Рациональное использование и охрана водных ресурсов

В последнее время разрабатываются и внедряются все более эффективные методы очистки и доочистки сточных вод после их биологической очистки с применением новейших способов обработки стоков: радиационных, электрохимических, сорбционных, магнитных и др. совершенствование технологии очистки сточных вод, дальнейшее повышение степени очистки - важнейшие задачи в области охраны вод от загрязнения. Значительно шире следует применять доочистку очищенных сточных вод на земледельческих полях орошения (ЗПО). При доочистке сточных вод на ЗПО не затрачиваются средства на их индустриальную доочистку, создается возможность получать дополнительную сельскохозяйственную продукцию, значительно экономится вода, так как уменьшается забор свежей воды для орошения и отпадает необходимость в расходовании воды для разбавления сточных вод. При использовании на ЗПО городских сточных вод содержащиеся в них питательные вещества и микроэлементы усваиваются растениями быстрее и полнее, чем искусственные минеральные удобрения. К числу важных задач относится также предотвращение загрязнения водоемов пестицидами и ядохимикатами. Для этого требуется ускорить проведение противоэрозионных мероприятий, создать пестициды, которые разлагались бы в течение 1-3 недель без сохранения ядовитых остатков в культуре. До решения же этих вопросов необходимо ограничить сельскохозяйственное использование прибрежных зон вдоль водотоков или не применять в них пестициды. Большего внимание требует и создание водоохранных зон. В защите водных источников от загрязнения важное значение имеет введение платы за сброс сточных вод, создание комплексных районных схем водопотребления, водоотведения и очистки сточных вод, автоматизация контроля за качеством воды в водоисточниках и разработка методов управления качеством. Следует отметить, что комплексные районные схемы позволяют перейти к повторному и многократному использованию воды, эксплуатации общих для района очистных сооружений, а также автоматизировать процессы управления работой водопровода и канализации. В предотвращении загрязнения природных вод велика роль охраны гидросферы, поскольку приобретенные гидросферой отрицательные свойства не только видоизменяют водную экосистему и угнетающе действуют на ее гидробиологические ресурсы, но и разрушают экосистемы суши, ее биологические системы, а также литосферу. Необходимо подчеркнуть, что одной из радикальных мер борьбы с загрязнением служит преодоление укоренившейся традиции рассматривать водные объекты в качестве приемников сточных вод. Там, где это возможно, следует исключить в одних и тех же водотоках и водоемах либо забор воды, либо сброс сточных вод.

