О питьевой воде

Яков Леопольдович Хромченко, 2020

В книге рассматриваются возможности, ограничения и проблемы как централизованного, так и индивидуального питьевого водообеспечения (фильтры, бутилированная питьевая вода). Обсуждаются вопросы питьевой водоподготовки, качества водопроводной воды и ее администрирования в России, а также условия воспроизводимости пресноводных ресурсов и концепции «виртуальной воды» – «водного следа». Показано, что водоемкая продукция и водосберегающие технологии – это приоритетные направления для экономики страны в «постнефтяной» период.

II. О природных пресных водах — источниках питьевого водоснабжения

«Вода — это Н₂O, то есть два атома водорода, один кислорода; но есть еще третье, превращающее эти атомы в воду, и никто не знает, что это».

Дэвид Герберт Лоренс

Наверное, академик В. И. Вернадский более остальных приблизился к разгадке секрета, приведенного в эпиграфе. Его понимание воды и ее места в мироздании — ключ к решению многих проблем, связанных с водным фактором.

«Жизнь — это особая коллоидальная водная система… особое царство природных вод».

И еще.

«Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов. Нет земного вещества — минерала, горной породы, живого тела, которое ее бы не заключало. Всё земное вещество ею проникнуто и охвачено».

(«История минералов земной коры»)

Рассматривая воду как минерал, В. И. Вернадский развивал учение о единстве вод и других минералов Земли, полагая воду единственной природной жидкостью, существующей на поверхности нашей планеты — «самым распространенным на Земле минералом, присутствующим везде и служащим мостом, связывающим биополя отдельных живых существ, как между собой, так и с неживой природой».

В. И. Вернадский полагал, что никакой другой природной жидкости, кроме воды, нет, а все остальные жидкости — это «базирующиеся на воде либо продукты жизнедеятельности растений, животных и человека, либо искусственные химические соединения, полученные человеком».

Именно в уникальном сочетании естественных природных ресурсов воды, солнечной энергии, земельных и минеральных ресурсов возможно развитие растительного и животного мира и самого человека.

Уникальность воды обусловлена особенностями структуры ее молекулы.

Молекулы воды могут быть тяжелыми — с тяжелыми изотопами водорода (дейтерий и тритий), а также тяжелого кислорода (с атомной массой 17 и 18). Даже незначительное количество более тяжелых молекул в природной воде обеспечивает ее чрезвычайное разнообразие: из возможных сорока двух сочетаний двух атомов водорода и одного атома кислорода только девять являются устойчивыми. Таким образом, вода представляет собой своего рода купаж молекул вод с различными свойствами.

Атомы кислорода в молекуле воды (не участвующие в образовании ковалентных связей) способны образовывать прочные водородные связи с соседними молекулами воды. При комнатной температуре каждая молекула воды создает временные связи с тремя-четырьмя соседними молекулами. Образуется своеобразная кристаллическая решетка, в которой существующие водородные связи постоянно разрушаются и одновременно возникают новые.

Формируются ассоциаты молекул (кластеры) воды, находящиеся в динамическом равновесии. Такая структура воды обусловливает целый ряд свойств, имеющих физиологическое значение, — бо́льшую теплоемкость, бо́льшую теплоту испарения, бо́льшую теплоту плавления.

Вода способна разрывать практически все виды молекулярных и межмолекулярных связей с образованием растворов (гидратация), что делает ее универсальным растворителем. Способная к диссоциации, вода усиливает и диссоциацию растворенных в ней веществ. Это объясняет как огромное разнообразие состава природных вод, так и способность природных вод к самоочищению.

Из-за асимметрии расположения атомов молекула воды является диполем, что определяет ее особое поведение в электромагнитных полях.

С физико-химической точки зрения природная вода представляет собой сложную дисперсную систему, в которой в качестве дисперсной среды выступает вода, а в качестве дисперсной фазы — газы, минеральные и органические вещества, живые организмы.

Эти уникальные свойства позволяет воде обеспечивать:

— жизнедеятельность клеточных структур;

— терморегуляцию организма;

— усвоение и переваривание продуктов питания;

— транспортную функцию (как для доставки кислорода и питательных веществ, так и для вывода шлаков и токсинов);

— работу суставов, опорно-двигательного аппарата;

— метаболизм в целом.

Аномальными свойствами воды обусловлена и ее роль в возникновении и поддержании жизни. Это необходимо учитывать при выборе методов питьевой водоподготовки для того, чтобы не исказить уникальную структуру и химические свойства воды.

Итак, питьевая вода:

— самый важный продукт потребления, а точнее — жизнеобеспечения,

— среда обитания человека,

— основа всех отраслей промышленности и сельского хозяйства.

Питьевая вода вездесуща: это и все продукты питания, и чай, и вино, и молоко, и… даже грудное молоко.

В таблице 1 представлен водный состав/баланс в организме человека (по данным НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысина).

Таблица 1

Объем воды в организме человека за сутки, л

Вода входит в состав всех биологических тканей и составляет 60–70 % массы тела. Вода служит составной частью крови, секретов и экскретов.

Вода содержится и в плотных тканях:

• в зубной эмали — 0,2 %,

• в костях — 22 %,

• в жировой ткани — 30 %,

• в печени — 70 %,

• в скелетных мышцах — 76 %,

• в сером веществе головного мозга — 86 %.

Физиологическая потребность человека в питьевой воде составляет 2,5–3,0 л в сутки, из которых в обычных условиях поступает ~1,0–1,5 л в сутки плюс 1,0–1,2 л в сутки дополнительно с продуктами питания.

В жарком климате и/или при тяжелой физической нагрузке потребность в воде может возрасти до 10–12 л в сутки.

Лишение воды человек переносит труднее, чем лишение пищи.

Потеря 10 % воды приводит к нарушению обмена веществ.

Потеря 20–22 % воды ведет к смерти.

Без воды человек может прожить не более 8–10 дней.

Данные интересные, но особенно обращают на себя внимание две позиции.

