О.А. Барабанова, И.Н. Безкоровайная, Е.Б. Бухарова [и др.]
Экология: курс лекций
Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2010. – 325 с.

Глава 2. Глобальные проблемы биосферы

Лекция 10. Антропогенные воздействия на атмосферу, гидросферу и литосферу

10.3. Загрязнение континентальных и океанических вод

Еще лет сорок назад не только обыкновенные жители городов, но и специалисты-гидрологи не представляли, насколько острой станет эта проблема. К настоящему времени проблема химического и биологического загрязнения окружающей среды приобрела глобальные масштабы, при этом конечной инстанцией транспорта всех загрязнений являются природные воды.

Характеристика природных вод

Грунтовые воды содержат не только растворенные взвешенные вещества, но и поверхностные. Например, в р. Аму-Дарье содержится 5 000 мг/л и более поверхностных взвешенных веществ. Больше взвешенных веществ наблюдается в осенние и весенние паводки.

Существует несколько способов классификации природных вод:

1) по происхождению: атмосферные (осадки), подземные (ключевые, колодезные) и поверхностные (речные, озерные, морские, болотные);

2) по количеству и характеру примесей воды подразделяют на пресные, соленые, мягкие, жесткие, прозрачные, бесцветные, опалесцирующие, мутные, окрашенные, пахнущие и т. д.;

3) по принципу использования: питьевые, хозяйственные, технические, охлаждающие, лечебные и т. д.

Минеральные воды подразделяют на соленые, щелочные, горькие, железистые, газовые, серные.

Речная вода обычно содержит от 0,05 до 1,6 г/л солей. Наиболее минерализованы воды Темзы и Нила. Малым содержанием солей отличаются воды Печоры и Невы (около 0,05 г/л). Болотные воды содержат мало минеральных солей, но много органических веществ – до 850 мг/л.

В водные объекты попадают практически все загрязнители от любой производственной деятельности, что считается самой серьезной угрозой водным ресурсам. Положение усугубляется тем, что, несмотря на достаточно развитое водное законодательство, отсутствует эффективная система охраны качества воды в водоисточниках; современное состояние проблемы можно квалифицировать как «кризис водоохранных зон». По данным Госсанэпиднадзора, нарушение норм качества воды в половине случаев обусловлено отсутствием зон санитарной охраны источников водоснабжения.

В конце ХIХ в. среди загрязняющих веществ основными были органические соединения (фекальные стоки); с начала ХХ в. существенную роль стал играть процесс осолонения вод. С 20-х годов ХХ в. – загрязнение тяжелыми металлами, с конца 30-х годов – эвтрофикация, в 40-х годах – загрязнение нитратами и радиоактивными отходами, а в 60-х годах грозным врагом водоемов стали кислотные дожди, которые превращают озера с рыбой в резервуары с кислотой.         

Нагрузка на водные ресурсы в последние полвека возросла более чем в два раза. Суммарная масса загрязнителей гидросферы достигла 15 млрд т/год, среди которых поверхностно-активные вещества составляют 2 500 млн т/год, пестициды 1 200, минеральные удобрения – 80, тяжелые металлы – 3. Проблема дефицита воды включает не только улучшение количественных и качественных показателей, но и их рациональное использование и охрану.

Большую опасность представляют патогенные микроорганизмы. Качество воды в значительной мере определяет характер и уровень инфекционных и неинфекционных заболеваний, генетических болезней, а также особенности развития организма. Таким образом, можно констатировать нарастание антропогенной нагрузки на водные ресурсы, что означает рост угрозы не только для водных экосистем, подвергающихся жесткому химико-биологическому прессу, но и для хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Серьезность проблемы качества пресной воды подчеркивается ее включением в список наиболее насущных проблем человечества. В Российской Федерации усиление антропогенного воздействия на водные источники также приводит к прогрессирующему ухудшению качества воды. В настоящее время только 1 % поверхностных источников водоснабжения имеет 1-й класс, т. е. не требуется специальной водоподготовки, тогда как в 17 % качество воды не отвечает даже 3-му классу. Резко возросло микробиологическое загрязнение водоемов – с 12,5 % в 1991 г. до 22,8 % в 1997 г. В 20 % проб воды присутствуют колифаги, что свидетельствует о вирусном загрязнении.

