Тема 9. Водные ресурсы

Тема 9. Водные ресурсы

Общая характеристика водных ресурсов.

Существует несколько определений понятия водные ресурсы:

Водные ресурсы – это пресные и минерализованные естественные или преобразованные природные воды, которые в заданных хозяйственных целях используются в настоящее время и могут быть использованы в будущем. Все виды воды, находящейся на поверхности Земли, в атмосфере и недрах: это запасы поверхностных и подземных вод суши; Это практически все виды гидросферы, пригодные для использования.

Гидросфера включает примерно 1,4 млрд. км3 воды (точность современных представлений об объеме гидросферы колеблется в пределах около 50 млн. км3, что соответствует 3% объема гидросферы). Воды суши составляют около 90 млн. км3, из них на реки приходится 1200 км3 (приближенные расчеты по общей протяженности речной сети, ширины и глубины рек), на подземные воды -  60 млн. км3 (23,4 млн. км3 – доступные) .

Общий водохозяйственный потенциал ресурсов пресной воды оценивается в 2,5-2,8 млн км3/год, современные доступные эксплуатационные запасы - в 42 тыс. км3/год - из них 1/3 - устойчивая часть речного стока.

Кроме гидросферы, громадные запасы воды сосредоточены в недрах Земли. Но вода находится в связанном состоянии и входит в состав горных пород и минералов, образуя гидраты). В мантии сосредоточено  13 млрд. км3 воды, в земной коре - 1,5 млрд. км3 воды. В результате дегазация мантии Земли  в гидросферу поступает до 1 км3

Ресурсы пресных вод складываются из:

статичных (вековых) запасов различных частей гидросферы - водные объёмы озер, ледников, подземных вод, не подверженных заметным ежегодным изменениям. Измеряются в м3, км3. запасов, непрерывно возобновляемых - восстанавливаются в процессе постоянного круговорота воды на Земле. Измеряются в единицах стока (м/с, м/год, км/год).

Балансовая оценка водных ресурсов - уравнений водного баланса суши:

x+y1+w1+z1 = y2+w2+z2±∆u,

где: x — атмосферные осадки на поверхность, y1 — поверхностный приток извне, w1 — подземный приток воды извне, z1 — конденсация водяного пара, y2 — поверхностный отток воды, w2 — подземный отток воды, z2 — испарение, ∆u — изменение объёма воды в пределах бассейна.

По странам мира водные ресурсы (км3/год) распределены неравномерно. Страны, наиболее обеспечены водными ресурсами:

Бразилия (8 233 км3), Россия (4 508 км3), США (3 051 км3), Канада (2 902 км3), Индонезия (2 838 км3), Китай (2 830 км3), Колумбия (2 132 км3), Перу (1 913 км3), Индия (1 880 км3), Конго (1 283 км3),

Средняя душевая  водообеспеченность (м3 в год/чел) составляет 220 млн. м3/человека. По расчетам при современных темпах роста населения к 2050 г. душевая водообеспеченность уменьшится в 1,5 раз (по сравнению с началом 21 века).

Большое значение в устойчивости водообеспеченности имеет доля трансграничного стока в суммарном годовом стоке рек страны (в %):

0% - страна не "получает" водные ресурсы с территорий соседних стран; 100% - все водные ресурсы поступают из-за пределов государства.

Рейтинг стран, водные ресурсы которых наименее зависимы от трансграничного стока.

1. Бразилия (8 233 км3) - (Доля трансграничного стока: 34,2%)

2. Россия (4 508 км3) - (Доля трансграничного стока: 4,3%)

3. США (3 051 км3) - (Доля трансграничного стока: 8,2%)

4. Канада (2 902 км3) - (Доля трансграничного стока: 1,8%)

5. Индонезия (2 838 км3) - (Доля трансграничного стока: 0%)

6. Китай (2 830 км3) - (Доля трансграничного стока: 0,6%)

7. Колумбия (2 132 км3) - (Доля трансграничного стока: 0,9%)

8. Перу (1 913 км3) - (Доля трансграничного стока: 15,5%)

9. Индия (1 880 км3) - (Доля трансграничного стока: 33,4%)

10. Конго (1 283 км3) - (Доля трансграничного стока: 29,9%)

Речные водные ресурсы

Речные водные ресурсы относятся к возобновляемым и сменяются каждые 11-14 суток. Использование речных водных ресурсов, в связи с особенностями режима рек, ограничено 30% среднегодового речного стока. Большие объемы забора воды в реках могут привести к нарушениям водного режима реки и в конечном счете гибели водных экосистем реки.

