Geum.ru

1. Общая характеристика взаимоотношений Человека и Природы, их эволюция после начала «промышленной революции» (1750-2000 г)

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   23

24-25-26 .1. Основные сведения о гидросфере

Гидросфера — это совокупность всех вод Земли: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических, атмосферных. Как непрерывная оболочка Земли природная вода включает жидкую, твердую и газообразную фазы, химически и биологически связанные состояния. Единство гидросферы также и в постоянстве водообмена между ее отдельными частями и циклической замкнутости переходов из одного состояния в другое, что в значительной степени определяет глобальный и местные круговороты веществ на планете.

Появление гидросферы на Земле, тесно связанное с процессами дифференциации мантии, явилось ключевым моментом в формировании многомерной физико-химической, а 3,9 – 3,8 млрд. лет тому назад и биологической среды. Это явилось прямой предпосылкой появления жизни в воде (на суше лишь около 0,6 млрд. лет до н.э.). Таким образом, гидросфера является самой древней частью биосферы, а вода – колыбелью жизни. Объясняется это прежде всего уникальностью свойств самой воды.

Вода является одним из самых сложных веществ, как с физической, так и химической точек зрения. Она относится к веществам, которые наиболее трудно получить в чистом виде. Чистая вода всегда является смесью легкой воды (Н2О) и очень малых количеств тяжелой и сверхтяжелой воды.

Физические константы воды отличаются наибольшим количеством аномалий:

1. При нагревании от 0 до 4°С объем воды не увеличивается, а уменьшается, и максимальная плотность достигается не в точке замерзания (0°С), а при 4°С.

2. При замерзании вода расширяется, а не сжимается, как все другие тела, плотность ее уменьшается.

3. Температура замерзания воды с увеличением давления и наличия растворенных солей понижается, а не повышается.

4. Удельная теплоемкость воды чрезвычайно велика по сравнению с удельной теплоемкостью других веществ.

5. Вследствие высокой диэлектрической постоянной вода обладает большей растворяющей и диссоциирующей способностью в сравнении с другими жидкостями.

6. У воды самое большое поверхностное натяжение из всех жидкостей: 75 • 10-3 Дж/м2.

Одной из причин аномалии— в характере строения и способности молекул воды к сильному взаимодействию, что в конечном счете и обеспечивает жизнь на Земле. Вода, как известно, может находиться в жидком, твердом и газообраз-ном состояниях. Она остается жидкостью в температурных интервалах, наиболее подходящих для жизненных процессов и является идеальным растворителем и транспортом для питательных веществ у животных и растений.

Для огромной массы организмов вода является средой их жизни и эволюции. В определенное время года жидкая вода может замерзнуть и покрыться льдом. При замерзании при 00С вода превращается в лед, при этом происходит расширение объема на 10%. Замерзание идет сверху вниз, лед легче воды и плавает на поверхности. Эта особенность имеет большое значение для жизни обитающих в водоемах организмов. Если бы лед был тяжелее воды, то водоемы полностью промерзали, что в принципе исключило бы жизнь в биосфере.

В целом же, наличие указанных свойств воды способствовало формированию, развитию и концентрации жизни на планете, а также превращению гидросферы в ядро биосферы.

Поэтому влияние и состав гидросферы можно оценить не только с учетом океанической составляющей, но и с тесно взаимодействующими водами литосферы (поверхностные и подземные воды), атмосферы (парообразная влага) и живым веществом биосферы, в которое она входит в качестве обязательного компонента.