Первое. Вода входит в состав всех биологических тканей в количестве 60–70 % массы тела. А это означает, что все жидкости организма во многом повторяют состав питьевой воды.

Известные опыты показали тождественность ряда участков хроматограмм компонентов питьевой воды и грудного молока.

Как мы увидим далее, питьевая вода во многом повторяет состав исходных природных вод, а те, в свою очередь, — состав сбрасываемых в них сточных (очищенных сточных) вод. То есть зависимость здоровья человека от состава (свойств) питьевой воды абсолютна.

И второе. При физиологической потребности человека в питьевой воде на уровне 2,5–3,0 л в сутки в обычных условиях, в жарком климате потребность в воде может возрасти до 10–12 л в сутки. А особой проблемой (да и местом возникновения) дефицит питьевой воды является именно в жарких странах.

Совершенно очевидно, что при такой водной зависимости человека дефицит питьевой воды или ухудшение ее качества приведут к утрате здоровья населения, снижению продолжительности жизни, преждевременной смертности, особенно детской.

II.1. О распределении планетарных запасов пресной/ питьевой воды

На рис. 2 представлено распределение планетарных вод.

Как видно из диаграммы 2 а, 97 % воды на Земле представлено соленой водой мирового океана и внутренних морей. И лишь около 3 % составляют пресные воды.

2 а

2 б

2 в

Рис. 2. Распределение планетарных вод

При более подробном рассмотрении структуры пресных вод на диаграмме 2 б мы видим, что за вычетом ледников (68,7 %), малодоступных подземных вод (около 30 %) и разного рода «других» водных структур (менее 1 %), относительно доступные поверхностные пресные воды составляют примерно 0,3 % от первоначального трехпроцентного сектора диаграммы 2 а.

Эти данные уточняет диаграмма 2 в. Здесь за вычетом поверхностных пресных вод озер (87 %) и болот (11 %), непроточных, склонных к эвтрофированию (зарастанию) и, как правило, богатых органическими загрязнениями, остается 2 % речного стока, реально пригодного и доступного для водопользования. Но это 2 % не от мировых запасов воды, а от крошечного сектора (0,3 %) диаграммы 2 б.

Таким образом, становится понятно, что для водной расточительности у человечества никаких оснований нет.

Здесь представляется интересным рассмотреть некоторые абсолютные величины, характеризующие мировые запасы воды — нашу систему жизнеобеспечения.

Объем воды мирового океана с соленостью ~3,5 % и температурой 3,7°С составляет около 1 млрд 375 млн км³.

Поверхность (акватория) мирового океана составляет примерно 361 млн км², что в 2,4 раза больше площади территории суши (149 млн. км²) или в 21,2 больше площади территории России.

Круговорот воды обеспечивается ее испарением в объеме 525 тыс. км³ в год, в том числе:

— 86 % — испарением соленых вод Мирового океана и внутренних морей;

— 7 % — испарением вод суши;

— 7 % — транспирацией влаги растениями.

Этот природный дистиллятор питается энергией Солнца, потребляя порядка 20 % этой энергии.

Что же остается человечеству? Мы можем рассчитывать только на скорость возобновления водных ресурсов.

Например, скорость водообмена во льдах полярных зон и ледников составляет 8000 лет.

Скорость водообмена воды рек составляет примерно 10–12 суток. Это — реальные сроки. Мировой речной сток составляет примерно 37,3 тыс. км³ в год, при используемой части подземных вод около 13 тыс. км³ в год. Подземные воды — не очень надежный и прогнозируемый поставщик.

Рис. 3. Распределение пресноводных ресурсов по регионам мира, тыс. км³

Рис. 4. Страны с крупнейшими запасами пресной воды, тыс. км³

Рис. 5. Запасы пресной воды на душу населения, тыс. м³

В этой связи 37,3 тыс. км³ воды в год — это то, на что может рассчитывать человечество на сегодняшний день.

На рис. 3 показано, как распределены пресноводные ресурсы по регионам мира. Как видно из рисунка, наиболее водообеспеченным континентом является Азия, далее с существенным отрывом идут Южная Америка, Северная Америка, Европа, Африка, Австралия и Океания.

Очевидно, что неравномерное распределение пресной/питьевой воды предполагает и различные экономические условия, различное качество жизни и различную способность к выживанию.

На рис. 4 представлены страны с крупнейшими запасами пресной воды.

Мы видим, что Россия занимает второе место в мире, уступая только Бразилии: 4500 тыс. км³ против 6950 тыс. км³. При этом Россия по водообеспеченности почти вдвое опережает даже страну озер — Канаду.

Здесь интересно сопоставить данные рисунков 4 и 5. Мы видим, что в пересчете запасов пресной воды на душу населения Россия остается «в клубе» водообеспеченных стран, в то время как запасы воды Китая, Индонезии и США в пересчете на душу населения несопоставимо уменьшились.

В таблице 2 представлены для справки крупнейшие реки мира с указанием среднего водостока в м³ в сутки.

Реки Земли распределены весьма неравномерно. На каждом материке можно наметить главные водоразделы — границы областей стока, поступающего в различные океаны. Главный водораздел Земли делит поверхность материков на два основных бассейна: атлантико-арктический (сток с площади которого поступает в Атлантический и Северный Ледовитый океаны) и тихоокеанский (сток поступает в Тихий и Индийский океаны). Объем стока с площади первого из этих бассейнов значительно больше, чем с площади второго.

Центральный водораздел Европейской части России, Русской равнины — Валдайская возвышенность. Из местных болот и озер берут начало главные реки Европейской России, относящиеся к бассейнам разных морей: Волга (Каспийское море), Днепр (Черное море), Западная Двина (Балтийское море).

Таблица 2

Крупнейшие реки мира

Раньше считалось, что Нил протяженнее, но данные экспедиций 2008 года установили местоположение истоков реки Укаяли, что поставило на первое место Амазонку. Думается, что при такой малой разнице в протяженности этих великих рек данные будут корректироваться еще не раз.

