Использование природных вод и практическое значение гидрологии

Природные воды давно и интенсивно используются человеком. Развитие человеческого общества неразрывно связано с использованием воды. Индире Ганди принадлежат такие слова: «Цивилизация - это диалог человека с водой». Орошаемое земледелие и современная цивилизация в целом зародились в низовьях и дельтах «великих» рек мира - Янцзы, Хуанхэ, Ганга, Инда, Нила, Тигра и Евфрата, Амударьи. Через реки и моря шло распространение человеческой цивилизации по земному шару. Испокон веков человек выбирал себе места для проживания вблизи воды. Почти все крупнейшие города мира (в том числе и многие столицы государств) расположены на реках, в их устьях, на побережьях морей.

В социальном и экономическом развитии многих стран мира водные ресурсы играли и играют в настоящее время весьма важную роль. Велико значение использования природных вод и в развитии экономики нашей страны.

По характеру использования вод все современные отрасли хозяйства обычно подразделяют на водопотребителей и водопользователей. Водопотребители - это те отрасли, которые изымают воду из ее естественных источников (водотоков, водоемов, водоносных пластов и т. д.), потребляют ее для выработки промышленной или сельскохозяйственной продукции и для бытовых нужд населения и возвращают в источники в другом месте и, обычно, в меньшем количестве и часто худшего качества. К отраслям-водопотребителям относятся: промышленность, тепловая и атомная энергетика, сельское хозяйство, коммунальное хозяйство, которые используют воду для промышленного, коммунально-бытового и сельскохозяйственного водоснабжения, а также орошения и обводнения земель. Водопользователи - это те отрасли, которые не изымают воду из источников, а используют воду как носителя энергии, среду, компонент ландшафта. К отраслям-водопользователям относятся: гидроэнергетика, водный транспорт, рыбное хозяйство, а также такие виды человеческой деятельности, как отдых на воде, водный туризм, водные виды спорта и др.

Наибольшее количество воды в мире потребляется в сельском хозяйстве - в основном на орошение земель, выращивание урожая, водоснабжение животноводческих ферм. Например, для орошения 1 га рисовых чеков нужно 15-20 тыс. м³ воды в год; на производство 1 кг пшеничного зерна требуется 0,75 м³ воды; на 1 корову нужно до 200 л воды в сутки.

Огромное количество воды потребляется в промышленности. Без воды нельзя получить металл, ткани, бумагу, многие строительные материалы, известь, продукты пищевой промышленности и многое другое. Так, для производства 1 т стали необходимо 20 м³ воды, 1 т бумаги - до 200 м³ воды, 1 т никеля - 4000 м³ воды. Чтобы добыть 1 т нефти, нужно не менее 50 м³ воды. Одна из самых водоемких - текстильная промышленность. Если для производства 1 т хлопчатобумажной ткани нужно в среднем 20 м³ воды, то для получения такого же количества синтетического волокна - уже 2500-5000 м³ воды.

Крупным потребителем воды является тепловая энергетика. При производстве 1 млн кВт электроэнергии на тепловых электростанциях затрачивают 1,2-1,6 км3 воды в год. При производстве электроэнергии на атомных электростанциях воды требуется в 1,5-2 раза больше.

Большие объемы воды требуются на хозяйственно-питьевое водоснабжение городов и поселков. В крупных городах на одного жителя приходится 300-600 л воды в сутки. Город с населением 1 млн. человек потребляет в сутки до 1 млн. м³ воды, т. е. целую реку.

Водные ресурсы во всех странах мира стараются использовать рационально, т. е. с наибольшим эффектом и наименьшими потерями, комплексно. Одновременно принимаются и меры по охране вод от истощения и загрязнения.

Водопотребление в мире. На хозяйственные нужды во всем мире используются огромные объемы воды, причем эти затраты воды неуклонно возрастают.

По данным И. А. Шикломанова, с 1900 г. по 1950 г. (50 лет) полное водопотребление в мире возросло с 579 до 1360 км³/год, т. е. в 2,3 раза, а безвозвратное (потери на испарение в пределах конкретных речных бассейнов в процессе использования воды) - с 417 до 894 км³/год, т. е. в 2,1 раза. За последующие 40 лет (1950-1990 гг.) полное и безвозвратное водопотребление в мире возросло соответственно с 1360 до 4130 км³/год (в 3,0 раза) и с 894 до 2360 км³/год (в 2,6 раза).

Распределение полного и безвозвратного водопотребления в мире по отраслям хозяйства разное. Главные потребители воды - это сельское хозяйство и промышленность. При этом доля безвозвратных потерь воды в полном водопотреблении в промышленности значительно меньше, чем в сельском хозяйстве. Главные безвозвратные потери воды в мире происходят в орошаемом земледелии.