Подавляющая часть массы природных вод (94,2%) — это воды Мирового океана (рис. 6.2), представляющего собой уникальную природную систему. Здесь происходит грандиозный процесс обмена, трансформации энергии и вещества нашей планеты. Наличие Мирового океана является самым значительным гарантом существования биосферы. Упорядоченные много-численные океанические и морские течения(экваториальные и приполярные, широтные и меридиональные, поверхност-ные и глубинные и др.) создали уникальную систему перемешивания и дифференциации водных масс, что способствовало объедине-нию различных физических, химических и биологических процессов и образованию единой макроэкосистемы Мирового океана.. Им определяется формирование климата на планете, поверхностных и подземных вод, а также условий местообитаний в экосистемах суши. Биологические процессы проявляются в развитии живых организмов, в усвоении солнечной энергии и накоплении свободной энергии в самих телах организмов, в биопродуктивности и осадкообразовании, в выделении гигантских объемов кислорода и поглощении углекислого газа.

Одна из самых консервативных характеристик Мирового океана это состав его вод с растворенными в среднем 35 ‰ вещества. В морской воде присутствуют все химические элементы таблицы Менделеева. Однако преобладающая часть растворенных веществ сложена немногими химическими элементами: натрий, магний, кальций, хлор, углерод, сера. Они находятся в морской воде в виде ионов различного типа. Например, можно выделить катионы: Na1+, Mg2+, Са2+ и анионы Сl1-, SO42-, HCO31- СО32-. Из других химических элементов, играющих важную роль в химических процессах моря и в морских организмах, можно отметить азот, фосфор и кремний.

Благодаря наличию у воды газообразной и твердой фаз состояния, а также энергии Солнца, необходимой для ее испарения и переноса воздушных масс, в современной гидросфере сформировалась и континентальная часть. Основные особенности этого процесса в самоочищении соленой морской воды при испарении и выпадение уже "пресных" осадков, а также в его цикличности и постоянстве. Подобное обновление является позитивным фактором для развития континентальных экосистем.

В целом воды суши подразделяются на поверхностные и подземные.

Поверхностные воды представлены:

– ледниками (горными и покровными);

– водоемами бессточных или слабопроточных областей − озерами, болотами, водохранилищами и др.;

– речным стоком в моря и океаны.

Подземные воды разделяются на:

– воды зоны интенсивного водообмена (почвенные, верховодка и грунтовые), связанные с климатом дневной поверхности;

– межпластовые воды (глубокозалегающие напорные (артезианские), безнапорные, реликтовые и др.) зоны замедленного водообмена.

Выделенные 3 основные группы водной оболочки Земли также заметно различаются буферными свойствами по противодействию техногенным загрязнениям и интенсивностью собственных процессов самоочищения. Так наибольшими возможностями обладают экосистемы Мирового океана. Существенно меньшая устойчивость экосистем поверхностных вод и совершенно ничтожные возможности самоочищения у подземных (особенно у межпластовых) вод. Это делает их чрезвычайно уязвимыми перед многочисленными загрязнителями, поступающих во все возрастающем масштабе из сферы общественного производства и коммунального хозяйства.

Уровень подобных угроз локального и регионального ухудшения качества водной среды значителен, что для условий существования живой природы на суше может стать непреодолимым лимитирующим фактором, ибо только химически и биологически нейтральные пресные поверхностные и грунтовые воды являются основным элементом обеспечения жизнедеятельности.

Итак, основным поддерживающим регулятором сложившегося водного комфорта континентальных экосистем является глобальный круговорот воды на планете (около 483000 км3/год). Он состоит из многих местных круговоротов: – вода, выпавшая на поверхность суши, многократно испаряется с ее поверхности, как и с поверхности рек, озер, а также возвращается речным стоком в океан;

– вода просачивается в почву и грунты, чтобы вновь испариться или попасть в реки и озера;

− вода, попадающая в глубоко залегающие подземные воды, разгружающиеся на суше или в океаны.

Благодаря данному круговороту и существуют пока еще достаточные для благоразумного использования запасы пресных вод на планете.


27 4.1.1. Запасы пресных вод.

Из общего количества воды на Земле столь нужная для живых организмов пресная вода составляет немногим более 2-х процентов от общего объёма гидросферы, или примерно 28,25 млн. км3 (табл. 4.2).