Проблемы рационального использования водных ресурсов и пути их решения

Регулирование стока рек водохранилищами

Одно из наиболее существенных водохозяйственных мероприятий по преобразованию гидрологического режима рек с целью выравнивания естественной неравномерности стока во времени - создание искусственных водоемов. Влияние этих водоемов на сток рек проявляется во внутригодовом и многолетнем перераспределении водности, смене русловых процессов, изменении особенностей затопления русл и пойм рек, режима наносов, теплового стока рек и ледовых условий, а также характера и интенсивности испарения с водной поверхности, водного режима рек ниже плотины, жидкого и твердого стока. Наиболее распространено сезонное регулирование, основанное на задержании в водохранилище и использовании в первую очередь весенних расходов. Оно необходимо в случаях несоответствия между режимом водопотребления и годовым распределением стока. Когда приходится распределять и межгодовой сток, регулирование носит многолетний характер. Для этого требуются довольно крупные водохранилища, что ведет к дополнительным затоплениям земель при их создании. Суточное и недельное регулирование стока реки заключается в его перераспределении в течение суток (обычно между дневными и ночными часами) и недели (с уменьшением стока воды в нижний бьеф в выходные и праздничные дни). Кроме того, регулирование стока может быть раздельным и совместным. При раздельном регулировании режим эксплуатации водохранилищ в бассейне автономен, при совместном - режимы на всех ГЭС бассейна взаимоувязываются. Причем во втором случае крупные ГЭС с энергетически более емкими водохранилищами компенсируют колебания отдачи энергии менее емкими. Чтобы учесть все особенности регулирования речного стока для каждой конкретной ГЭС и ее водохранилища, составляются основные правила использования водных ресурсов этих объектов. Правила определяют режим эксплуатации прежде всего крупных водохранилищ. В результате регулирования речного стока меженный сток увеличивается на 25%, что существенно улучшает обеспечение народного хозяйства водой. С развитием работ по регулированию стока рек появляется необходимость в специализированных попусках из водохранилищ в нижний бьеф для дополнительного обводнения, а часто и для создания искусственных паводков на нижележащих участках. Они выполняются по разным причинам: в интересах рыбного хозяйства в низовьях реки, для ликвидации иссушения и остепнения поймы, поддержания хорошего санитарно-экологического состояния воды в нижнем бьефе. Если раньше эта мера считалась временной, связанной с крайним маловодьем года или другими подобными обстоятельствами, то теперь такие попуски стали регулярными, хорошо улучшающими природно-экологические условия в нижнем бьефе. Например, управляемый весенний паводок, который осуществляется ежегодно из Волгоградского водохранилища, имеет место на нижней Волге. В последние годы создано множество малых и средних водохранилищ, отличающихся по ряду показателей от крупных. Поэтому особое значение приобретает оценка влияния таких водохранилищ на зарегулированный ими сток рек. Воздействие водохранилищ на потери речного стока во времени можно оценивать в виде суммы одноразовых и постоянных затрат воды. К одноразовым потерям относятся затраты воды на заполнение водохранилищ, пополнение запасов подземных вод за счет поверхностного стока до момента наступления установившегося режима. Постоянные потери воды определяются испарением с дополнительной водной поверхности и безвозвратным водопотреблением на хозяйственные нужды (орошение, водоснабжение и др.) Значительная часть малых и средних водохранилищ предназначается для суточного или недельно-суточного регулирования стока, т.е. достаточно плавный ход суточных и недельных колебаний расходов воды в реке необходимо перераспределить в соответствии с хозяйственными нуждами. Преобразование гидрологического режима реки при наличии водохранилища суточного регулирования наиболее ярко проявляется в увеличении суточной амплитуды колебания расходов воды. Для количественной оценки этих изменений в гидрологическом режиме реки рекомендуется построение гистограмм распределения суточных амплитуд расходов воды по пунктам в верхнем и нижнем бьефе водохранилища, так и за время его эксплуатации. Подобные построения дают четкое количественное представление о происшедших изменениях в режиме зарегулированной реки. Наиболее отчетливо результат зарегулирования обнаруживается в снижении относительной доли стока за тот месяц, на который приходится основная доля стока при естественном режиме. Для рассмотренной территории максимальная доля стока отмечается в основном в марте-апреле. Повышение же доли стока за летний период незначительно, так как сработка водохранилища осуществляется обычно в течение 5-6 месяцев, а иногда и более. При малых долях полезного объема водохранилища от годового объема стока изменение внутригодового распределения стока происходит в пределах естественной изменчивости исследуемого процесса, которая для рассмотренных районов велика. В случаях наиболее значительного внутригодового распределения стока изменение доли стока, приходящейся на месяц с максимальными значениями, достигает 20-25%.

Территориальное перераспределение стока рек

Многие ученые и проектные организации страны ведут исследования по освоению земель, рассуждают о мерах по дальнейшему развитию мелиорации земель и их сельскохозяйственному использованию с целью наращивания производства сельскохозяйственной продукции. В ряде районов, особенно южных, для такого развития нужны не только сельскохозяйственные угодья, но и значительные водные ресурсы. Чтобы обеспечить наличие этих ресурсов в районах, где они исчерпаны, необходимы большие работы по перераспределению речного стока. Такие работы ведутся в стране давно, созданы многочисленные системы перераспределения вод, общий объем которых оценивается более чем в 110 км3. Только крупных каналов с забором воды в их головной части свыше 1,0 км3/год около 20. Они пропускают в зависимости от водности года от 75 до 90 км3. Их суммарная пропускная способность составляет 7,5 тыс. м3/с.  При разработке схемы перераспределения стока сибирских рек на юг вопросам изменения природных условий Западной Сибири не уделялось должного внимания. Широкое обсуждение этой проблемы позволило бы определить ряд специфических природных изменений, которые могут возникнуть в Западной Сибири при изъятии части речного стока для Средней Азии. Наиболее существенные задачи в научной разработке комплексной оценки изменения природной среды при переброске части стока рек Сибири на юг и создании методики эколого-географического прогноза этих явлений в будущем следующие:

1) выработка научно обоснованных  рекомендаций по характеру использования  различных видов природных ресурсов  в условиях преобразования режима сибирских рек;

2) разработка методики  эколого-географического и экономико-географического  обоснования оптимальных вариантов  переброски части стока сибирских  рек с учетом максимальной  эффективности намечаемых мероприятий  по мелиорации не только засушливых районов Средней Азии, но и переувлажненных районов Сибири;

3) оценка ожидаемых изменений  гидрологического режима рек  при частичной переброске их  стока на юг и выработка  рекомендаций по устранению отрицательного  влияния перераспределения стока на народное хозяйство Сибири;

4) создание методики инженерно-геологических, гидрогеологических расчетов и  гидрологических расчетов и прогнозов  изменения водного режима рек  и их влияния на прилегающие  территории суши у создаваемых  водохранилищ и каналов по трассам переброски стока.

Использование и восполнение подземных вод

Основными типами разведанных месторождений являются: грунтовые воды аллювиальных отложений речных долин (60% от разведанных запасов вод); напорные воды артезианских бассейнов платформенного и геосинклинального типа (15%); напорные воды межгорных впадин и конусов выноса (10%); трещинно-карстовые воды карбонатных пород (8%). Подземные воды используются весьма широко и главным образом для питьевого водоснабжения, так как они более стабильны по своим качествам, менее подвержены загрязнению, чем поверхностные. Общее потребление подземных вод в целом по стране составляет примерно 50% от потенциальных эксплуатационных. В связи с широким использованием подземных вод, необходимостью охраны встает проблема рациональной эксплуатации и защиты их от истощения. Наиболее существенные изменения в режиме подземных вод отмечаются при различных видах эксплуатации недр (добыча полезных ископаемых), гидротехническом и жилищном строительстве. Велико воздействие на качество подземных вод сельского и коммунального хозяйства. В результате возникает ряд отрицательных последствий, связанных в первую очередь с загрязнением и засолением прилегающих земель, истощением водоносных горизонтов, деформацией поверхности и возникновением просадок грунта. Часто эти явления оказываются необратимыми и потребление таких подземных вод становится недопустимым. В то же время при научно обоснованном планировании использования подземных вод и проведения всех необходимых охранных мероприятий имеются реальные возможности для длительной их эксплуатации. Искусственное восполнение подземных вод осуществляется путем применения инженерно-геологических методов при благоприятных условиях просачивания в грунт поверхностных вод. В результате становится возможным сезонное искусственное восполнение запасов подземных вод. Оно реализуется за счет перевода поверхностных вод в водовмещающие породы посредством инфильтрационного питания подземных вод. Естественно, это предполагает наличие подземных водовмещающих водоносных горизонтов или специальных подземных емкостей. Следует указать, что во всех случаях пополнения подземных вод за счет закачки поверхностных и их последующей фильтрации создаются условия для улучшения качественного состава вод. Широко известны и частично обратимые процессы, когда уровень подземных вод восстанавливается после откачки подземных вод при их движении от областей питания к водозаборам. Но эти процессы не могут быть сопоставимы с разнообразным влиянием хозяйственной деятельности человека на подземные воды и их загрязнением.