По последним оценкам (И. А. Шикломанов и др., 2004), современное водопотребление в мире составляет 3790 км³/год. В дальнейшем, согласно тем же данным, водопотребление в мире может изменяться в соответствии с двумя разными сценариями. Согласно первому из них, водопотребление будет расти на 10-12 % в каждое десятилетие с наибольшей интенсивностью в Африке и Южной Америке и наименьшей - в Европе и Северной Америке. Согласно второму сценарию, при осуществлении эффективных мер по улучшению технологии использования вод водопотребление в мире практически стабилизируется. К 2010 г. оно возрастет на 5-6 %, а затем начнет снижаться и к 2025 г. станет близким к современному.

Принято считать, что если доля полного водопотребления от возобновляемых водных ресурсов, т. е. речного стока, находится в пределах 10-20 %, то территория испытывает «умеренный водный стресс», если эта доля составит 20-40 %, то следует говорить уже о «средне-высоком водном стрессе». Если же используется больше 40 % имеющихся водных ресурсов, то возникнет «высокий водный стресс» и регион будет испытывать заметную нехватку воды. В таких условиях требуются срочные меры по управлению водными ресурсами.

В ряде случаев можно уже говорить и о почти полном исчерпании запасов пресной воды. Дефицит пресной воды создает острые проблемы в разных частях земного шара (например, в ряде районов Азии и Африки). Кое-где речь уже идет о «водном кризисе». Однако, если не хватает воды, возникают и более масштабные явления - продовольственный и энергетический кризисы.

В настоящее время (И. А. Шикломанов и др., 2004) около 40% населения Земли живет в условиях очень низкого обеспечения пресной водой. Если рост водопотребления будет в будущем происходить по первому упомянутому выше сценарию, то к 2025 г. в критической ситуации окажется уже 60 % населения планеты.

Водопотребление в СССР. Оно росло очень быстро, особенно в послевоенные годы. С 1950 г.по 1990 г. полное и безвозвратное водопотребление увеличилось соответственно с 95 до 400 км3/год (в 4,2 раза) и с 52 до 226 км3/год (в 4,3 раза).

Интересно сравнить структуру водопотребления в СССР и США. Данные В 1990 г. доля безвозвратных потерь воды в СССР (56 %) была заметно больше, чем в США (24 %); доля полного водопотребления в промышленности в США была больше, чем в СССР.

Водопотребление в России. Распад СССР привел к тому, что России досталась относительно небольшая доля орошаемых земель бывшего СССР (главная их часть приходилась на Среднюю Азию, Казахстан, Украину). Кроме того, в 1990-х г. сказался и спад промышленного и сельскохозяйственного производства, вызванный экономической дестабилизацией.

В результате в России объем водопотребления по сравнению с тем, который был и в СССР и в РСФСР, заметно сократился. По данным РосНИИВХа, в 1991-1998 гг. потребление пресной воды уменьшилось в России на 31 %, а морской воды - на 25%.

В 2001 г. в России полное водопотребление составило 66,7 км³. На долю пресных вод пришлось 60,7, морских - 6,0 км³. Из поверхностных источников в этом году было использовано 51,8, из подземных - 8,9 км³ пресных вод. Главным потребителем воды была промышленность.

В 2001 г. в России 56,3 км³ отработанных вод вновь поступило в водные объекты (из них 54,7 км³, или 97%,- в поверхностные). Объем сточных вод между отраслями хозяйства распределился следующим образом, %: на долю промышленности пришлось 63, сельского хозяйства - 11, коммунального хозяйства - 25, других отраслей - 1. Часть сточных вод была недостаточно очищена. Основной объем загрязненных сточных вод, поступающих в водные объекты, дают промышленность и коммунальное хозяйство.

В последние годы, согласно материалам VI Всероссийского гидрологического съезда (2004), величина водопотребления в России стабилизировалась на уровне около 70 км³/год.

В основе системы управления водными ресурсами России лежат следующие принципы: рациональное использование, т. е. единство процессов использования и охраны вод; территориально-бассейновый подход; государственная собственность на все природные ресурсы, включая водные, и гидротехнические сооружения. Используются три уровня управления водным хозяйством: федеральный орган (Федеральное агентство водных ресурсов); бассейновый орган, подчиняемый федеральному и представляющий интересы государства по использованию и охране водных ресурсов бассейна реки; территориальный орган, имеющий двойное подчинение: бассейновому органу и администрации территории - субъекту Российской Федерации. Научно-методическое руководство использованием и охраной вод в стране осуществляет Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов (РосНИИВХ) в г. Екатеринбурге.