На водопроводных станциях осуществляется регулярный микробиологический контроль по группе показателей, включающих общие и термотолерантные колиформные бактерии, сульфатредуцирующие клостридии, общее микробное число, колифаги, фекальные стрептококки. В 1998 г. зарегистрировано отклонение от норматива в 75 % проб воды по органолептическим, санитарно-гигиеническим и химическим показателям. Состояние водопроводов не отвечает санитарным нормам; в целом по стране нарушение санитарных норм в 1997 г. фиксировалось на 30,4 % водопроводов.

Проблема рационального использования водных ресурсов при современном стремительном развитии производительных сил является первостепенной среди множества задач современного природопользования. Потребление воды на хозяйственно-бытовые нужды населения в общем объеме водопотребления невелико, но для современного уровня жизни имеет решающее значение. Например, более половины населения планеты пользуется питьевой водой, не отвечающей санитарно-гигиеническим требованиям, в то время как общеизвестно, что отсутствие чистой питьевой воды – одна из главных причин тяжелых инфекционных болезней.

По данным ВОЗ, более миллиарда человек на планете испытывают недостаток питьевой воды, около четверти миллиарда ежегодно умирают от употребления некачественной воды и лишь 10 % населения Земного шара удовлетворяют полностью свои потребности в воде. В развитых странах на одного человека воды приходится до 1 000 л/сут, в странах третьего мира – от 2 до 5 л/сут.

Сегодня в крупных городах расход воды в сутки на человека исчисляется объемом в тысячи литров. Водопотребление на одного человека на территории России и стран СНГ колеблется от 30 до 400 л/сут и более. Во многих небольших городах и поселках удельное водопотребление составляет в 1,5…2,0 раза ниже, чем в больших городах. В Москве на одного человека расходуется 560 л/сут. Существенна разница в цифрах водопотребления и за рубежом; так, в Лондоне на 1 человека приходится 260, в Нью-Йорке – 600 л/сут.

Было подсчитано, что при рациональном использовании имеющихся водных ресурсов, в частности, увеличении КПД имеющихся ирригационных сооружений в Средней Азии, покрывается дефицит воды, который испытывают сельскохозяйственные площади. Это сделало бы ненужным строительство канала «АнтиИртыш» в 80-е годы, предотвратило чрезмерное засоление земель Средней Азии. Реализация этого проекта означала бы ситуацию экологического срыва на территории бассейна рек Обь и Енисей из-за отчуждения огромного количества воды из рек.

Таким образом, сегодня проблемы использования водных ресурсов заключаются во всевозрастающих потребностях отраслей народного хозяйства в чистой воде при нерациональном ее использовании и загрязнении водотоков сточными водами.

Сегодня уже задумываются о цене и ценности воды. Можно сказать, что она превратилась в драгоценное сырье, ее добыча обходится дороже, чем добыча нефти. Но еще нельзя, к сожалению, сказать, что к воде мы относимся бережно. Мы еще не осознаем сегодня истинной цены глотка чистой воды. Только в Японии, единственной стране мира, в городском хозяйстве подается вода в трех кранах: морская, пресная хозяйственная и тщательно очищенная питьевая (в тоненьком кране), причем каждая из них имеет свою стоимость.

Особенностью современной ситуации является то, что природные воды участвуют не только в естественном, но и антропогенном круговороте. В антропогенном цикле вода используется в энергетике, промышленности, сельском хозяйстве, коммунально-бытовом и питьевом секторе ЖКХ. Значительная ее часть после использования сбрасывается в водотоки в виде сточных вод.

Россия и большинство стран ближнего зарубежья богаты водными ресурсами, однако и здесь существуют водные проблемы, они обусловлены как природными, так и антропогенными факторами. Один из природных факторов – неравномерное распределение стока по территории: 84 % ресурсов поверхностных вод приходится на бассейны Северного Ледовитого (3 030 км³/год) и Тихого океанов (950 км³/год). В них впадают крупнейшие реки России – Енисей, Лена, Обь и Амур, которые дают 44 % объема всех рек России и стран ближнего зарубежья.

На южные и юго-западные районы (бассейны Черного и Азовского морей, Арало-Каспийская низменность), где сосредоточено 75 % населения, 80 % промышленности и сельскохозяйственного производства рассматриваемых стран, приходится всего 750 км³, или 16 % ресурсов поверхностных вод. На европейской территории сток рек южного склона (Волга, Урал, Днестр, Днепр, Дон, Кубань, Кура, Терек) составляет 605 км³, или 50 % от речного стока этой части СНГ. В Средней Азии и Казахстане на значительной части территории не имеется рек, русла которых были бы заполнены водой в течение всего года.

