Гидросфера Земли и рациональное использование водных ресурсов

В гидросфере Земли, как уже отмечалось, происходит круговорот воды. Перемещение воды происходит во всех направлениях. Распределение воды в гидросфере, в том числе, в разных агрегатных состояниях представлено в табл. 7.1.

Площадь водной поверхности 360,8⋅106 км2, средняя глубина мирового океана 3,8 км.

Растворённые вещества определяют солёность – массу растворённого вещества, в граммах, в 1000 г морской воды. Так, например, определяется хлорность морской воды. Согласно формуле Кнудсена

S = 0,03 + 1,805С, где S – солёность воды, С – хлорность воды.

Солёность вод океана определяется несколькими химическими элементами – ионами. Это катионы 2+, Ca 2+, анионы 24−, HCO 3−. На остальные элементы приходится 4,2 %. Солёность S воды в океане изменяется в пределах 34 – 36 %. Важное звено в круговороте воды – ледники. Они фомируются в полярных и высокогорных районах и характеризуются малой минерализацией. Континентальные воды – реки, озёра, болота – образуются в соответствии с климатом данной местности и по составу растворённых солей также разнообразны. При этом соотношения концентрации ионов достаточно постоянны и обратны морской воде:

в морской воде 2 2 24 3−, в материковых водах: Mg 2 2 24 3−.

Подземные воды различно минерализованы, отличаются отсутствием кислорода. Их верхние слои – грунтовые воды – участвуют в круговороте воды. К подземным водам относятся и термальные воды – гейзеры. Поскольку воды Земли минерализованы и постоянно мигрируют, гидросфера участвует в круговороте веществ (микроэлементов) в биосфере.

Форма нахождения Объём, 103 км3 Процент в том числе активного водообмена 4000 0,3

Речные воды 1,2 ∼0,0001

Пресные воды составляют 3 % массы всех вод Земли. Реально доступной или пригодной для использования людьми является 0,001 часть пресных вод.

Потребители пресной воды

Пресная вода расходуется на удовлетворение хозяйственно-бытовых нужд населения, промышленностью, сельским хозяйством. Различают возвратное потребление – с возвращением забранной воды в источник (коммунальное хозяйство, промышленность, водохранилища) и безвозвратное водопотребление – с расходом её на фильтрацию, испарение и т.п. (в основном, в сельском хозяйстве). Хотя запасы речных вод невелики (1200 км3 или 0,0001 % объёма всей гидросферы), именно речная вода обеспечивает основной объём потребляемой воды в быту и народном хозяйстве, так как речные воды обладают значительной способностью к возобновлению и самоочищению.

Процесс урбанизации, интенсивное развитие промышленности, сельского хозяйства ведут к непрерывному возрастанию водопотребления (в течение 20-го века оно возросло более чем в 7 раз). На рис. 7.1. показана динамика водопотребления в мире по видам хозяйственной деятельности. На 2000 г 63 % полного водопотребления (или 86 % безвозвратного) в мире приходится на сельское хозяйство. Так, за 20-й век площадь орошаемых земель возросла с 47 млн. га до 347 млн. га. Примерно такая же ситуация к 1991-92 г.г. сложилась в бывшем СССР: потребление воды на промышленные нужды составляло около 30 %, в сельском хозяйстве – 57 %, в коммунальном хозяйстве – 8 %. Существенно иная ситуация в Российской Федерации: в 1991 г. из потреблённых 117 км3 на нужды промышленности ушло 53%, на сельское хозяйство – более 20 %, на хозяйственно-питьевые нужды – 15 %.

На многих реках России водозабор превысил все допустимые нормы и составляет более 50 % от среднего многолетнего стока (р. Кубань, Урал, Миасс и др.). На реке Дон водозабор составил 64 %. Это говорит о том, что наблюдающаяся деградация водных объектов, особенно в европейской части России, на Урале, в Кузбассе связана с большим забором воды.

Потери пресной воды. Экологические последствия

Как отмечено выше (разд. 7.2), объём речных вод составляет ничтожную часть (0,0001 %) объёма гидросферы. Между тем до настоящего времени потребление человеком пресной воды осуществляется, главным образом, за счёт вод речного стока. Это понятно: речная сеть наиболее доступна для изъятия пресной воды как по распространённости по земной поверхности (по сравнению, например, с озёрами, в которых пресной воды содержится больше на два порядка величины, но распределены озёра крайне неравномерно), так и по энергетическим и другим издержкам на изъятие (по сравнению, например, с забором воды из подземных источников). Кроме того, воды речной сети наиболее динамичны и способны к возобновлению и самоочищению. Годовой сток речной сети в мировой океан составляет, по разным оценкам, в среднем (15-16)⋅103 км3/год. Если отнести достигнутое на 2000 г. водопотребление в мире (5190 км3/год, рис. 7.1.) к среднему многолетнему стоку мировой речной сети (15-16) ⋅103 км3/год, то окажется, что усреднённый общемировой водозабор приближается к 30% от общемирового усреднённого стока речной сети. Конечно, в такой оценке не учтён водозабор из подземных источников, из озёр (этот водозабор учтён в прогнозной величине водопотребленья 5190 км3/год). Поэтому реальное отношение годового водозабора к годовому стоку будет несколько меньше 30%, но дело идёт к этому.