II.2. Об источниках питьевого водоснабжени

Источниками водоснабжения населенных мест и промышленных предприятий являются подземные воды, воды поверхностных водоемов и атмосферные осадки.

Несколько слов об особенностях каждого из этих источников, понятий и терминологии, с ними связанной. Это представляется интересным с точки зрения понимания специфики и уязвимости каждой из этих водных экосистем.

Подземные воды

Подземные воды — это воды, находящиеся в толщах горных пород верхней части земной коры в жидком, твердом и/или парообразном состоянии при температурах от — 93 до 1200°C и давлении от нескольких единиц до 3000 МПа [18].

По мнению ученых [19], объем подземных вод составляет 60 млн км³, или 3,83 % от всего объема гидросферы.

По интенсивности водообмена подземные воды делят на зоны:

• активного водообмена: 300–500 м от поверхности земли. Время обновления вод составляет от нескольких лет до нескольких десятков лет. Здесь преобладают пресные воды с содержанием солей до 1 г/л;

• замедленного водообмена: 500–2000 м от поверхности земли. Время обновления вод исчисляется десятками и сотнями лет. Это солоноватые воды с содержанием солей от 1 до 35 г/л;

• пассивного водообмена: более 2000 м от поверхности. Время обновления вод происходит на протяжении миллионов лет. Представляют собой соленые воды, близкие к морской воде, — с солесодержанием более 35 г/л.

Среди подземных вод различают ненапорные (с верхним водонепроницаемым слоем) и напорные. К ненапорным относятся верховодка и грунтовые воды.

Верховодка, или почвенные воды, обычно залегает на глубине до 5 м, имеет малую мощность водоносного слоя, небольшие запасы и подвержена загрязнениям с поверхности земли. Верховодка отличается сезонной нестабильностью состава и резкими изменениями уровня.

Эта вода при небольшой глубине залегания занимает очень большие площади. Она пополняется при инфильтрационном просачивании дождевых вод через грунт, в ходе паводков и таяния снегов, «обогащаясь» при этом многочисленными и разнообразными примесями.

В основном именно верховодка используется для нецентрализованного водоснабжения.

Грунтовые воды, как правило, залегают на глубине 15–20 м. К грунтовым относят воды первого от поверхности земли водоносного горизонта. Они образуются в основном просачиванием через почву атмосферных осадков, а также воды рек, озер и других водоемов. Было отмечено, что даже вечная мерзлота за полярным кругом не мешает грунтовым водам подпитывать моря. Грунтовая вода образуется и распространяется обычно в одной области. В течение сезона уровни этих вод сильно различаются в зависимости от атмосферных осадков и температуры грунта.

Для забора грунтовых вод используются шахтные колодцы.

Напорные (или артезианские) и ненапорные межпластовые воды защищены сверху водонепроницаемым слоем и залегают, как правило, на глубине от 50 м и более.

Артезианские воды расположены между нижними и верхними водоупорными слоями. Их основное отличие — это отсутствие источников подпитки. Вода, находящаяся под давлением плотных слоев грунта, достигает поверхности в качестве родников.

Обычно артезианские источники залегают на глубинах от 100 до 1000 м. При этом питающий скважину источник может находиться в нескольких десятках или даже сотнях километров, ограниченный пластами водонепроницаемых слоев.

Напорные артезианские водоносные слои могут находиться под несколькими водоносными слоями. Известны артезианские скважины, подающие на поверхность воду с пятнадцатого или даже двадцатого водоносного горизонта.

Артезианские воды являются наиболее устойчивыми (не путать с нормативно чистыми) в части физико-химических свойств. Эти воды характеризуются постоянством температуры, отсутствием мутности и цветности. Химический состав артезианской воды зависит от химического состава окружающего ее геологического слоя. Все артезианские воды имеют в своем составе избыточные количества железа, марганца, фтора, магния, кальция, натрия или калия и могут давать осадок. Это вполне соответствует составу земной коры.

Какая-то особая полезность, приписываемая этой воде, или ее «сбалансированный» минеральный состав не имеют ничего общего с реальностью. Наоборот, ситуация, когда артезианская вода содержит низкие концентрации растворенных в ней загрязнителей, является скорее исключением из правил. Таким образом, обилие химических веществ в растворенном виде, зачастую в концентрациях, значительно превышающих рекомендованные значения для питьевых вод, не позволяет употреблять артезианскую воду сразу после извлечения из скважины.

Артезианская вода, соответствующая по составу растворенных веществ нормативам ВОЗ для питьевых вод, практически не встречается.

Если на состав грунтовых вод оказывают серьезное влияние осадки и паводки, загрязнение, вызванное деятельностью человека (сточные воды промышленных предприятий, смывы сельскохозяйственных удобрения и проч.), то состав глубинных грунтовых вод, разумеется, меньше подвержен изменениям. Кроме того, состав артезианской воды зависит не только от состава геологических пластов земной коры, между которыми находится данный водоносный слой, но и от времени залегания воды в этих слоях, которое может составлять миллионы лет. Но, как было отмечено выше, постоянство состава воды не означает ее доброкачественность.

При использовании артезианского источника воды в первую очередь необходимо проведение развернутого химического анализа ее состава, который не должен ограничиваться исследованием самых распространенных примесей. Только в этом случае можно получить точную картину состава воды и определить методы водоподготовки, которые позволят очистить воду до санитарных норм.

Химический состав артезианской воды не изменяется многие годы, он не зависит от климатических изменений, паводков и осадков, а запасов воды хватает обычно на пятьдесят и более лет. Поэтому подобрать систему водоподготовки при профессиональном проектировании достаточно просто. Очистить артезианскую воду по многим параметрам гораздо легче и проще, чем природную воду из открытых источников или грунтовую воду, имеющие «подвижный» состав. После профессиональной подготовки артезианская вода действительно становится чистой и даже вкусной.