Речные водные ресурсы состоят из двух неравноценных, частей:

подземной, устойчивой не требующей регулирования части. Их называют  возобновимые запасы подземных вод зоны активного водообмена.  поверхностной  части - паводковый сток. Это изменчивая часть, требующая регулирования.

Доступных пресных речных вод в мире – 41 тыс. км3, при этом в Азии – 11 тыс. км3, Ю. Америке -10,5 тыс. км3, С. Америке – 7 тыс. км3, страны СНГ – 5,3 тыс. км3, в Африке – 4,2 тыс. км3, Австралии и Океании  -1,6 тыс. км3, Зап. Европе – 1,4 тыс. км3

Характеристики рек  для водоснабжения:

расстояние от устья, площадь водосбора, средняя ширина и глубина водотока, скорость течения, среднемноголетний расход в межень и половодье, минимальные среднемесячные расходы воды в год расчетной обеспеченности (лето и зима), категория реки 

Гидрологические:

Расходы расчетной обеспеченности рек Тип регулирования, полный и полезный объем, для водохранилищ, прудов и озер Среднемноголетний сток в створах плотин для водохранилищ и прудов Условия ледостава (время ледостава и освобождения от льда, мощность льда к концу зимнего периода)

Гидрохимические

Химический состав и их пригодность для водоснабжения Уровень загрязнения поверхностных вод

Критерии оценки качества поверхностных вод

Показатели: химические и биологические (основные – ПДК и ПХЗ и дополнительные – запах, вкус, примеси, рН, ХПК, биогенные вещества, минерализация, КДА, Кн) Рекомендовано использовать сведения о токсичных, приоритетных ЗВ, в том числе и обладающих куммулятивным эффектом Совокупная оценка опасных уровней загрязнения: ПХЗ – суммарный показатель загрязнения (рассчитывается по максимальному количеству соединений, превышающих ПДК) КДА – коэффициент донной аккумуляции – соотношение содержания вещества в донных отложениях к содержанию в воде Кн – коэффициент накопления и гидробионтах – соотношение содержания вещества в гидробионте к содержанию в воде

Критерии истощения поверхностных вод

Норма безвозвратного изъятия поверхностного стока – предельно допустимый объем безвозвратного изъятия (10-20%) среднемноголетнего значения естественного стока – индивидуально для каждого водотока Безвозвратное потребление: водопотребление в коммунальном хозяйстве, промышленности, теплоэнергетике, с/х, с учетом потерь на испарение, межбассейновый переброс стока. Устанавливается для замыкающего створа реки.

Подземные воды

Доля водозабора из подземных источников незначительна и составляет по миру около 10%.

Подземные воды используются для питьевого водоснабжения и орошения преимущественно в странах с аридным климатом или в условиях большой техногенной нагрузки на поверхностные воды. В этих климатических условиях пресные воды зон активного водообмена и артезианских бассейнов с минерализацией менее 1 г/л, более чистые в санитарном отношении, но и более минерализованные, чем речные воды.

Питьевое водоснабжение  на основе использования подземных вод имеют  более 25% городов мира (В Центральной и Западной Европе, США, северной Африке,  на Ближнем Востоке и Китае).

Интенсивное использование подземных вод приводит к понижению их уровня со скоростью несколько м/год ( в южной части Великих равнин в США, в Северной Африке и на Ближнем Востоке, на большей части территории Индии и почти повсеместно в Китае), ухудшению качества воды.