Нужно учесть, что основная часть пресных вод (около 70%) заморожена в полярных льдах, вечной мерзлоте, на горных вершинах. Воды в реках и озерах составляют лишь 3% суши, или 0,016% от общего объема гидросферы. Таким образом, воды, пригодные для всех видов использования, составляют ничтожную часть общих запасов воды на Земле, причем из всех видов пресных вод наиболее значимы лишь речные. Период возобновления их запасов и качества на планете в среднем менее 12 суток, тогда как для крупных озер восстановление может растянуться на десятки и сотни лет (на оз. Байкал около 400 лет), а для подземных вод и того более – тысячи лет. Поэтому основу водообеспечения живой природы на суше и, особенно, человека составляют речные ресурсы.

Проблема усложняется и тем, что распределение пресной воды по земному шару имеет существенную территориально-временную неравномерность. Так в Европе и Азии, где проживает 70% населения мира, сосредоточено лишь 39% речных вод (табл. 4.3). Временные аспекты проблемы связаны с естественной неравномерностью речного стока, когда в половодье за 1-2 месяца проходит до 80% его годового объема.

Россия по ресурсам поверхностных вод занимает ведущее место в мире. Только в уникальном озере Байкал сосредоточено около 1/5 мировых запасов пресной воды и более 4/5 запасов России. При общем объеме 23 тыс. км3 в озере ежегодно воспроизводится около 60 км3 редкой по чистоте природной воды. Среднегодовой суммарный сток рек Российской Федерации составляет около 4400 км3/год в том числе из сопредельных территорий в Россию поступает более 200 км3 /год.

Потенциальные эксплуатационные ресурсы подземных вод в России около 320 км3/год.

В целом в России на одного жителя приходится 31,9 тыс. м3 пресной воды в год. Однако распределение пресной воды, в первую очередь речного стока, по территории крайне неравномерно и не соответствует численности населения и размещению промышленных предприятий. 90% общего годового объема стока приходится на бассейны Северного Ледовитого и Тихого океанов.

На бассейны Каспийского и Азовского морей, где проживает свыше 80% населения России и сосредоточен ее основной промышленный и агропотенциалы, приходится менее 8% общего годового объема речного стока. Водообеспеченность на 1 кв. км территории колеблется от 130 тыс. м3 в Центрально-Черноземном районе до 610 — в Волго-Вятском, а на одного жителя — от 2,8 тыс. км3 в Центрально-Черноземном до 307,5 в Дальневосточном. Недостаточно обеспечены собственными водными ресурсами Ростовская, Астраханская, Липецкая, Воронежская, Белгородская, Курганская области, республика Калмыкия и некоторые другие территории.

В Курганской области в среднем на одного человека приходится в год 1,15 тыс. м3 водных ресурсов, что в 6,6 раза меньше, чем по Уральскому региону, и в 27,7 раза меньше, чем в целом в Российской Федерации.

Подобная неравномерность распределения ресурсов пресных вод на планете в целом и в России в частности существенно обостряет локальные экологические проблемы, связанные как с общим дефицитом воды, так и с недостатком воды требуемого качества. Так, в Москворецкой системе питьевого водоснабжения всех запасов в водохранилищах едва хватает для разбавления загрязненных агропромышленных стоков до безопасного уровня.

Поэтому, качество пресных вод относится к числу наиболее значимых лимитирующих факторов экосистем суши и биосферы. Чрезмерное и нерациональное техногенное использование речных и озерных вод выводит из природного круговорота около половины их запасов, делая их опасными для потребления. Подобное ограничение наиболее характерно для урбанизированных территорий, где имеют место уже устойчивые дефициты водопотребления.

Все это остро ставит вопросы разработки внедрения на промышленных и агропредприятиях водооборотных технологий, когда объем забираемой воды составляет не более 20% от потребляемой, а уровень очистки сбрасываемых вод будет не ниже 80%. Это радикальнейшим образом снизит техногенное давление на водные экосистемы и поможет снизить остроту водноэкологических проблем.