Изредка среди артезианских скважин встречаются и такие, в которых уровень минерализации изначально соответствует гигиеническим требованиям, в этих случаях вода подвергается лишь удалению механических примесей.

С точки зрения природопользования артезианская вода является стратегическим запасом государства.

Преимуществом артезианской воды является практическое отсутствие микроорганизмов. На такой глубине обычно отсутствуют органические примеси — источники питания бактерий, вирусов и простейших. Как следствие отсутствует и опасность бактериального или вирусного заражения.

К поверхностным пресным водоисточникам относятся реки, озера и водохранилища.

Реки

Речные воды стекают по рельефу, подпитываясь водой от таяния снега и льда, водой подземных источников и атмосферными осадками, то есть поверхностным и подземным стоком их бассейна.

Речная вода содержит как растворенные атмосферные газы, так и примеси, обусловленные составом почвы, растительностью, гидробионтами, деятельностью человека, климатом, гидрогеологическими, гидродинамическими условиями и проч. В этой связи речная вода обычно характеризуется высокой цветностью, низкой щелочностью, большим количеством взвешенных веществ, наличием различных ядохимикатов (в результате смыва с сельскохозяйственных полей), а также бактериальной загрязненностью, наличием привкусов и запахов.

Количество растворенных газов (кислород, азот, углекислота), содержащихся в речной воде, относительно постоянно, так как зависит от атмосферного давления. Литр речной воды содержит от 40 до 55 см³ газа. Зимой содержание газов больше, чем летом и осенью.

Количество растворенных солей зависит от свойств и состава пород, размываемых рекой. Преобладают в речной воде углекислые и сернокислые соли кальция, магния, а также хлориды щелочных металлов, кремнезем и органические соли.

Состав взвешенных веществ (речной мути, ила), близок к составу глин: преобладают кремнезем и глинозем, оксиды железа, кальция, магния, соли калия и натрия. Значительная доля приходится на органические вещества — гуминовые и фульвокислоты, лигнины, танины и проч.

Поверхность рельефа, с которой речная система собирает свои воды, называется водосбором, или водосборной площадью. Водосборная площадь вместе с верхними слоями земной коры, включающая в себя данную речную систему и отделенная от других речных систем водоразделами, называется речным бассейном.

В руслах рек чередуются глубокие плёсы и мелководные перекаты. Линия наибольших скоростей течения называется стрежнем.

Речная система — это совокупность рек, изливающих воды одним общим руслом в другой водоем (озеро, море, океан). Речная система состоит из главной реки и включает притоки первого, второго и следующих порядков. Притоками первого порядка называются реки, непосредственно впадающие в главную реку, второго порядка — притоки притоков первого порядка и т. д. Название речной системы дается по названию главной реки.

Бассейн водоема (водосборный бассейн, водосборная площадь или водосбор) — территория, с которой все поверхностные и подземные воды стекаются в данный водоем. Чаще всего речь идет о бассейнах рек. Бассейн водоема включает в себя поверхностный и подземный водосборы. Для простоты за величину речного бассейна принимается только поверхностный водосбор.

Бассейны рек делятся на сточные и бессточные. Бессточными называются области внутриматерикового стока, лишенного связи через речные бассейны с океаном.

В основу классификации рек положен режим стока, или годовой водный режим. В соответствии с этой классификацией реки делятся на три группы: с весенним половодьем, с летним половодьем и реки с паводочным режимом.

Паводок, в отличие от половодья, возникает нерегулярно и характеризуется быстрым, непродолжительным подъемом уровня в каком-либо створе реки и почти столь же быстрым спадом. Причиной паводка обычно бывают обильные дожди или интенсивное кратковременное снеготаяние в период зимних оттепелей. Подъем уровней и увеличение расходов воды при паводках иногда могут превышать уровень и наибольший расход в половодье.

Меженью называют периоды, характеризующиеся низкой водностью вследствие снижения поступления воды с водосборной площади. Межень обычно отвечает одним и тем же срокам годового цикла. В зависимости от времени наступления различают летнюю и зимнюю межень.

К другим важнейшим характеристикам реки относятся ее длина и площадь водосбора, то есть площадь, с которой атмосферные осадки стекают в данную реку. При этом выделяют большие, средние и малые реки.

Большие реки протекают через несколько географических зон. Сюда условно относят равнинные реки с площадью водосбора больше 50 тыс. км².

Средние реки протекают в пределах одной географической зоны; это равнинные реки с площадью водосбора в пределах от 2 до 50 тыс. км².

Малые реки — это те реки, которые не пересыхают в течение года или пересыхают на короткое время, протекают в равнинной местности и имеют площадь водосбора менее 2 тыс. км²

Мировой речной сток выносит ежегодно в океаны и моря более 3 млрд тонн растворенных минеральных веществ, он еще называется сток солей или ионный сток. Речные воды имеют небольшую минерализацию и относятся к пресным водам. Выделяют реки с малой (до 200 мг/л), средней (200–500 мг/л), повышенной (500–1000 мг/л) и высокой (>1000 мг/л) минерализацией. Большинство рек России относятся к первым двум категориям. В половодье и паводки, когда преобладает снеговое или дождевое питание рек, минерализация речных вод уменьшается, а в межень, когда возрастает вклад в питание рек более минерализованных подземных вод, увеличивается.

Речные воды России по химическому составу, как правило, относятся к гидрокарбонатному классу. Обычно это воды малой минерализации севера европейской и большей части азиатской территории страны.

Значительно меньшую площадь занимают воды средней минерализации, которые распространены в зонах лесов и лесостепей в средней полосе европейской части России.

Еще меньшая площадь занята бассейнами рек с водами повышенной минерализации. Они распространены преимущественно на юге европейской части России в зонах лесостепей и степей.

Гидрокарбонатные воды с минерализацией свыше 1000 мг/л в природе встречаются крайне редко.

Реки с водой, относящейся к сульфатному классу, сравнительно малочисленны, но превосходят воды гидрокарбонатного класса по величине минерализации. В них, как правило, преобладает кальций.