Для орошения подземные воды широко используются в Китае (70% урожая зерновых), Индии (50% урожая зерновых), а также в Центральной Азии, Северной Африке и на тихоокеанском побережье Южной Америки.

Гидрогеологические характеристики подземных вод

Запасы (ресурсы), Химический состав, температурный режим Условия залегания водоносных горизонтов (местоположение, глубина, мощность), параметры водоупорных пластов (области питания и разгрузки, величины напоров, коэффициенты фильтрации вмещающих пород) Уровень существующего загрязнения подземных вод, перечень ЗВ и их концентрация, источники загрязнения Объемы забираемой воды

Критерии оценки загрязнения подземных вод

Основные показатели:

содержание ЗВ (ПДК) Площадь области загрязнения Минерализация

Дополнительный показатель - растворенный кислород.

Для устойчивого обеспечения водой строительства гидроэлектростанций создаются водохранилища. На начало XXI столетия в мире насчитывалось 3026 водохранилищ объемом более 0,1 куб. Км, что составляет объем запасов воды  -  6329,5 км3. Строительство водохранилищ приводит к целому ряду последствий, в частности срезаются пики паводков, в результате уменьшаются площади затопления поймы. Снижение количества наносов  ведет к размыву русла, а подтопление вызывает заболачивание земель. Изменение режима рек приводит к исчезновению заливных лугов и высыханию нерестилищ, происходит изменение состава рыбных ресурсов и в конечном итоге к нарушению водных экосистем,  изменению качество воды, ее физических свойств, солевого состава, содержание биогенов.

Для водохранилища, используемых для водоснабжения используют следующие показатели:

расстояние от устья реки, отметки НПУ (нормальный подпорный уровень), УМО (уровень мёртвого объёма), ФПУ (форсированный подпорный уровень)  площадь зеркала при НПУ, испарения в средний по водности год, перечень водопользователей.

При характеристике водных объектов используют следующие показатели:

Водоохранная зона – территория, прилегающая к акваториям рек, озер, водохранилищ, на которой устанавливается специальный режим природопользования в целях предотвращения загрязнения, засорения, истощения и заиления, а также среды обитания объектов животного и растительного мира.

Минимальные размеры – от среднемноголетнего положения уреза воды в летний период в зависимости от их длины. До 10 км – 50 м От 10 до 50 км – 100м От 50 до 100 км – 200 м От 100 до 200 км – 300 м От 200 до 300 км – 400м От 500 км и более – 500 м Для истоков рек и родников – не менее 50 м

Ширина может увеличиваться за счет включения поймы, крутых склонов коренных берегов, овражно-балочной системы, уникальных ландшафтных комплексов (гривы с кедром или ягелем)

Для мелких рек (до 10 км) – увеличение если они вытекают из мелких озер стокообразующей болотной системы (увеличение до 2200 м) Для рек, вытекающих из проточных озер – увеличение за счет водоохранной зоны озера Для озер: от среднемноголетнего положения уреза воды в летний период – до 2 км2 – 300м, большая площадь – 500 м Для водохранилища: от нормативного подпорного уровня Для морей: от максимального уровня прилива Для болот: от их границы (нулевая глубина торфяной залежи) - – до 2 км2 – 300м, большая площадь – 500 м Прибрежные защитные полосы –территория, непосредственно прилегающая к водному объекту.

Запрещается:

Распашка земель, применение удобрений, складирование отходов, установка сезонных палаточных городков, размещение садовых и дачных участков, выделение участков под индивидуальное строительство, прокладка дорог и проездов, движение автомобилей. Минимальная ширина – в зависимости от типа угодья (пашня, сенокос, пастбище) и уклона местности. При уклонах в 0-30  и обратных - 15-35 м При уклонах более 30 – 35-100 м Для нерестовых участков рек – не менее 100м

Водопользование.

Водопользованием принято считать всякое использование объектов гидросферы для удовлетворения нужд населения и общественного хозяйства.