Проблема качества природных вод определяется масштабами загрязнения гидросферы в целом. Объясняется это тем, что вода способна накапливать в значительных объемах самые разнообразные и опасные загрязняющие вещества, в том числе патогенные микроорганизмы. Загрязнение одинаково «успешно» убивает зоо- и фитопланктон и в океане, и в реках и озерах, разрушая трофические цепи экосистем. И вместе с тем, для каждой части гидросферы процессы загрязнения имеют свои особенности.

28-29-30 4.1.2. Особенности природного и антропогенного загрязнения воды.

В конце XX — начале XXI столетия антропогенное загрязнение природных вод (табл. 4.1) стало носить глобальный характер и существенно сократило доступные эксплуатационные ресурсы пресной воды на Земле.

Основными источниками их загрязнения являются промышленные и коммунальные канализационные стоки, смыв с полей части почвы, содержащей различные агрохимикаты, дренажные воды систем орошения, стоки животноводческих ферм, попадание в водоемы с осадками и ливневыми стоками аэрогенных загрязнений.

Наряду с этим значительный вред приносит гидротехническая зарегулированность речного стока, а также тепловое загрязнение водоемов, разрушающие саморегулирующую (самоочищающую) способность водных экосистем и усиливающие деградационные процессы вследствие замедления водообмена и повышения температуры воды.

Многолетние режимный контроль состояния водных ресурсов хозяйственно- питьевого назначения выявил отчетливую тенденцию снижения качества и запасов пресной воды во всех промышленно-урбанизированных регионах мира. Чистая пресная вода становится одним из основных лимитирующих факторов для существования человека как биологического вида.

В связи с непрерывно возрастающим загрязнением поверхностных вод и особенно в районах с дефицитом водообеспечения подземные воды становятся практически единственным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения населения. Однако, при этом следует учитывать, что чрезмерный подземный водозабор приводит к формированию глубоких и обширных депрессионных воронок с провалами грунтов, понижению водных объектов суши и, как следствие, к интенсификации и избыточному поступлению биогенных химических элементов (прежде всего азота, фосфора) с сельскохозяйственных и урбанизированных территорий. Также большую опасность необратимого загрязнения подземных вод представляют высоко токсичные фильтрационные воды в местах хранения отходов.

В последние годы резко возросло потребление минеральных, лечебных и столовых вод, а также геотермальной энергии. Поэтому изучение, оценка и прогноз их ресурсов, охрана запасов от истощения и загрязнения являются актуальными экологическими задачами. Практика показала, что при добыче рассолов окружающей среде и в первую очередь вышележащим водоносным горизонтам пресных питьевых вод может быть нанесен невосполнимый ущерб. Их состав характеризуется высокими концентрациями многих тяжелых металлов и радиоактивных элементов. Необдуманное использование таких ресурсов без выяснения закономерностей протекающих в водных резервуарах процессов приводит к трагическим и дорогостоящим ошибкам.

Примером технического просчета при использовании термальных вод может служить организация бизнеса в знаменитой Долине Гейзеров (Калифорния, США), в которой из-за слишком большого количества эксплуатационных скважин быстро исчез пар и резко нарушилось гидрогеологическое равновесие. На ликвидацию возникшего кризиса в 1970-х годах было затрачено 3,5 млрд. долларов [ 19].

Исследования, проведенные за рубежом и в России, выявили положительную корреляционную связь между степенью загрязнения питьевой воды и здоровьем человека. Причем поражение органов у людей и животных могут носить как единичный, так и системный характер как, например, при гепатите, туберкулезе и др.

