Основные источники загрязнения гидросферы

Гидросфера — водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и литосферой и представляющая собой совокупность океанов, морей, озер, рек, прудов, болот, подземных вод, ледников и водяного пара атмосферы. Гидросфера связана с другими элементами Земли — атмосферой и литосферой. Воды Земли находятся в непрерывном движении. Круговорот воды увязывает воедино все части гидросферы, образуя в целом замкнутую систему. Без гидросферы невозможно существование растений и животных, так как их клетки и ткани в основном состоят из воды. Например, человек на 65 % состоит из воды, и его суточная физиологическая норма потребления воды составляет 1,5…2,6 л. Кроме того, для удовлетворения гигиенических потребностей человеку в среднем требуется ежедневно около 35 л воды.

В природе вода может быть в твердом (лед), жидком (собственно вода) и газообразном (водяной пар) состоянии. Льды занимают до 10 % суши. Вода Мирового океана покрывает около 3/4 поверхности планеты и насыщает почву суши. В атмосфере вода содержится в виде пара, количество которого колеблется в зависимости от температуры, давления и других условий.

Обычно в воде содержатся различные примеси органического и неорганического происхождения. Различают воду соленую и пресную. Основную массу воды на нашей планете составляет соленая вода, образующая соленый Мировой океан и большую часть минерализованных подземных вод глубинного (1,5…2 км) залегания.

Средняя соленость океанической воды составляет 34,7 %, или 34,7 г/л. Содержание солей в пресной воде — не более 1 г/л. Общие запасы воды на планете составляют 1 385 984 тыс. км3 и занимают 510 млн км2, или 70 % ее поверхности. Средняя глубина гидросферы — 3 554м.

Если всю воду равномерно распределить по поверхности планеты, то получится слой толщиной 2 718 м. Масса всей воды составляет примерно 1,32 • 1018 т, или 0,022 % от общей массы Земли. Температура воды в летний период па поверхности моря колеблется от -2 °С в Белом море до +35 °С в мелководных районах Персидского залива.

Большие запасы пресной воды сосредоточены в реках, среди которых самыми длинными являются Нил и Амазонка. Протяженность Нила составляет 6 670 км, а Амазонки — 6 437 км. Среди рек России наибольшую протяженность имеет Обь. Если считать ее длину от истока Иртыша, то она составляет 5 410 км. В ледниках и океанических льдах также сосредоточено большое количество воды. Самый толстый слой льда (4,78 км) зарегистрирован в Антарктиде.

Мировой океан неоднороден как по солености, так и по температуре. В нем можно различить изометрические области, слои и тончайшие прослойки. Самая высокая температура воды в океане (404 °С) была зарегистрирована у горячего источника в 480 км от западного побережья США. Нагретая до такой температуры вода не превращалась в пар, так как источник находился на значительной глубине в условиях большого давления. Самая чистая вода в мире зарегистрирована в море Уэддела, в Антарктиде. Ее прозрачность соответствовала прозрачности дистиллированной воды. При этом воды Мирового океана находятся в постоянном движении, их температура и течения влияют на состояние воздушных масс и
определяют погодные и климатические условия на прилегающих территориях.

В табл. 17.1 представлены данные по водным запасам Земли, из которых видно, что количество пресной воды составляет всего 2,53 % от общих запасов, причем 3/4 этого количества находится в труднодоступных местах, в том числе в виде ледников и на больших глубинах под землей.

Поверхностные, подземные и атмосферные воды связаны между собой. К атмосферным водам относятся воды, содержащиеся в воздухе в виде пара. Они составляют около 0,001 % запаса воды планеты. В основном атмосферные воды формируются за счет ежегодного испарения с поверхности Мирового океана около 505 тыс. км воды. Из них 458 тыс. км^3 возвращается обратно в океан в виде
осадков, а 47 тыс. км3 перемещается в результате атмосферной циркуляции и выпадает в виде осадков над сушей. С поверхности суши, включая поверхность озер и рек, испаряется 72 тыс. км^3, которые затем возвращаются на сушу в виде осадков. Таким образом, над сушей выпадает 119 тыс. км3 осадков. Осадки (дождевые
воды) — пресные, очень бедные минеральными примесями и малопригодны для питья.