Для водопользования пригодна любая вода, так как используется  водная среда (использование рек, морей и океанов как транспортных «магистралей» для движения судов, для удовлетворения спортивно-туристических потребностей и т. п.). В настоящее время человечество ежегодно использует 3,8 тыс. куб. км воды. Каждый житель Земли в среднем потребляет 650 куб. м воды в год (1780л в сутки), в то время как для удовлетворения физиологических потребностей достаточно 2,5л в день, т. е. около 1 куб. м в год, а для  удовлетворения бытовых потребностей городскому жителю - от 180 до 250 л.

Отрасли хозяйства – главные водопользователи:

сельское хозяйство (70%); 20% - промышленность; 10% - коммунально-бытовое потребление.

В сельском хозяйстве  вода используется для орошение и в животноводстве.

Для производства суточной нормы пищевых продуктов в расчете на одного человека требуется не менее 6м3 воды, часть которой расходуется безвозвратно, часть загрязняется химикатами, растворяя их, и возвращается в таком виде в биосферу.

В промышленности вода используется как

  теплоноситель (на атомных и тепловых электростанциях, системах теплоснабжения населенных пунктов)

  поглотитель (мойка, очистка сырья и продукции и т. п.). При этом она загрязняется механическими примесями и растворимыми химическими веществами

  растворитель (на предприятиях нефтехимической и химической промышленности - для изготовления новых искусственных веществ и материалов, в сельском хозяйстве (растворение химических соединений для питания растений и борьбы с вредителями и т. п.).

  как средство транспортировки.

Водоемкость производства:

прямая, выражающую непосредственные затраты воды на производство единицы продукта, и полная, учитывающая расход воды во всех звеньях технологических цепочек, приводящих к данному продукту, т. е. всю ту воду, которая была затрачена на производство полуфабрикатов, энергии

Водоемкость производства каждого продукта определяется применяемыми технологиями, а также качеством труда и менеджмента.

Индустриальное потребление преобладает в развитых странах Европы, в России, Канаде и Австралии. В США затраты в промышленности и в сельском хозяйстве - равны. В промышленности и коммунальном хозяйстве до 50% теряется в результате утечек в системах водоснабжения.

В среднем по миру из 100% воды, потребляемой в сельском хозяйстве: 

60% идет на непродуктивное испарение,

возвращается в виде загрязненной воды

40% - используется на производство с/х продукции.

Безвозвратными водопотребителями является прежде всего жилищно-коммунальное хозяйство городов (предприятия-потребители воды — котельные, банно-прачечное хозяйство, строения водно-спортивного и оздоровительного характера. Загрязнение осуществляется синтетическими моющими средствами, органическими, бактериальными и биологическими примесями. В РФ возвратные воды составляют 40% водозабора, а безвозвратные — 60%.

В развитых странах водопотребление в расчете на одного человека составляет в среднем  200 — 300л /чел.  в сутки. В городах 400-500л, при этом в Нью-Йорке — более 1000л, в Париже — 500л, в Лондоне — 300л.

В Россия среднее душевое водопотребление составляет от 125 до 350л/чел. сутки. При этом в Санкт-Петербурге оно составляет 450л, в Москве — 400л.

В понятие водных ресурсов входят также водные объекты, которые используются без изъятия из них воды: реки, озёра, моря (судоходство, гидроэнергетика, рыбное хозяйство, отдых и туризм).

Потребление воды  как правило опережает возобновление и в отдельных регионах  забор поверхностных вод может составлять до 90% от среднегодового стока (возможен не более 30%)

Причины водного кризиса связаны со следующими факторами:

Водное хозяйство развивалось под определяющим давлением текущих, кратко и среднесрочных экономических интересов, Последствия этого развития не анализировались Не учитывался воспроизводственный потенциал природных гидросистем, Не разрабатывались долгосрочные прогнозы изменений потребности в пресной воде.

Дальнейшего развития водохозяйственной инфраструктуры (для водоснабжения, канализации, водоочистки, сельского хозяйства и охраны окружающей среды)  ежегодно будет требовать 180 млрд долларов до 2025 г.