Широко распространенные кариес зубов и флюороз обусловлены соответственно недостатком и избытком фтора в питьевой воде. Вспышки флюороза на территории России зафиксированы в Мордовии и Забайкалье. Для предотвращения кариеса зубов, характерного для Карело-Кольского региона, большинства областей Европейской России, в 1960-е годы было принято специальное постановление правительства о фторировании питьевой воды, содержащей фтора менее 0,5 мг/л. Не меньшей проблемой является недостаток йода в воде из-за развития заболеваний щитовидной железы, особенно у сельских жителей. Такие регионы известны на Крайнем Севере, Урале, Алтае, Северном Кавказе, в Среднем Поволжье, северной части Русской равнины, включая Подмосковье.

В США выявлена положительная связь рака мочевого пузыря и употреблением питьевой воды с высокой концентрацией хлора. С 1978 по 1984 от него в штате Массачусетс умерло более 1000 человек. Предполагается, что это связано с образованием в хлорированной воде хлорпикрина. К наиболее опасным загрязняющим веществам питьевых вод относятся летучие хлорированные углеводороды.

Накопление стойких пестицидов в питьевой воде в районах агропроизводства

является серьезной угрозой для здоровья как на короткую, а так же и длительную перспективу. Особую опасность представляет загрязнение питьевой воды микроорганизмами, которые относятся к патогенным и могут вызвать вспышки разнообразных эпидемических заболеваний среди населения и животных. Практика показала, что основной причиной большинства эпидемий являлось употребление зараженной вирусами, микробами недостаточно очищенной воды для питьевых и других нужд [12].

Отрицательное влияние загрязнителей воды на крупных животных, рыб, птиц, планктон ярко показали аварии нефтепроводов и нефтеналивных танкеров. Пестициды, содержащиеся в водной среде, аккумулируются в организме китов, дельфинов, других морских животных и вызывают серьезные нарушения их физиологических функций и поведения, вплоть до массовых выбросов на берег. Многие ценные породы пресноводных рыб погибают вследствие увеличения солености водоемов и водотоков их обитания

В Великих озерах Северной Америки вследствие неконтролируемого сброса загрязнений имели место тотальные заморы рыб из-за массового разложения одноклеточных водорослей. Закисление водоемов (рН < 5÷5.5) приводит к массовой биологической «стерилизации» озер в Скандинавии, Северной Америке и на севере России.

Влияние гидротехнического регулирования речного стока весьма значительно и носит комплексный характер. К негативным последствиям только строительства гидроэлектростанций можно отнести:

– затопление земель (заливных высокопродуктивных лугов, лесных массивов, населенных пунктов);

– повышение сейсмической активности (в сейсмически опасных районах);

– подтопление берегов, заболачивание, оползневые процессы;

– замедление водообмена и процессов самоочищения водохранилищ;

– развитие сине-зеленых водорослей и процессов эвтрофикации водоемов;

– сокращение стада ценных промысловых рыб;

– изменение микроклимата окружающей среды и т. д.

В мире насчитывается несколько десятков крупных бассейнов рек, режим которых изменен в значительной степени – это искусственные водные объекты с полным комплектом выше перечисленных негативных явлений. К их числу можно отнести и бассейн р. Волги.

Общая площадь водного зеркала водохранилищ только в России составляет 15 млн. гектаров. Система гидротехнических сооружений привела к деградации всех крупных рек южной части Европейской России, крупных рек Западной Сибири. Особенно пострадали реки Европейской части и Урала, где сосредо-точена только четвертая часть стока рек, а водозабор составляет 3/4 от общего (Лосев К.С., 1989).

Тепловое загрязнение – распространенный вид загрязнения природных вод. Промышленные предприятия и электростанции сбрасывают в водоёмы-охладители использованную воду. В водоемах с повышением температуры уменьшается содержание кислорода, увеличивается токсичность загрязняющих воду примесей, наблюдается бурное размножение болезнетворных микроорганизмов и вирусов. Нарушение биологического равновесия приводит к смене видового состава организмов. При средней температуре вегетационного периода меньше 20÷25°С в водоемах господствуют диатомовые водоросли и отмечается высокое питьевое качество воды. С ростом температуры до 30÷35°С, а затем и к 40°С наибольшее распространение получают соответственно зеленые и сине-зеленые водоросли, что сопровождается потерей способности водоема к самоочищению, значительным ухудшением качества воды и его полной деградацией.