По общим запасам пресной воды Россия занимает второе место в мире (после Бразилии). Положение осложняется неравномерностью распределения водных ресурсов по территории страны. В южных и юго-западных районах России на одного жителя приходится 3…5 тыс. м^3 речного стока, на севере европейской части
Российской Федерации — 35 тыс. м^3, в Западной Сибири —
45 тыс. м^3, а в Восточной Сибири — 144 тыс. м^3.

В оз. Байкал сосредоточено 26 % мировых запасов озерной пресной воды (26,5 км3). По своим запасам и характеристикам это озеро считается уникальным.

Потребность человека в пресной воде на 80 % удовлетворяется за счет речного стока. Единовременный ее объем в руслах рек оценивается в 2 тыс. км3.

Прогнозы показывают, что в XXI в. ресурсы рек не смогут покрыть спрос на воду и потребность в ней необходимо будет удовлетворять за счет опреснения вод Мирового океана, а также за счет использования подземных вод и вод ледников. Подземные
воды составляют около 20 % всего объема пресной воды гидросферы. По своим свойствам они могут быть пресными и минерализованными и подразделяются на верховодку и глубинные. Верховодка располагается в первых двух-трех метрах толщины фунта и, как правило, очищена слабо. Глубинные воды наиболее чистые, но труднодоступные.

В мировой практике широко используются поверхностные воды, накапливаемые в водохранилищах. Общий объем таких вод составляет более 5 тыс. км^3.

Потребление воды промышленностью и сельским хозяйством в настоящее время достигло больших объемов. Самым крупным потребителем воды в настоящее время является сельское хозяйство. Для получения 1 т пшеницы необходимо 1500 м^3 воды, риса — более 7 ООО м^3, хлопка — около 10000 м^3.

Второе место занимает промышленность. Так, на производство 1 т стали-чугуна расходуется 15…20 м^3 воды; серной кислоты —25…80 м^3; азотной кислоты — 80… 180 м^3; шерсти — 400 м^3; синтетического волокна — 500 м^3; пластмасс — 500… 1 000 м^3; синтетического каучука — 2000…3000 м^3.

В масштабах планеты различные отрасли промышленности (без энергетики) потребляют ежегодно 215 км3 воды, энергетика — 240 км^3. По расчетам специалистов безвозвратное водопотребление составляет 150 км^3 в год, т.е. 1 % устойчивого стока пресных вод.

Развитие человеческого общества ведет к увеличению водопотребления. Так, по расчетам специалистов потребление воды в XXI в. ежегодно будет возрастать на 3 %. Многие страны ощущают водное голодание несмотря на то, что всего 1 % водопотребления расходуется на бытовые нужды. Трудности с обеспечением водой
испытывает около 2 млрд человек. По данным ООН, в развивающихся странах 15 млн детей в возрасте до пяти лет умирают ежегодно от болезней, связанных с употреблением загрязненной воды. Наряду с общим ростом потребности в пресной воде происходит интенсивное ее загрязнение, в результате чего сокращается количество разведанных и освоенных источников чистой воды. Процесс cамоочищения в гидросфере связан с круговоротом воды в природе.

В водоемах этот процесс обеспечивается совокупной деятельностью организмов, которые их населяют. В идеальных условиях процесс самоочищения протекает достаточно быстро и вода восстанавливает свое первоначальное состояние.

Факторы, характеризующие процесс самоочищения водоемов, можно подразделить на три группы: физические, химические, биологические.

Среди физических факторов, обусловливающих самоочищение водоемов, основными являются разбавление, растворение и перемешивание поступающих загрязнений. Например, интенсивное течение реки обеспечивает хорошее перемешивание, в результате чего снижается концентрация взвешенных частиц. Оседание в воде нерастворимых частиц в процессе отстаивания загрязненных вод
способствует самоочищению водоемов.