Реки, воды которых относятся к хлоридному классу, встречаются почти так же редко, как и реки, в воде которых преобладают сульфаты. Они расположены на территории преимущественно степных районов и полупустынь. Преобладающими катионами природных вод хлоридного класса являются ионы натрия. Воды хлоридного класса отличаются высокой минерализацией — свыше 1000 мг/л, реже от 500 до 1000 мг/л.

Природная зональность ионного состава речной воды связана не только с действием климатических условий настоящего времени, но и в значительной степени подготовлена климатом прошлого.

Карта среднего годового речного стока органических веществ дает представление о закономерностях миграции органических веществ в различных ландшафтах и позволяет установить ее связи с другими геохимическими факторами. Так, наибольшее количество органических веществ выносится реками в северные и восточные моря из таежно-лесных и горно-таежных регионов. Наличие на севере страны почвенных зон тундры, лесотундры и тайги, а также грунтовых вод с существенной концентрацией органических веществ обусловливает формирование маломинерализованных, в основном гидрокарбонатных, высокоцветных вод. Особенности их очистки и обеззараживания будут рассмотрены ниже.

Озера

Воды, заполняющие естественные впадины на поверхности Земли, образуют озера. Это водоемы с замедленным водообменом.

Озера питаются водами поверхностного, подземного стока и атмосферными осадками. Расход воды происходит путем поверхностного испарения и подземного стока.

Почти все запасы озерных вод находятся в 16 наиболее крупных озерах. Так, объем озера Байкал составляет 23 тыс. км³.

Запасы пресных озерных вод Земли оценивают в 120 тыс. км³ [20].

Водный баланс озер определяют климатическая зональность и особенности геологического и тектонического строения региона.

Химический состав озерных вод зависит от состава пород водосбора и ложа озера и определяется также составом воды питающих притоков и подземных вод. Обычно доминирующими являются ионы НСО^-, соли жесткости с Са²⁺ и Mg²⁺. Ионы О^-, Cl^-, Na⁺ и К⁺ присутствуют обычно в малых количествах. Имеется и биогенный азот.

Количество растворенных примесей зависит от наличия или отсутствия стока из озера. В проточных озерах накопление солей незначительно. В сточных озерах возможно некоторое накопление солей, особенно под влиянием биохимических процессов. Самое же значительное накопление происходит в бессточных озерах, аккумулирующих принесенные в них соли. По степени солености воды озера делятся на следующие типы:

1) пресные — до 12 промилле;

2) солоноватые — 12–24,7 промилле;

3) соленые — 24,7–47 промилле;

4) минеральные, или соляные, — выше 47 промилле.

Соленость воды озер изменяется по их площади, глубине и во времени.

Озера по минерализации воды, как и реки, подразделяются на карбонатные (содовые), сульфатные (горько-соленые) и хлоридные (соленые). Уровень концентрации солей в таких озерах близок к насыщению, и дальнейшее повышение ее приводит к осаждению и кристаллизации солей. Минеральное озеро, в котором происходит садка соли, называется самосадочным, а его вода, представляющая насыщенный раствор, — рассолом или рапой.

Озерные воды характеризуются очень большими колебаниями pH: от 1,7 в некоторых вулканических озерах до 12,0 в ряде закрытых озер — например, в содовых озерах Восточной Африки и Южной Америки.

Почти все озера, воды которых имеют pH меньше 4, располагаются в вулканических областях, куда поступают сильные неорганические кислоты. Низкие значения pH также обнаруживаются в природных водах, обогащенных растворенными органическими веществами, например в заболоченных озерах. Обычные величины pH для открытых озер колеблются в пределах от 6 до 9.

Причиной мутности озерных вод могут быть компоненты состава почв и горных пород, вымываемые реками из своего русла, а также талые воды и ливневый сток, то есть твердые осадки, смываемые дождями с почвы лесов, полей, лугов и улиц населенных мест.

Одним из самых главных параметров озерной воды является содержание в ней кислорода, так как кислород играет весьма существенную роль в метаболизме водных аэробных организмов. Поступление растворимого в воде кислорода из атмосферы и образование его путем фотосинтеза сбалансированы его расходом на дыхание аэробных организмов.

Воды озер весьма разнообразны по своему химическому составу. При этом содержание водного гумуса может колебаться от 1 до 150 мг/л. Содержание гуминовых и фульвокислот в озерных водах оценивают по показателю цветности. Следует отметить биологическое загрязнение озер и весьма частую их эвтрофикацию. Растворенное и взвешенное органическое вещество природных вод является основным регулятором метаболизма водных экосистем. При исследовании состава микрофлоры озер обнаружены представители всех основных групп микроорганизмов, обеспечивающих круговорот азота, углерода, фосфора и других элементов.

По водному балансу озера подразделяются на бессточные, сточные и с перемежающимся стоком:

— бессточные озера не имеют ни поверхностного, ни подземного стока, и потеря воды происходит только при испарении;

— сточные озера теряют воду за счет поверхностного и подземного стока. Среди сточных озер выделяются проточные, сток у которых составляет значительную долю объема водной массы. В них наблюдаются течения, связанные с режимом впадающих и вытекающих рек;

— озера с перемежающимся стоком занимают промежуточное положение между обеими группами. Сток воды из этих озер происходит только в период высоких вод, в межень вытекающие из них водотоки пересыхают.

Особенностью озерной воды является частое развитие микроскопических одноклеточных водорослей — так называемое цветение, способное в значительной мере ухудшить органолептические свойства воды и придать ей аллергенные свойства.

Питьевая водоподготовка озерных вод с учетом их специфики требует применения более сложных технологий.

Водохранилища

Водохранилище — искусственный водоем, созданный для накопления и последующего использования воды, в том числе для орошения земель, водоснабжения населенных мест и промышленных предприятий, улучшения судоходных условий и проч.

Система водохранилищ на реке называется каскадом. С помощью водохранилищ регулируют речной водный сток для гидроэнергетики с целью предотвращения наводнений. Водохранилища используют также для организации рыбного хозяйства, водного транспорта, рекреации (отдыха людей), водного спорта.