Многочисленны и разнообразны также и природные процессы загрязнения воды (табл. 4.2).

Широкую известность получило взрывное выделение в августе 1986 года углекислого газа, накопившегося в результате флюидной активности в придонном слое озеро Ньосо (Камерун). Подводное извержение 2-3 января 1996 года в озеро Карымское (запас воды 460,6 млн. м3) на Камчатке полностью изменило его химический состав и режим [14]. Пресный олиготрофный горный водоем с чистейшей водой и разнообразной биотой превратился в крупнейшее хранилище кислого хлоридно-сульфатного кальциево-натриевого типа.

Известно явление «аосио», впервые обнаруженное в Токийском заливе и связанное с интенсивным разложением планктона в летнее время, окрашиванием воды в черно-коричневые тона, резким снижением растворенного кислорода и гибелью рыб.

Экологически опасными могут быть биологические процессы, связанные с жизнедеятельностью водорослей, планктона, бактерий и других микроорганизмов. Кроме явлений типа «аосио» и эвтрофикации водных систем к таким процессам относится метилирование тяжелых металлов в анаэробных условиях. Метилртуть опасна даже в нанограммовых количествах. Исследования, проведенные в США, показали, что метилртуть присутствует во многих озерах и реках Северной Америки [19].

Между тем водоросли, планктон и микроорганизмы играют в водной среде континентов очень важную роль не столько в процессах ее загрязнения, а прежде всего в самоочищении. Известно, что разнообразные водные организмы представляют собой мощнейший на Земле бионасос, который отфильтровывает весь объем вод океана за 0,5—1 год. Нарушение этой естественной функции может дорого стоить для мировой цивилизации.

Большую озабоченность в этой связи вызывают угрожающие размеры загрязнения планетной биоколыбели – Мирового океана, являющегося великим транспортным путем, «жизненным пространством» для многих растительных и животных организмов, источником огромных ресурсов для человечества.

Аварии нефтеналивных танкеров, нефтепроводов, сбросы радионуклеидов, хлорорганических токсикантов (ДДТ), метилртути и др. могут быть существенным фактором резкого ухудшения экологической обстановки на морских побережьях и акваториях. В последние десятилетия отмечается постоянный рост сбросов. В морские и океанские экосистемы попадает в год более 10 млн. тонн нефти при ее транспортировке, морской добыче, во время катастроф на нефтедобывающей, перерабатывающей и транспортной инфраструктурах.

В последние годы возникла опасность загрязнения вод Мирового океана и морей радиоактивными отходами, пестицидами. Пестициды и другие вредные вещества, в первую очередь агрохимикаты, под влиянием течений распространяются довольно быстро. Они обнаруживаются в различных районах Балтийского, Северного, Ирландского морей, в Бискайском заливе, у западных побережий Англии, Исландии, Португалии, Испании. Это отрицательно сказывается на биоте океана и особенно на рыбных запасах. Прибрежные государства Северного моря ежегодно сбрасывают в него около 20000 т органических отходов. В настоящее время в Северном море известны 10 постоянных мест их «свалок».

В целом, в местах концентрации техногенных воздействий на акватории морей и океанов вследствие развития множества вредных процессов складывается очень напряженная экологическая ситуация. Отходы, попавшие в воды морей, частично оседают на дно, частично разрушаются, но при этом они губят большое количество живых организмов, особенно страдает планктон. В дополнение к этому его уничтожению способствуют и поверхностные загрязнители – различные поверхностно-активные вещества, масла, пленки нефтепродуктов и т. д.

Кардинальное экологическое обострение произошло в последней четверти XX столетия.