В этой ситуации чрезвычайно важно предельно минимизировать безвозвратное водопотребление. То есть такое водопотребление, при котором определённая доля воды, забираемая водопользователем, например, из речной сети, в речную сеть не возвращается. К сожалению, сегодняшние технологии в промышленности, сельском хозяйстве, коммунальном хозяйстве предопределяют значительные потери пресной воды. В табл. 7.2. для указанных видов хозяйственной деятельности приведены данные по полному водопотреблению и безвозвратным потерям (в знаменателе, здесь же – процентное содержание потерь) на рерритории бывшего СССР в 1900, 1980 и 2000 г.

Как следует из табл. 7.2., в 2000 г. на территории бывшего СССР из 440 км3 потреблённых пресных вод 270 км3 (или 61,4 %) безвозвратно изъято, прежде всего, из речного стока. Если положить, что на территории бывшего СССР, как и в среднем в мире, водозабор составляет ∼30 % от стока, то с учётом того, что безвозвратные потери пресных вод в 2000 г. оценены в 61,4 %, получается, что речная сеть данной территории сегодня безвозвратно теряет 0,614·30 % ≈ 18,5 % своего стока. Эту же цифру можно, в первом приближении, отнести и к миру в целом.

Полное водопотребление и безвозвратные потери, в км /год по видам хозяйственной деятельности на территории бывшего СССР

Сельское 41,6 130,5 250,5 хозяйство 26,4(63,5%) 60,2(46,1%) 205,2(81,9%)

0,1 (10%) 5(7.1%) 34 (26,15%)

Коммунальное 1,6 9,7 34 хозяйство 0,6 (37,5%) 2 (20,6%) 7 (20,5%)

Водохранилища 0 14,6 23,4

0 14,6 (100%) 23,4 (100%) (округлено) 28 (63,6%) 107 (47,5%) 270 (61,4%)

Экологические последствия дефицита водных ресурсов

Разумеется, данные потери не абсолютно безвозвратны для биосферы. Фактически в процессе водопользования часть воды из речной сети переводится в атмосферную влагу за счёт испарения (как, например, в устройствах охлаждения нагретых вод ТЭС и АЭС) или в почвенную и атмосферную влагу (как при орошении в сельском хозяйстве) и, таким образом, остаётся в биосфере.

Но водоёмам, точнее биоте водоёмов, прежде всего рек, от этого не легче: уменьшение практически на 20 % массы воды в реках приводит к резкому изменению условий обитания всех участников экологических процессов в водоемах. Интенсивное одновременное загрязнение речных вод коммунальными, промышленными и сельскохозяйственными стоками ведёт к деградации рек речной системы территории бывшего СССР.

Характерные примеры:

• реки Средней Азии – Аму-Дарья и Сыр-Дарья, практически «разобранные» на орошение хлопковых плантаций и другие хозяйственные нужды по пути их следования к Аральскому озеру-морю, и предопределившие, таким образом, начавшуюся гибель Аральского моря;
• река Дон, водозабор которой составил 64 %, что соответствует безвозвратным потерям его вод в 40 %, а в июне-августе, на которые приходится более 60 % водозабора, легендарный тихий Дон вообще дышит на ладан.

Влияние водозабора на экосистемы и эстуарии

При безвозвратном отводе воды экологические последствия затрагивают не только собственно реку. Пересыхают или уже пересохли болота вдоль множества рек, так как болота в гораздо меньшей степени подпитываются периодическими паводками. Это приводит к исчезновению большого количества водной дичи и многих видов животных и растений, ранее обитавших в этих местах.

Это касается и эстуариев-заливов, в которых пресная вода, выходящая из устьев рек в мировой океан, постепенно смешивается с морской. Эстуарии – одни из самых продуктивных экосистем в биосфере: прекрасные места размножения многих видов рыб, моллюсков, водяных птиц.

При уменьшении речного стока солёность воды в эстуариях возрастает, что резко изменяет экологию данных вод. Так, экологическая обстановка в северной части Калифорнийского залива (Мексика) заметно изменяется в связи со значительным уменьшением притока пресной воды из реки Колорадо: забор воды на орошение и водоснабжение города Лос-Анджелеса стремительно приближается к 100 % её среднегодового стока, и то место, где река впадает в Калифорнийский залив, теперь часто представляет собой её сухое русло.