Водохранилище состоит из трех основных частей: озерной, озерно-речной и речной.

• Озерная часть — это зона водохранилища, примыкающая к плотине и простирающаяся вверх по течению на значительное расстояние (70–150 км) от створа. Она наиболее глубоководна при любых уровнях воды, скорость течения незначительна, волнение наибольшее по сравнению с другими частями водохранилища.

• Озерно-речная часть — средняя зона водохранилища. При сработке ниже нормального уровня она характеризуется незначительными глубинами на пойме. Судоходство осуществляется только по судоходным трассам. Наблюдается сильное волнение, а также течение воды по направлению главного русла реки.

• Речная часть даже при высоких уровнях представляет собой мелкий водоем. Волнение слабое, скорость течения значительна. При низких уровнях вода входит в меженное русло реки.

Типы водохранилищ различают по способу заполнения водой:

• запрудные — их заполняет вода водотока, на котором они расположены;

• наливные — заполняются водой рядом расположенного водотока или водоема. К наливным водохранилищам относятся, например, водохранилища гидроаккумулирующих электростанций.

Форма водохранилища определяется характером заполненного водой понижения земной поверхности. Котловинные водохранилища обычно имеют озеровидную форму, долинные — вытянутую.

По степени регулирования речного стока водохранилища бывают:

• многолетнего регулирования;

• сезонного регулирования;

• суточного регулирования.

К основным характеристикам водохранилища относятся площадь его поверхности (зеркало), объем воды и амплитуда колебания уровней воды в условиях его эксплуатации.

Гидрогеологический режим водохранилищ регулируется исходя из хозяйственных потребностей. По степени регулирования речного стока водохранилища могут быть многолетнего, сезонного, недельного и суточного регулирования. Характер регулирования стока определяется назначением водохранилища и соотношением полезного объема водохранилища и величины стока воды реки.

Любое водохранилище рассчитывается на накопление некоторого объема воды в период наполнения и на сброс этого же объема в период его сработки. Накопление нужного объема воды сопровождается повышением уровня до некоторой оптимальной величины. Такой уровень обычно достигается к концу периода наполнения, может поддерживаться плотиной в течение длительного времени. Предельно возможным снижением уровня воды в водохранилище является достижение уровня мертвого объема, сработка объема воды ниже которого технически невозможна.

Сооружение водохранилищ привело к увеличению объема вод суши приблизительно на 6,6 тыс. км³ и к замедлению водообмена приблизительно в 4–5 раз. Наиболее сильно замедлился водообмен в речных системах Азии (в 14 раз) и Европы (в 7 раз). После сооружения каскада водохранилищ водообмен в бассейнах рек Волги и Днепра замедлился в 7–11 раз.

Давая несомненный положительный экономический эффект, водохранилища нередко вызывают и весьма неоднозначные экологические последствия.

Расход стока воды водохранилищ на хозяйственные нужды и потери на испарение с его поверхности ведут к увеличению концентрации органических примесей в водоеме. В то же время водохранилища служат мощными поглотителями биогенных и загрязняющих веществ благодаря процессам их разложения и осаждения. Однако это положительное воздействие водохранилищ на качество воды возможно лишь при правильном режиме их эксплуатации, при условии ограничения антропогенной нагрузки на качество воды и проведения природоохранных мероприятий. В некоторых случаях требуется и реконструкция самого водохранилища.

Водохранилища изменяют микроклиматические условия, почвенно-растительный покров на подтопленных землях и на сопредельной территории. Нередко ухудшается качество воды вследствие возникновения в некоторые периоды года дефицита кислорода в придонных слоях, накопления солей и биогенных веществ, цветения воды.

Вода водохранилищ обычно характеризуется малой мутностью, высокой цветностью и окисляемостью, наличием планктона в теплое время года, низкой минерализацией и малой жесткостью. Эти особенности затрудняют ее очистку для питьевых нужд.

В период таяния снега вода в реках, озерах и водохранилищах имеет более низкую минерализацию, чем в период, когда большая часть питания осуществляется за счет грунтовых и подземных вод. Это обстоятельство используют при регулировании наполнения водохранилищ и сброса из них воды. Как правило, водохранилища наполняют в период весеннего половодья, когда приточная вода имеет меньшую минерализацию.

То есть при эксплуатации водохранилищ необходимо проведение экологического прогноза.

Приблизительно 95 % объема всех водохранилищ мира сосредоточено в крупных искусственных водоемах с полным объемом более 0,1 км³. В настоящее время таких водохранилищ более 3 тыс. Большинство из них расположены в Азии и Северной Америке, а также в Европе.

В России насчитывается более 100 крупных водохранилищ с объемом более 0,1 км³ каждое. Их суммарные полезный объем и площадь равны, соответственно, около 350 км³ и более 100 тыс. км². Всего же в России более 2 тыс. водохранилищ.

Самые большие по площади водохранилища в мире (без учета подпруженных озер) — это Вольта в Гане на реке Вольте, Куйбышевское в России на реке Волге, Братское в России на реке Ангаре, Насер (Садд-эль-Аали) в Египте на реке Нил. Самый большой полезный объем (без учета подпруженных озер) имеют водохранилища Вольта, Насер, Братское, Кариба (на реке Замбези в Замбии и Зимбабве).

Общая площадь всех водохранилищ мира — более 400 тыс. км², а с учетом подпруженных озер — 600 тыс. км². Суммарный полный объем водохранилищ достиг почти 6,6 тыс. км³. Многие реки земного шара — Волга, Миссури, Колорадо, и другие — превращены в каскады водохранилищ. Через 30–50 лет водохранилищами будет зарегулировано 2/3 речных систем земного шара [21].

Дождевая вода

Дождевая вода также является источником питьевого водоснабжения.