Водное законодательство в России. В нашей стране действует Водный кодекс Российской Федерации, принятый Государственной Думой 18 октября 1995 г. Водный кодекс имеет силу закона и регулирует отношения в области использования и охраны природных вод.

В Водном кодексе отмечается, что «воды являются важнейшим компонентом окружающей природной среды, возобновляемым, ограниченным и уязвимым природным ресурсом, используются и охраняются в Российской Федерации как основа жизни и деятельности народов, проживающих на ее территории, обеспечивают экономическое, социальное, экологическое благополучие населения, существование животного и растительного мира».

В Водном кодексе дается такая классификация водных объектов, юридически принадлежащих России: 1) поверхностные водные объекты - водотоки (реки, ручьи, каналы) и водоемы (озера, водохранилища, болота, пруды), ледники и снежники; 2) внутренние морские воды (расположены в сторону берега от границы территориальных вод); 3) территориальные моря России (прибрежные воды шириной 12 морских миль). Совокупность водных объектов в пределах территории Российской Федерации, включенных или подлежащих включению в Государственный водный кадастр, представляют собой «водный фонд» России.

Водный кодекс определяет, что «водные объекты могут использоваться для следующих целей: питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения; здравоохранения; промышленности и энергетики; сельского хозяйства; лесного хозяйства; гидроэнергетики; рекреации; транспорта; строительства; пожарной безопасности; рыбного хозяйства; охотничьего хозяйства; лесосплава; добычи полезных ископаемых».

В Российской Федерации устанавливается государственная собственность на водные объекты. Водные объекты принадлежат на правах собственности либо Российской Федерации (федеральная собственность), либо субъектам Российской Федерации (собственность субъектов РФ). Водным кодексом установлено, что «права пользования водными объектами приобретаются на основании лицензии на водопользование и заключенного в соответствии с ней договора пользования водным объектом».

Практическое значение гидрологии. Независимо от того, идет ли речь о водопотребителях или водопользователях, эксплуатация водных ресурсов, оценка возможности и эффективности их использования невозможны без научного обоснования и соответствующих исследований, поэтому в рациональном освоении водных ресурсов важная роль принадлежит гидрологии. Гидрологи обеспечивают водопотребителей и водопользователей данными о количестве и качестве воды, о пространственно-временных изменениях гидрологических характеристик.

Промышленность и коммунальное хозяйство заинтересованы в оценке как количества, так и качества потребляемой воды, орошаемое земледелие - в данных о режиме источника, из которого осуществляется водозабор.

Любое строительство на берегах рек (набережных, причалов и др.), а также сооружение мостов, переходов трубопроводов и линий высоковольтных электропередач (ЛЭП) через реки требует знания об уровнях воды, ледовых явлениях, скоростях течения, русловых процессах (размыва или намыва дна и берегов). Строительство на берегах морей или в прибрежной зоне, например сооружение установок по добыче нефти на шельфе, невозможно без учета данных о волнении, ледовых явлениях и других характеристиках морского режима. Предоставить такие данные проектировщикам и строителям могут только гидрологи.

Речной водный транспорт нуждается в сведениях об уровнях воды, скоростях течения, ледовых явлениях, русловых процессах. Заметим, что изучение режима многих рек России началось именно в связи с их использованием для судоходства. Морскому транспорту требуются данные о морских течениях и волнении. Океанологи нередко снабжают моряков сведениями о так называемых «рекомендованных курсах», позволяющих пересечь океан наиболее быстро и безопасно.

Гидроэнергетика нуждается в данных о современных и ожидаемых колебаниях стока воды, рыбное хозяйство - в сведениях о физико-химических характеристиках воды (температуре, солености, содержании кислорода и т. д.).

Гидрологические исследования необходимы не только для удовлетворения запросов водопотребителей и водопользователей. Велика их роль и в решении такой проблемы, как защита населенных пунктов и земель от наводнений (причем не только на реках, но и в приморских районах). Особую актуальность приобретают исследования и прогнозы наводнений на реках, вызванных дождевыми паводками или ледяными заторами, а в устьях рек и в прибрежных морских районах - штормовыми нагонами и волнами цунами.

Велика роль гидрологов в разработке кратко-, средне- и долгосрочных прогнозов состояния водных объектов (рек, озер, морей).

Важна роль гидрологии и в решении проблем охраны природы, при разработке мероприятий по защите водных объектов от истощения и загрязнения. Гидрологи ведут контроль за состоянием качества воды, разрабатывают приемы прогноза распространения загрязняющих веществ, например «нефтяных пятен» после аварий танкеров на реках и в морях.