Под действием силы тяжести микроорганизмы осаждаются на органических и неорганических частицах и постепенно опускаются на дно, подвергаясь при этом действию других факторов. Увеличение интенсивности действия физических факторов способствует быстрому отмиранию загрязняющей микрофлоры. При воздействии ультрафиолетового излучения происходит обеззараживание воды, основанное на прямом губительном воздействии этих лучей на белковые коллоиды и ферменты протоплазмы микробных клеток. Ультрафиолетовое излучение может воздействовать не только на обычные бактерии, но и на споровые организмы и вирусы.

Очищение воды в океане происходит за счет фильтрационных способностей планктона. За 40 дней поверхностный слой воды толщиной в сотни метров проходит через фильтрационный аппарат планктона. Соотношение главных ионов в морской воде на протяжении миллионов лет остается достаточно стабильным несмотря на непрерывный обмен веществ между океаном и сушей. Концентрация растворенных в морской воде солей составляет около 3,5 %. По химическому составу эти соли на 99,9 % состоят из ионов: натрия, калия, хлора, брома, фтора, магния, кобальта и др.

Уровень загрязнения рек, озер, морей и океанов с каждым годом возрастает. Особую и едва ли не самую серьезную роль в загрязнении водных объектов играет сброс отработанных промышленных вод. Они загрязняют более 1/3 всего речного стока. Например, в США за 70 лет загрязненность рек выросла в 10 раз, что привело к запрещению купания в р. Миссисипи и ее притоках. Аналогичная ситуация наблюдается и в ряде других рек и озер. Не лучшим образом обстоит дело и с водоемами, расположенными в европейской части Российской Федерации. Так, концентрация аммонийного и нитритного азота увеличилась в 1,5 раза, количество взвешенных и органических веществ по БПК5 достигает от 2 до 12 ПДК, содержание фенолов — от 10 до 41 ПДК, тяжелых металлов — от 8 до 24 ПДК.

Наибольший вклад в загрязнение водных объектов сточными водами вносят такие отрасли промышленности, как черная и цветная металлургия, электроэнергетическая, химическая, нефтеперерабатывающая, целлюлозно-бумажная и пищевая.

В зависимости от технологических особенностей производств сточные воды можно подразделить:

• на реакционные воды, загрязненные как исходными веществами, так и продуктами реакции;
• воды, содержащиеся в сырье и исходных продуктах;
• воды после промывки сырья, продуктов, тары, оборудования;
• водные экстрагенты и абсорбенты;
• бытовые воды с туалетов, после мытья помещений, душевых;
• воды, стекающие с территории промышленных предприятий, загрязненные различными химическими веществами.

Промышленные сточные воды могут иметь кислую, нейтральную или щелочную среду, что приводит к изменению естественного pH в водоемах, в которые сбрасываются эти воды.

В шлаках промышленных производств присутствуют разнообразные органические вещества и соединения тяжелых металлов; в бытовых отходах содержание органических веществ составляет 32…40%. Эти вещества, попадая в почву, создают в грунтах устойчивую восстановительную среду, в которой возникает особый тип иловых вод, содержащих сероводород, аммиак, ионы металлов.

В случае образования в водоемах поверхностных пленок, содержащих нефтяные углеводороды, нарушается газообмен на границе сред воздух—вода. Кроме того, загрязняющие вещества могут аккумулироваться в клетках и тканях гидробионтов и оказывать токсическое действие на них.