По сравнению с другими частями гидросферы содержащаяся в воздухе вода составляет очень небольшую долю — всего 0,001 %. Но значение этой части велико. Водяной пар участвует в образовании парникового эффекта, в поглощении и дифракции солнечного излучения. Путешествуя с воздушными потоками, вода переносится во все уголки Земли.

Вода быстрее переходит в газообразное состояние с поверхности пресных водоемов, чем с поверхности соленых. Рыхлая почва, лишенная капилляров, испаряет меньше влаги, чем плотная; больше всего воды атмосфера получает с глинистой почвы.

Нагретый, обогащенный водяным паром приземный воздух поднимается с поверхности земли. В верхних слоях тропосферы температура его понижается, и содержание водяного пара становится предельно возможным (воздух достигает точки росы). Тогда происходит конденсация и образование облаков.

В районах, где отсутствуют поверхностные или подземные воды, в периоды дождей собирают дождевую воду.

Относительно ее питьевых качеств мнения разнятся, однако большинство исследователей не рекомендуют использовать дождевую воду для питья или приготовления еды.

Испарение влаги происходит с земной поверхности, которая в наше время обильно загрязнена стоками и вредными выбросами промышленных предприятий. Загрязнена и водная среда, и атмосфера, в которой формируются дождевые облака. В воздух выбрасываются многотонные массы токсичных веществ различными объектами промышленности, воздушным и автомобильным транспортом. По этой причине вода, испаряясь, не очищается, а наоборот, обогащается вредными для человека химическими соединениями, в том числе сероуглеродом, аммиаком и проч. А заодно и ядохимикатами, и пестицидами.

Миллиарды тонн воды в облаках собирают все загрязнения атмосферы, включая выхлопные газы самолетов, и направляют их с осадками на земную поверхность. По современным оценкам, на больших высотах выхлопные газы авиационных двигателей увеличивают естественный фон SO₂ на 20 % и более.

Кроме того, отмечено, что продукты сгорания авиационного топлива, которые ежедневно выбрасываются в воздух, задерживаются в слоях атмосферы на срок до двух лет. А во время взлета, посадки и прогрева двигателя самолета в атмосферу выбрасывается самое большое количество вредных примесей — углеводородных соединений и оксида углерода. В случае же попадания воздушного судна в чрезвычайную ситуацию самолет должен слить в воздухе оставшееся топливо.

Самым опасным фактором, влияющим на окружающую среду, считается то, что при осуществлении полета в стратосфере (в ее нижних слоях) двигатель самолета выделяет оксиды азота, а это приводит к окислению озоносферы, которая защищает нашу планету от радиации.

Выбросы так называемых ультрадисперсных частиц, которые во много тысяч раз меньше толщины человеческого волоса, способны навредить здоровью. Концентрация этих веществ способствует развитию у людей болезней дыхательной системы, сердца, сосудов и проч.

Дождевые капли по пути собирают всевозможные химические загрязнения, частички экскрементов животных и птиц и другие загрязнения, которые в виде мельчайших частиц могут находиться в воздухе. И при этом дождевая вода, наоборот, не содержит некоторые нужные для человека микроэлементы, остающиеся на земле в процессе ее испарения. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) в 2011 году отметила, что отсутствие кальция и магния в дистиллированной воде может негативно сказаться на здоровье людей, которые не получают эти минералы из других источников.

Таким образом, считают, что дождевая вода пригодна для принятия душа или полива, но пить ее можно только после тщательной очистки. Более того, отмечают, что даже в экологически чистом районе употребление дождевой воды в качестве питья нежелательно.

Родниковая вода по своим физико-химическим свойствам имеет большие отличия от дождевой, поэтому и дождевая, и опресненная, и дистиллированная вода отличаются худшим вкусом.

Врачи часто ссылаются на великого Авиценну, который еще в средние века рекомендовал дождевую воду доводить до кипения. Древний ученый утверждал, что пользу может приносить только вода, взятая из природных источников, она «наполнена естественной силой», и только она может утолять жажду.

II.3. О загрязнениях природных пресных водоисточников

Даже самая тщательная оценка запасов пресных вод может оказаться недостоверной, если не учитывать характер и степень их загрязнений.

Ежегодно в поверхностные водные объекты России сбрасывается до 52 км³ сточных вод, из которых примерно 63 % составляют сбросы промышленных предприятий и 25 % — сбросы бытовых сточных вод. Общий ущерб от загрязнения природных водных объектов для населения и отраслей экономики оценивается в 70 млрд рублей в год.

Объем водоотведения (канализования) составляет в среднем 65 % от объема забора воды из природных водоисточников. Мощность очистных сооружений покрывает потребность в очистке сточных вод, но тем не менее до нормативного уровня очищается только 10 % стоков. Это объясняется тем, что очистка часто осуществляется по традиционным схемам и на устаревшем технологическом оборудовании, методы очистки не соответствуют категории сбрасываемых сточных вод, многие сооружения не имеют узлов доочистки и проч.

Таким образом, при рассмотрении источников загрязнения природных водоемов, к первичным следует отнести антропогенные (греч. άνθρωπος — «человек»; лат. antropos; anthropos) загрязнения, то есть загрязнения, возникающие в результате биологического существования и/или хозяйственной деятельности человека, в том числе:

✓ сброс неочищенных сточных вод, как бытовых, так и производственных;

✓ смыв с почв (в случае смыва с почв сельхозугодий в природные водоемы могут поступать химические удобрения, ядохимикаты и проч.);

✓ проникновение загрязняющих веществ из подземных вод (нефтепродукты, ионы металлов, радионуклиды и т. д.);

✓ попадание из атмосферы. С атмосферными осадками в природные водоемы часто поступают оксиды серы и азота, присутствующие в заводских выбросах и вызывающие закисление почвы. При этом восстановленный азот усиливает эвтрофикацию водоемов.