Даная оценка дана на основе будущих потребностей в воде стран, достигших современного уровня индустриализации с централизованным водоснабжением и очисткой загрязненных вод. Снижение этих затрат  до 10–25 млрд долларов в год возможно при применении интенсивных технологий для последующих 20 лет

В водопользовании отмечают две стратегии:

экстенсивная, сводящаяся к увеличению объема вовлекаемых в хозяйство водных ресурсов посредством перераспределения стока интенсивная, основанная на повышении эффективности использования водных ресурсов,  уменьшения потребности в воде в расчете на душу населения (или единицу произведенного продукта)

Решение проблем водного кризиса возможно только на основе расширения использования водоэффективных технологий, перехода от экстенсивного к интенсивному пути развития водного хозяйства.

В условиях, когда существует дефицит пресной воды используют морскую воду. Это делается в технических целях - на морских буровых станциях, морских судах и других технических объектах, для питьевых и сельскохозяйственных потребностей после опреснения ( на ледоколах и судах дальнего плавания, для обеспечения населения городов, имеющих дефицит пресной воды).

Существует точка зрения, что для преодоления дефицита воды в отдельных районах можно использовать переброску воды. Но этот способ имеет существенные ограничения.  Транспортоемкость воды для каждого региона имеет четко выраженный перелом:

она относительно невысока, пока объем не превышает местных ресурсов, очень резко возрастает, как только возникает необходимость привлечения неместных источников (действие закона падающей эффективности для природных ресурсов)

При современных ценовых соотношениях экономически  оправданы перемещения воды в локальных и, иногда, региональных системах водоснабжения:

водоводах протяженностью не более 300-400 км оросительных системах из источников, удаленных на 200-300 км

При перевозке бутилированной питьевой воды определяющее влияние на розничную цену товара имеют:

тара, разлив, сертификация, контроль качества, издержки торговли

Стоимость воды - меньше, чем стоимость всего остального.

С учетом современного технического уровня производства, его структуры и цен, ожидаемой динамики этих факторов экономия воды дешевле, чем обеспечение ее дополнительного количества. Это справедливо до определенного предела эффективности водопотребления, но в настоящее время такой предел далек для большинства звеньев мирового хозяйства.

Для решение проблем сохранения водных ресурсов в 1996 году создан Всемирный Водный Совет (The World Water Council) — многосторонняя международная платформа, объединяющая специалистов и международные правительственные и неправительственные организации, созданная для решения глобальных водных проблем. Всемирный Водный Совет объединяет более 300 организаций в 50 странах мира. Штаб квартира организации расположена в Марселе. Этот Совет регулярно один раз в три года 22 марта (Всемирный день воды) проводит Всемирный Водный Форум: 

1 –ый в Марракеше (Марокко) в 1997г. 2-ой в  Гааге (Нидерланды) в 2000 г. 3-ий в Киото, Осака и Шига в 2003 г. 4-ый  в Мехико в 2006 г. Принят документ«Усилия на местах для решения глобальных проблем», в котором рассмотрены вопросы, связанные с определением воды как «всеобщего достояния», финансовые вопросы и заболевания, связанные с водой. 5-ый в Стамбуле (Турция) в 2009 г. Принято предложение Красного Креста  правительствам стран-участниц взять обязательства по защите систем водообеспечения и переработки воды в случае войны и поддерживать их в функциональном состоянии в зонах военных конфликтов 6-ой в Марселе (Франция) в 2012 г. Этот форум призвал гарантировать доступ к водоснабжению для всех и право на воду, улучшить доступ к комплексным санитарно-гигиеническим услугам для всех, оказывать содействие в вопросах гигиены и здоровья через воду и санитарию 7-ой в г. Тэгу и г. Кенджу, республика Корея, 2015 г. Приняты “Рекомендации Тэгу-Кенгбук” о необходимости перехода от “решений” водных проблем, определенных на предыдущих Всемирных водных форумах к их “осуществлению”