1. Общая масса загрязняющих веществ, поступающих в воды морей и океанов, увеличилась более чем вдвое. Данная глобальная проблема, является трудно разрешимой. Причины подобного положения объясняются отсутствием согласованной международной позиции и явным недостатком по этой причине выделяемых мировым сообществом средств.

2. Общая характерная черта антропогенных процессов загрязнения воды –формирование высоких концентраций многих токсичных веществ в локальных участках среды обитания человека. Изменения химического состава природных вод в ряде регионов уже настолько значительны, что эти воды приобрели резко аномальные геохимические и экологически опасные свойства (по хлоридам, нитратам и фторидам). По ряду загрязняющих веществ (прежде всего соединений азота и органических) некоторые гидрогеохимические системы уже вошли в состояние необратимости, возрастающей во времени [3,4].

3. Набор веществ, загрязняющих воду, очень широкий, а формы их нахождения разнообразны. Главные загрязнители, связанные с природными и антропогенными процессами загрязнения водной среды, во многом сходны. Отличие заключается в том, что в результате антропогенной деятельности в воду могут поступать значительные количества таких чрезвычайно опасных веществ, как пестициды, техногенные радионуклиды. Кроме того, искусственное происхождение имеют многие патогенные и болезнетворные вирусы, грибки, бактерии.

4. Длительные мониторинговые наблюдения химического состава поверхностных и подземных вод показали, что в последние десятилетия в них резко возросли концентрации соединений азота, углерода, в меньшей степени фосфора и тяжелых металлов.

Соединения азота обладают высокой растворимостью в воде, вследствие чего их концентрация в ней может беспрепятственно увеличиваться. Азот способен трансформировать свои миграционные формы в зависимости от окислительно-восстановительных, температурных и других условий, склады-вающихся в подземной гидросфере. При этом одни его хорошо растворимые формы переходят в другие, характеризующиеся не меньшей растворимостью и потому накапливающиеся в новой геохимической обстановке. Эта приспособляемость растворимых форм азота к различным геохимическим ситуациям определяет чрезвычайно широкий диапазон его водной миграции и способность концентрироваться в подземных водах в разных условиях. Буферное сопротивление подземных вод в отношении азота не проявляется. Темпы же их естественной микробиологической денитрификации (восстановления) значительно отстают от темпов привноса нитратов. В результате этого во многих регионах США, Западной Европы, Индии, Китая грунтовые воды, формирующиеся в верхних водоносных горизонтах, уже перестают быть гидрокарбонатными и превращаются в нитратно-гидрокарбонатные. В некоторых аридных областях вследствие испарительного концентрирования нитратных грунтовых вод формируются нитратные солончаки, и даже отложения натриевой селитры.

Для Российской Федерации проблема загрязнения поверхностных и подземных вод соединениями азота также актуальна, так как отмечаются не только высокие концентрации нитратов и нитритов, но и их рост во времени.

Сходная ситуация складывается с загрязнением подземных вод органическими веществами, нефтепродуктами. Это связано с тем, что подземная гидросфера не способна к окислению большой массы поступающей в нее органики. Следствием этого является появление многочисленных подземных линз мазута, керосина и бензина.

На сельскохозяйственных территориях с высокой агронагрузкой выявлено заметное увеличение в поверхностных водах соединений фосфора, что способствует усиленной эвтрофикации бессточных водоемов. Отмечаются также возрастание в поверхностных и грунтовых водах устойчивых пестицидов [12].

Оценка состояния водной среды по нормативному подходу осуществляется путем сравнения присутствующих в ней загрязняющих веществ с их ПДК и другими нормативными показателями, принятыми для объектов хозяйственно-питьевого, культурно-бытового водопользования [1,10,11].

Такие показатели начинают разрабатываться не только для выявления избыточного количества загрязняющих веществ, но и для установления дефицита в питьевой воде жизненноважных (эссенциальных) химических элементов. В частности, такой показатель в отношении селена имеется для стран ЕЭС.