Современное и перспективное использование вод повышенной

минерализации

Как было показано, запасы пресных вод на планете сокращаются. В ряде районов земного шара, в которых потребность в пресной воде ранее удовлетворялась, теперь возник острый дефицит воды. Речь идет прежде всего о пустынных районах, где были открыты и начали разрабатываться месторождения нефти, цветных металлов и т. д., например на Аравийском полуострове, в Средней Азии, а также о многих преимущественно небольших островах в Мировом Океане, ставших в последние десятилетия центрами международного туризма или превращенных в военные базы. Один из путей пополнения запасов пресных вод - опреснение солоноватых и соленых. Опреснение вод повышенной минерализации обходится подчас значительно дешевле, чем доставка пресной воды из других районов. Ареал распространения солоноватых и соленых вод за последние десятилетия несколько расширился в связи с уменьшением стока рек вследствие забора воды на хозяйственные нужды и вторжения в заливы, эстуарии и дельты рек соленых морских вод. Но, пожалуй, об опреснении как глобальной проблеме можно было бы не вести речь, если бы пресные воды не осолонялись в процессе промышленного и сельскохозяйственного производства. Минерализация речных вод во всех районах орошения постепенно нарастает, достигнув кое-где 2-3 г/л, и продолжает увеличиваться. То же происходит и в ряде промышленных районов. Постоянно повышается соленость поверхностных вод практически во всех районах размещения добывающей промышленности. Особенно много соленых вод откачивается в угольных бассейнах. Непрерывно возрастает соленость оборотных вод в связи с переводом большинства предприятий на оборотное водоснабжение. Вот почему в настоящее время мы являемся свидетелями первых, но существенных шагов, которые делает человечество в области уже не экспериментальной, а производственной деминерализации воды. Опреснение соленой воды производится либо удалением из нее солей, либо извлечением молекул воды. Наиболее развит метод дистилляции (выпаривание воды с последующей конденсацией пара). Этим методом сегодня получают свыше 60% опресненной воды, предназначенной для питьевых целей. Все более широко распространяется метод опреснения обратным осмосом. Он основан на фильтровании воды через полупроницаемые мембраны, пропускающие молекулы воды, но задерживающие ионы солей в их гидратной оболочке. Особый интерес был проявлен к изучению пригодности для питьевых целей воды, получаемой опреснением, поскольку дистиллят, по внешним признакам принимаемый за чистейшую питьевую воду, на самом деле весьма далек по своим показателям от биологически полноценных вод. Ему свойственны крайне низкое содержание солей, а возможно, и особенности физической структуры. Это определило появление гигиенических требований к улучшению качества дистиллята, когда предполагается его использование для хозяйственно-питьевых целей. Были научно обоснованы и разработаны различные технологические приемы коррекции солевого состава глубокообессоленных вод. Опреснительные установки работают более чем в 100 странах мира. Наиболее обеспечены опресненной водой (в пересчете на душу населения) прибрежные территории и острова в засушливой зоне планеты. Крупные опреснительные установки, практически полностью удовлетворяющие потребности отдельных объектов в пресной питьевой воде, расположены на юге США, юго-востоке Италии, средиземноморском побережье Ливии. Перспективы опреснения соленых и солоноватых вод в значительной мере прояснены. Встает, однако, проблема снижения себестоимости опреснения воды. Сегодня в зависимости от мощности и типа опреснительных установок себестоимость опреснения 1 м3 воды на один-два порядка выше себестоимости 1 м3 воды, получаемого при зарегулировании и территориальном перераспределении речного стока. Но поскольку возможности обеспечения водой указанными способами не беспредельны и через 40-50лет будут практически исчерпаны, значение проблемы опреснения воды становится все более очевидным. Обессоливание вод, несомненно, сыграет важную роль и в спасении рек и озер от судьбы сточных водных трактов, в которые они постепенно превращаются в связи со сбросом вод промышленностью и мелиоративными системами. Мировой и отечественный опыт решения проблемы опреснения убедительно демонстрирует необходимость интеграции научных сил, когда речь идет о жизни человечества. На решение общих задач направлены усилия физиков-теоретиков и технологов, электрохимиков, специалистов по очистке воды и гигиенистов, конструкторов и микробиологов, инженеров по водоснабжению и физиологов, экономистов и географов.… К числу труднейших задач относится энергетическое обеспечение предполагаемых технологических решений. Наиболее рациональные подходы связаны с развитием многоцелевых атомно-энергетических комплексов. Необходимы еще более продуктивные поиски методов опреснения воды и соответствующие научно-технические разработки. Мембранная технология опреснения, занимая все большее место в решении проблемы, требует качественного скачка в создании более совершенных и экономически приемлемых мембран, их массового производства. Еще не полностью раскрыты тайны биологической полноценности пресной воды, значимости ее состава для живущих и будущих поколений людей. Не ясна в технологическом и энергетическом плане и проблема утилизации рассолов, образующихся при опреснении вод, - еще одного источника минерального сырья. Глобальность проблемы опреснения воды не вызывает сомнений. Ее решение позволит обеспечить жизнь в пустынях, на побережьях океанов и морей, спасти погибающие от засоления почв огромные массивы сельскохозяйственных угодий. Наконец, это один из эффективнейших способов очистки сточных вод промышленных предприятий. Однако следует помнить, что для широкого применения опреснения при решении водных проблем предстоит еще многое совершить и открыть.