Сибирь располагает большими водными ресурсами: реки Енисей, Ангара, Лена и другие отводят за год 1 974 км³ воды, что составляет 47 % ее запасов в России. По объему годового стока первое место занимает Красноярский край, последнее – Республика Тыва. Но несмотря на большой объем, основная часть речного стока этих сибирских рек идет в малонаселенных местах. В пределах водосборной площади Енисея и Ангары доступны для освоения лишь 242 км³, что составляет треть годового стока Енисея.

Еще контрастнее наличие и доступность для освоения речных ресурсов Лены. Таким образом, при размещении водопользователей на обширной территории Сибири главную роль играет не величина стока по руслу большой реки, а сток, формирующийся на рассматриваемой части территории (В. А. Знаменский).

Для Красноярского края его размер составляет 10 % от 916 км³, о которых обычно идет речь при оценке водообеспеченности региона. Колоссальные запасы водных ресурсов Сибири послужили основанием для ошибочно высокой оценки водообеспеченности территории. Механическое перенесение этого вывода на отдельные части территории привело к расточительному расходованию воды, что, в свою очередь, затруднило борьбу с загрязнением рек.

Другой природный фактор, вызывающий возникновение водных проблем, – неравномерное распределение стока по сезонам года. На большинстве рек европейской части России, Западной и Восточной Сибири, а также Дальнего Востока свыше 2/3 стока проходит за 2…3 месяца весеннего половодья. Еще более остро обстоит дело в южных районах, в частности в Казахстане, где на период весеннего паводка приходится свыше 95 % всего годового стока.

Атмосферные осадки формируют воды почвенного горизонта, роль которых в земледелии исключительно велика, однако особенности физико-географического положения России и стран ближнего зарубежья таковы, что в зоне земледелия выпадает менее всего осадков.

Подсчитано, что на пашни приходится в среднем около 900 км³ осадков, т. е. 8 % их общего количества. Дефицит водопотребления для пашни составляет около 600 км³. Высокая изменчивость этих показателей в многолетнем разрезе и внутри года вызывает засухи.

Таким образом, за последние пятьдесят лет водные проблемы существенно обострились в связи с антропогенными изменениями речного стока и бесхозяйственностью. Так, в наиболее обжитых районах не осталось крупных рек, не нарушенных в той или иной степени хозяйственной деятельностью, причем как на территориях водосборов, так и в руслах самих рек.

Экологические последствия от создания водохранилищ разнообразны. С одной стороны, водохранилища, помимо решения главных гидроэнергетических проблем, регулируют поверхностный сток, снижая разрушительные последствия паводков, улучшают условия водоснабжения, судоходства. Регулирование стока рек водохранилищем позволяет гидроэлектростанции развить установленную и увеличить гарантированную мощность, повысить общую выработку энергии и степень энергетического использования стока.

С другой стороны, создание водохранилищ связано с такими отрицательными для окружающей среды и человека последствиями, как переработка, абразия берегов, активация на них оползней и карста. Зарегулирование водотока приводит к нарушению режима грунтовых вод в результате их подпора. В результате корнеобитаемый слой прилежащих сельскохозяйственных угодий испытывает избыточное увлажнение, что ведет к заболачиванию, засолению почвы. Вдоль берега образуется многометровая заболоченная полоса подтопления, дикие животные в этих местах не могут подойти к чистой воде на водопой и «на берегу моря пресной воды» погибают от жажды.

При строительстве водохранилищ существенно нарушается хозяйственная жизнь районов, подвергающихся затоплению, что требует широкого круга мероприятий не только по переустройству затопляемых объектов.

Территории, предназначенные для нового расселения и использования под сельскохозяйственные угодья, обычно представляют собой нетронутую тайгу, хозяйственное освоение которой – трудоемкий процесс.

Колебания воды в водохранилище (паводковые и регламентные) приводят к тому, что в прибрежной полосе вследствие химического и механического вымывания органической и глинистой части почвы остается песчаная фракция, что влечет за собой опустынивание местности.

Зарегулирование стока реки и создание водохранилища приводит к значительному замедлению водообмена, что является одной из причин нарушения функционирования водных экосистем, перестройки гидробиоценозов; массовому развитию сине-зеленых водорослей, когда в результате их избыточного развития резко падает кислородная продуктивность клеток, усиливаются процессы разложения, накапливаются органические вещества и токсичные продукты их распада, а также «цветению воды». В местах скопления больших масс сине-зеленых водорослей, особенно в заливах и бухтах, возникают локальные заморы, вызывающие массовую гибель рыб и других гидробионтов.