Поверхностные воды в промышленно развитых густонаселенных регионах подвергаются загрязнению коммунально-бытовыми и промышленными стоками, стоками сельскохозяйственных предприятий и др. Например, в пределах столицы ежегодно в р. Москву станциями аэрации сбрасывается до 4 млн м^3 сточных вод; к
ним нужно добавить 8 тыс. м^3 сточных вод, поступающих от промышленных предприятий. Всего в бассейн р. Москвы поступает 9 тыс. т загрязняющих веществ, основу которых составляют соединения азота, нефтепродукты, металлы. Все это приводит к тому, что в черте города в водах р. Москвы в 2 раза возрастает количество взвешенных частиц, в 1,5 раза увеличивается минерализация, концентрация растворенного кислорода уменьшается до1.5…2.0 мг/л, в 5 раз увеличивается концентрация биогенных элементов, в 2 раза по сравнению с фоновым возрастает содержание металлов и нефтепродуктов.

По количеству сбрасываемых в водоемы стоков в Российской Федерации лидируют: Москва — 2 367 млн м^3, Санкт-Петербург — 1 519 млн м^3, Ангарск — 529 млн м^3, Красноярск — 416 млн м^3, Новосибирск — 316 млн м^3.

Еще одним источником загрязнения природных вод являются атмосферные воды, несущие в себе вымываемые из воздуха загрязняющие вещества промышленного происхождения. При стекании по поверхности земли атмосферные и талые воды дополнительно увлекают за собой органические и минеральные вещества из почвы. Это касается территорий санитарно-неблагоустроенных населенных пунктов, сельскохозяйственных объектов и угодий, особенно в период весеннего паводка, что приводит к сезонному ухудшению качества питьевой воды.

Городские сточные воды, включающие в себя преимущественно бытовые стоки, которые содержат большое количество поверхностно-активных моющих средств, также являются источниками загрязнения природных вод. Наличие в стоках поверхностно-активных моющих средств губительно сказывается на флоре и фауне.
Например, 10…25 мг моющих химических средств на 1 л воды ядовиты для водной флоры. При концентрации моющих средств 1 мг/л гибнет планктон, при 3 мг/л — дафнии, при 15 мг/л — рыбы.

Кроме того, в городских сточных водах может содержаться в среднем (мг/л): калия — 5,9; меди — 0,5; свинца — 0,5; железа — 0,8; натрия — 23,2; цинка — 0,2; фосфора — 6,6; жиров — 4,53. В свою очередь, разложение большого количества органических веществ в стоках приводит к дефициту кислорода и накоплению сероводорода, в результате чего со временем такие водоемы умирают.

Большое значение для организации водопотребления и водопользования имеет режим подземных вод, который может нарушаться проведением мелиоративных и гидротехнических работ, строительством городов и поселков, сооружением и эксплуатацией шахт и рудников. В результате уровень грунтовых вод может
меняться на обширных территориях. Например, в районе Курской магнитной аномалии осуществление работ в местах добычи полезных ископаемых вызвало появление депрессионных воронок, а затем заметное изменение водного режима и характера растительности на расстоянии 50…60 км от карьеров. Интенсивная откачка из глубин нефти, газа или воды может повлечь за собой оседание почвы на больших территориях, изменение путей подземных потоков и их скоростей, что может привести к разрушению первичных структур. Вместе с тем откачка подземных вод из шахт, рудников и карьеров и сброс их на поверхность ведут к загрязнению рек и водоемов.

Многие страны, имеющие выход к морю, производят морское захоронение вредных веществ. Объем таких захоронений составляет около 10 % от всей массы загрязняющих веществ, поступающих в Мировой океан. Основанием для использования морей и океанов в качестве полигонов для захоронения различных отходов послужила способность морской воды к переработке большого количества органических и неорганических веществ. Однако эта способность не беспредельна. Поэтому такой подход можно рассматривать как вынужденную меру, подтверждающую несовершенство технологий по переработке и уничтожению отходов производства и потребления.

В результате аварий судов, промывки резервуаров танкеров, утечек нефти при добыче ее в шельфовой зоне ежегодно в воды Мирового океана попадает до 10… 15 млн т нефти. Каждая тонна нефти покрывает тонкой пленкой примерно 12 км2 поверхности и загрязняет до миллиона тонн морской воды.

