водоёмов промышленные, коммунально-бытовые и другие сточные воды подвергаются очистке. Существуют механические, физико-химические, биологические и другие способы очистки. В зависимости от вредности и характера загрязнений очистка сточных вод может производиться каким-либо одним способом или комплексом методов. При механической очистке путём отстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. Физико-химическая очистка состоит в добавлении к сточным водам химических реагентов, способствующих выпадению растворимых и частично растворимых веществ. В качестве адсорбентов применяют естественные (глина, торф) и искусственные (активированные угли) материалы.
Механический и физико-химический способы являются первыми этапами очистки сточных вод, после чего они направляются на биологическую очистку, которая может быть естественной и искусственной. Естественная биологическая очистка осуществляется на полях орошения, при фильтрации, в биологических прудах, а искусственная – на специальных сооружениях (биофильтрах, аэротенках).
Биологические пруды – это неглубокие земляные резервуары, в которых происходит процесс самоочищения воды. Обычно их устраивают в виде 4–5 серий на местности, имеющей уклон. Располагают ступенями так, чтобы вода из верхнего пруда самотёком поступала в нижерасположенный. В окислительных процессах большую роль играет водная растительность, которая способствует снижению концентрации загрязняющих веществ и регулирует кислородный режим водоёма.
В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной плёнкой, благодаря которой интенсивно протекают процессы биохимического окисления.
Аэротенки – это железобетонные резервуары, через которые медленно протекают подвергающиеся аэрации сточные воды, смешанные с активным илом. В состав активного ила входят бактерии и микроскопические животные, которые, питаясь органическими веществами сточных вод, минерализуют их. В результате этого содержание органического вещества в сточной воде уменьшается на 90%.
Одна из важнейших проблем охраны поверхностных вод – разработка и внедрение эффективных методов обеззараживания и очистки поверхностных вод, используемых для питьевого водоснабжения. Более 100 лет метод обеззараживания воды хлором является в России наиболее распространённым способом борьбы с бактериальным загрязнением. Однако в последние годы было установлено, что хлорирование воды представляет серьёзную угрозу для здоровья людей, поскольку попутно образуются очень вредные хлорорганические соединения и диоксины. Добиться снижения концентрации указанных веществ в питьевой воде можно путём замены хлорирования на озонирование или обработку УФ-лучами. Эти прогрессивные методы широко внедряются во многих странах Западной Европы и США. В нашей стране применение этих экологически эффективных технологий ограничено из-за высокой стоимости переоборудования водоочистных станций.
Современные технологии очистки питьевой воды от других опасных веществ – нефтепродуктов, СПАВ, пестицидов, тяжёлых металлов и других соединений – основываются на использовании сорбционных процессов с применением активированных углей или их аналогов – графитоминеральных сорбентов.
Важную защитную функцию на водных объектах выполняют водоохранные зоны. Ими являются территории, примыкающие к акватории рек, водохранилищ и других поверхностных водных объектов. На них устанавливается специальный режим использования и охраны вод, а также осуществления иной деятельности. В пределах указанных зон устанавливаются прибрежно-защитные полосы, где не разрешается распахивать землю, рубить лес, размещать фермы и т.п. Ширина водоохраной зоны рек может составлять от 0,1 до 0,5–2,0 км, включая пойму реки, террасы и склон коренного берега.
Большое значение в деле охраны поверхностных вод от засорения и загрязнения имеют водоохранные лесные насаждения вокруг естественных и искусственных водоёмов. Они улучшают водный режим водоёмов, защищают их от разрушительных действий ветров и потерь воды на испарение, уменьшают их заиление, разрушение берегов и др.
Охрана подземных вод. Основные мероприятия по защите подземных вод направлены на предотвращение истощения их запасов и загрязнения. Для борьбы с истощением запаса подземных вод, пригодных для целей питьевого водоснабжения, предусматриваются следующие меры: регулирование режима водоотбора подземных вод; более рациональное размещение водозаборов по площади; определение величины эксплуатационных запасов как предела их рационального использования; ведение кранового режима эксплуатации самоизливающихся артезианских скважин.
Борьба с загрязнением подземных вод включает профилактические и специальные мероприятия. Основными являются профилактические меры, так как требуют наименьших затрат. Для предотвращения загрязнения подземных вод совершенствуют методы очистки сточных вод, чтобы исключить попадание загрязнённых стоков в подземные воды. Внедряют производства с бессточной технологией, снижают опасные газодымовые выбросы в атмосферу на предприятиях, регламентируют использование пестицидов и удобрений в сельском хозяйстве и т.д. Специальные мероприятия направлены на изоляцию источников загрязнения от остальной части водоносного горизонта, перехват загрязнённых вод с помощью дренажа или откачки их из специальных скважин. Важнейшей мерой предупреждения загрязнения подземных вод в районах водосборов является устройство вокруг них зон санитарной защиты, которые состоят из трёх поясов: первый пояс включает территорию на расстоянии 30–50 м от водосбора. Здесь запрещается присутствие посторонних лиц и проведение каких-либо работ, не связанных с эксплуатацией водосбора. Второй пояс предназначен для защиты водоносного горизонта от бактериальных загрязнений, а третий – от химических загрязнений. На их территории запрещается размещение любых объектов, могущих вызвать химическое или бактериальное загрязнение, а также использование минеральных удобрений и пестицидов, промышленная рубка леса и другая хозяйственная деятельность человека.
Контрольные вопросы и задания
1. Укажите запасы пресной воды на Земле. Какая доля её сосредоточена в различных источниках?
2. С какими видами деятельности связано основное потребление воды человеком?
3. Какие виды деятельности ведут к уменьшению запасов воды в источниках? Что понимается под безвозвратным водопотреблением?
4. Назовите основные загрязняющие воду вещества, их источники и последствия загрязнения поверхностных и подземных вод.
5. Что такое эвтрофикация вод и какие причины её вызывают?
6. Назовите основные причины истощения поверхностных и подземных вод. К каким неблагоприятным экологическим последствиям оно приводит? Приведите примеры.
7. Что такое мониторинг водных объектов и кто его проводит?
8. Назовите основные пути и способы решения проблемы загрязнения и истощения водных ресурсов.
9. Почему хлорирование питьевой воды является опасным для потребителей? Какие альтернативные хлорированию методы обеззараживания воды вы знаете?