Важнейшей проблемой современности, связанной с качеством природных вод, продуктивностью водных экосистем, является эвтрофирование водоемов. Термин «трофность», введенный в начале века, имеет значение «кормность», «питательность» водоема для гидробионтов (от гр. автрофос – тучность, жирность).

В настоящее время существуют классы качества воды: олиготрофным водоемам соответствует очень чистая вода (1-й класс качества); мезотрофным – чистая вода (2-й класс качества); слабоэвтрофным соответствует очень незначительная загрязненность (3-й класс качества); сильноэвтрофным – незначительная загрязненность (4-й класс качества); политрофности водоема соответствует очень сильная загрязненность воды (5-й класс качества); гипертрофности соответствует очень загрязненная вода (6-й класс качества). Эта классификация установлена в рамках «Единых критериев качества вод», принятых в 1982 г., для нее использован комплекс физико-химических, химических и биологических показателей природных вод, учтен характер водопользования, степень проточности водоема.

Эвтрофирование трактуется как увеличение содержания в водоемах соединений азота, фосфора, железа и других биогенных элементов, что приводит к повышению интенсивности первичного продуцирования органического вещества, стимулирует рост водорослей, высшей водной растительности. Различают естественное и антропогенное эвтрофирование.

Понятия «эвтрофирование» и «загрязнение» не идентичны, несмотря на то, что эти процессы тесно связаны, взаимообусловлены и являются следствием попадания в водоемы различных веществ. Принципиальная разница заключается в следующем. Под загрязнением понимают накопление в воде различных химических соединений, в первую очередь токсичных для гидробионтов (нефтепродукты, фенолы, СПАВы, тяжелые металлы и другие), при этом различают химическое, биологическое («цветение» воды), термическое и радиоактивное загрязнения.

При загрязнении природных вод в водных экосистемах наблюдаются изменения, связанные с падением биологической продуктивности, вымиранием целых трофических звеньев, снижением уровня функционирования большинства гидробионтов и в конечном счете отмиранием экосистемы.

Таким образом, антропогенное эвтрофирование является мощным повсеместно действующим, практически пока неизбежным и прогрессирующим фактором воздействия на водные экосистемы. На земном шаре практически не осталось не затронутых человеческим вмешательством природных водоемов.

Для человека как потребителя водных и биологических ресурсов водоемов накопление в воде биогенных элементов, усиление темпов и повышение интенсивности продуцирования по экологическим, техническим, экономическим и социальным последствиям является крайне нежелательным: «цветение» континентальных водоемов; явления «красных приливов» в морях и океанах у берегов Африки, Аравийского полуострова, Японии, Перу, Чили, Мексики, Калифорнии, Флориды, а также на востоке Австралии из-за размножения отдельных видов (красного цвета) водорослей; в средних широтах недобрую известность приобрело «цветение» сине-зеленых водорослей.

Существенное влияние на качество воды водоемов имеет подкисление. Под подкислением (ацидификацией) водоемов понимают снижение рН среды, обусловленное такими естественными причинами, как зарастание и заболачивание, и антропогенными факторами, связанными с трансконтинентальными переносами кислотных осадков. Так, с начала ХХ в. за восемьдесят лет содержание в атмосфере Европы окислов азота и серы увеличилось более чем в шесть раз; рН дождевой воды в Нидерландах до 4,8, в Бельгии – до 4,5; туманы в Германии имеют рН 2,5 – 5,1. В США выпадают кислотные дожди с рН воды до 2,2.

Интенсивно развивается закисление озер в Норвегии, Швеции, Франции, Германии, а также в США; вместе с закислением повышается и концентрация сульфатов. В России и СНГ с фактами закисления столкнулись в Карелии, районах Карпат, в пойменных озерах Днестра. Применяемые восстановительные мероприятия – известкование, вселение ацидофильных водорослей дают кратковременный эффект, поэтому продуктивность водоемов падает, качество воды ухудшается.

Таким образом, антропогенный фактор в настоящее время стал играть определяющую роль в функционировании не только континентальных, но и морских, океанических экосистем. Признав опасность различных видов загрязнения для водных систем, общество находит экономические и технические возможности для законодательного и технологического устранения загрязнения.