Захоронение радиоактивных отходов (РАО) в море рассматривается как изоляция этих опасных веществ от среды обитания человека на период, достаточный для физического распада радионуклидов. Захоронение жидких радиоактивных отходов (ЖРО) и твердых радиоактивных отходов (ТРО) осуществлялось многими
странами, имеющими атомный флот и атомную промышленность. Первые захоронения РАО в морях были произведены в 1946 г. США в северо-восточной части Тихого океана на расстоянии 80 км от побережья Калифорнии. С 1947 г. сбросы стали производиться Великобританией и другими странами. До 1983 г. практиковался сброс ТРО в открытое море.

В России возникают свои проблемы, связанные с захоронением РАО в морях, омывающих ее территорию. Захоронение в СССР РАО началось в 1957 г. Только по ТРО в северные и дальневосточные моря суммарный сброс составляет 53 376 м^3 с активностью 21 614 Кюри. Одновременно производится захоронение ЖРО, суммарный слив которых в северные моря составил 190435 м^3 с активностью 23 753 Кюри.

Не меньший вред с точки зрения загрязнения водных объектов наносят удобрения и ядохимикаты (пестициды), применяемые в сельском хозяйстве, которые, попадая на поверхность почвы, смываются с нее и оказываются в водоемах.

Процессы регенерации, или самоочищения, протекают в водной среде гораздо медленнее, чем в воздухе. Источники загрязнения водоемов более разнообразны, а естественные процессы, происходящие в водной среде и подвергающиеся действию загрязнителей, более чувствительны и имеют большее значение для обеспечения жизни на Земле, чем те, которые происходят в атмосфере. Критерием загрязненности воды является ухудшение ее качества вследствие изменения органолептических свойств и появление веществ, вредных для человека, животных, птиц, рыб, кормовых и промысловых организмов, а также повышение температуры воды, изменяющей условия для нормальной жизнедеятельности водных организмов.

Важнейшей водоохранной задачей в условиях промышленной и хозяйственной деятельности общества является установление допустимых нагрузок на водные объекты при водопользовании и водопотреблении.

Водопользование — это использование воды без изъятия ее из мест естественной локализации. В основном водопользователями являются рыбное хозяйство, гидроэнергетика, водный транспорт.

Водопотребление — это использование воды, связанное с изъятием ее из мест локализации с частичным или полным безвозвратным расходованием или с возвращением в источник водозабора в загрязненном состоянии. Как уже отмечалось, основными водопотребителями являются сельское хозяйство, промышленное производство, культурно-бытовое хозяйство.

В зависимости от категории водопользования (рис. 17.1) предъявляются соответствующие требования к качеству воды.

При анализе вредных веществ, поступающих в водный объект, используют совокупность специфических токсикометрических характеристик, в зависимости от которых конкретное вещество относят к тому или иному классу опасности.

Одним из основных показателей, с помощью которого определяют опасность вредных веществ, является подпороговая (максимально недействующая) концентрация (МНК) вещества, мг/л, определяемая по санитарно-токсикологическим признакам при поступлении вещества с организм в водой.

Другим показателем является подпороговая (максимальная недействующая) доза (МИД) вещества, которая численно в 20 раз меньше МНК (МИД = МНК/20).

Поскольку многие вещества обладают специфическими привкусами и запахами, то оценку опасности производят с помощью подпороговой органолептической концентрации ППКорг.л, которая оценивается восприятием вещества органами чувств. Кроме названных к токсикометрическим характеристикам вредных веществ в воде относятся:

• пороговая концентрация, не влияющая на санитарные характеристики воды в водном объекте (ПКсан);
• пороговая доза по отдаленным эффектам (ПДотд);

пороговая доза по общетоксическому действию (ПДобщ).Класс опасности вещества в воде устанавливается в четыре этапа (табл. 17.2), причем на первых двух этапах чрезвычайно опасные вещества не определяются.