В результате могут резко изменяться:

• физические свойства воды:

— температура, прозрачность, окраска;

— появляются привкусы и запахи;

— на поверхности водоемов возникают плавающие субстанции;

— на дне водоемов образуется осадок;

• химический состав воды:

— увеличивается содержание органических и неорганических примесей, в том числе появляются (образуются) токсичные вещества;

— уменьшается содержание кислорода;

— изменяется рН среды и проч.;

• качественный и количественный бактериальный состав:

— появляются болезнетворные микроорганизмы.

Кроме того, в настоящее время часто имеет место:

• радиоактивное загрязнение воды, источниками которого можно считать:

— испытания ядерного оружия;

— сбросы радиоактивных отходов;

— крупные аварии (судов с атомными реакторами, ЧАЭС);

— захоронения на дне океанов и морей радиоактивных отходов.

Так, в частности, французские и английские атомные заводы заразили значительную часть Северной Атлантики, а три отечественных атомных подземных реактора, а также производство Красноярск-26, засорили реку Енисей, откуда R-загрязнения транспортируются прямо в океан.

Идет загрязнение мировых вод радионуклидами. В особенности сильным загрязнениям подвергаются акватории арктических морей, в том числе самыми опасными радионуклидами: цезий-137, церий-144, стронций-90, ниобий-95, иттрий-91. Все они обладают высокой биоаккумулирующей способностью, переходят по пищевым цепочкам и концентрируются в морских организмах.

Сбросы в океан превращают его в мертвый. Необходимы экстраординарные и неотложные меры по его спасению. Следует помнить, что океан — это главное богатство человечества, его биологические и минеральные ресурсы.

Кроме перечисленного можно еще выделить такой значимый загрязнитель, как электроэнергетика — крупнейший потребитель пресной и морской воды.

В частности, водохранилища, возникшие в результате сооружения плотин ГЭС, обусловливают:

— затопление земель и населенных пунктов;

— засоление или заболачивание почв;

— развитие новых видов водной флоры и фауны и проч.

Таким образом, под воздействием указанных факторов природные воды нередко становятся непригодными для питьевого, а иногда для рекреационного или даже технического водопользования, теряют рыбохозяйственное значение.

Загрязняющие вещества природных вод создают весьма устойчивые структуры, сильно осложняя очистку воды, периодически делая ее невозможной (по крайней мере, за вменяемые средства).

Что касается химических загрязняющих веществ, то ошибочно рассматривать эти примеси в воде как механические включения. Например, как гречку, попавшую в манку, легко разделяемые на ситах. В одной телевизионной рекламе разноцветные кубики, шарики и пирамидки, символизирующие загрязнения воды, стремительно проносились через условный фильтр, полностью задерживаясь на нем. Очень наглядно, но не очень верно.

Как мы обсуждали, вода, даже в чистом виде, представляет собой ассоциаты (кластеры, агрегаты) молекул, увязанные в полужесткую структуру, которая удерживается различными, в основном водородными связями.

Химические загрязняющие вещества не пребывают в воде «в свободном полете», а вступают с ассоциатами воды в сложные взаимодействия с образованием всевозможных гидратов и аквакомплексов. И свойства этих аквакомплексов уже достаточно далеки от первоначальных свойств исходных примесей, взятых в чистом виде.

В свою очередь, примеси воды многосложно взаимодействуют друг с другом, а с учетом высокой реакционной и каталитической активности воды, мы в конечном счете имеем дело с различными продуктами трансформации и превращения первоначальных загрязняющих веществ.

Воду, таким образом, следует рассматривать как весьма сложную и стабильную систему.

Дополнительную устойчивость этой системе придает наличие в природной воде различных буферных систем — карбонатной, фосфатной, гуматной и проч.

Известный опыт наглядно иллюстрирует, что такое устойчивая система.

Был взят 1 л мочи человека. В результате ее испарения остался сухой остаток. Предполагалось, что так же, в обратном порядке, растворив этот сухой остаток в одном литре воды, можно перевести его назад в истинный раствор. В результате для полного растворения этого осадка потребовалось целых 15(!) литров воды.

Не менее устойчивой внутренней структурой обладает и природная вода.

Санитарно-гигиенические риски присутствия в воде различных загрязняющих веществ приведены в таблице 3 (составлена кафедрой экологии человека и гигиены окружающей среды, Первый МГМУ им. И. М. Сеченова).

Таковы последствия присутствия в природной/питьевой воде тех или иных загрязняющих веществ для здоровья человека.

А принимая во внимание, что, например, Гигиенические нормативы ГН 2.1.5.-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования» содержат 1345 загрязняющих веществ, а СанПиН 2.1.4.1074–01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения…» включает также порядка полутора тысяч таких показателей качества, то приведенная таблица отнюдь не исчерпывает гигиенической оценки степени риска опасности потребления той или иной воды.

Действующие сегодня в РФ перечни химических веществ, нормируемых в воде, не включают многие современные загрязнители. Кроме того, эти перечни далеко не всегда учитывают, присутствует ли токсичные элементы в воде в ионном виде или в составе молекулы органического вещества. Часто не учитывают и валентность нормируемых элементов.

Хотя известно, например, что смертельно опасная сулема (HgCl₂) и относительно безопасная, даже лечебная каломель (Hg₂Cl₂) отличаются только валентностью ртути.

Но речь об этом пойдет позже, когда мы будем обсуждать нормативную базу питьевого водоснабжения РФ.

Таблица 3

Санитарно-токсикологическая характеристика химических загрязнений питьевой воды

Наряду с этими соединениями ученые-гигиенисты отмечают наличие загрязняющих веществ в водных объектах, которые оказывают на организм специфическое «отложенное» воздействие. А именно: токсические эффекты проявляются не сразу, а в отдаленные от экспозиции периоды жизни. Причем часто речь идет о годах и даже десятилетиях. Еще серьезнее для общества проявление неблагоприятных эффектов в последующих поколениях.

По данным разных авторов, ниже представлен [22] перечень групп веществ, обладающих отдаленными эффектами токсического действия:

— эмбриотоксическим (способность отрицательно воздействовать на развивающиеся эмбрионы

Конец ознакомительного фрагмента.