Нормативный подход является начальным шагом оценки состояния воды, позволяющим быстро и с небольшими затратами определить приоритетные загрязнители и выработать практические рекомендации по снижению или прекращению негативных последствий загрязнения воды.

Однако он не учитывает проявлений синергизма и антагонизма при совместном воздействии загрязняющих веществ. Это особенно касается случаев, когда эти вещества присутствуют в концентрациях, приближающимся к значениям ПДК, и такая вода употребляется длительное время. Установлено, что долговременный эффект низких доз может иметь более пагубное влияние на популяцию водных организмов, чем острое, но кратковременное токсическое воздействие. Кроме того, каждый водоем уникален из-за больших различий в химическом составе, скорости перемешивания, температурного режима, вертикальной зональности водной массы и других характеристик. К существенным недостаткам нормативного подхода относится недостаточность экспериментальных наблюдений при установлении значений ПДК

Строгому соблюдению качества используемых водоисточников согласно нормативным показателям в настоящее время уделяется повышенное вни- мание во всех развитых странах. В США в 1974 году принят специальный закон о безопасности питьевой воды.

Надежные оценка и прогноз состояния водной системы являются очень сложной задачей ввиду того, что на эту систему воздействуют многочисленные и изменчивые во времени природные и антропогенные факторы, а в водной среде происходят сложные физико-химические и микробиологические процессы.

Для понимания таких процессов, необходимо учитывать донные отложения, которые принимают активное участие в химическом обмене «вода-осадок». Это особенно актуально в случае подтока в водную среду глубинных флюидных компонентов. О широком распространении и высокой интенсивности такого подтока свидетельствуют мощные и протяженные залежи газогидратов в донных осадках шельфов [18], накопление ртути и других тяжелых металлов в илах озер. Газогидратный слой обнаружен в донных отложениях озера Байкал.

Установлена важная роль в химических реакциях, происходящих в воде, соединений углерода, серы, азота и фосфора, окислительно-восстановительного потенциала, микроорганизмов. Например, биогенные процессы (биофильтрация) определяют поведение в озере Байкал и терригенных, и биогенных компонентов [2].

Наилучшим способом получения эмпирических данных о процессах в водной среде является гидрогеохимическое картирование с последующим обоснованием сети мониторинга. Информация, полученная в результате длительных режимных наблюдений, служит основой для прогноза состояния водной системы во времени [6].

В настоящее время для целей экологического прогнозирования широко применяется компьютерное моделирование гидрогеохимических процессов загрязнения поверхностных и подземных вод с использованием высококачественных программ [16]. Это позволяет вовлечь в сферу изучения огромные массивы данных и получить качественно новую информацию.

Более надежный экологический прогноз дает изучение в лабораторных условиях модельных экологических систем с участием живых организмов.

Перспективным направлением оценки и прогноза состояния водных систем является подход, заключающийся в выяснении их ответных реакций на поступление загрязняющих веществ в течение длительного времени. Искусственное постепенное подкисление небольшого озера в северо-западной экологически чистой части провинции Онтарио (Канада) в течение 8 лет показало, что трудно обнаруживаемые необратимые изменения в цепочке экологических взаимодействий внутри водоема происходили уже в самой начальной стадии негативного воздействия [20].

Этот подход считается наиболее прямым и эффективным методом прогноза изменения состояния всей водной экосистемы в ответ на химическое, физическое и биологическое воздействия. Именно он будет вносить основной вклад в создание научной базы, необходимой для регулирования поведения экосистем.

В последние годы в развитых странах для оценки и прогноза состояния окружающей среды и ее компонентов стала широко применяться концепция экологического риска. Основные принципы и критерии, лежащие в основе ее методологии, - идентификация риска, оценка воздействия загрязнения на население, биосферу и окружающую среду, оценка доза - ответ, управление риском и определение путей его уменьшения, выяснение условий приемлемости риска, разработка методов и способов контроля.

Оценка и прогноз состояния водных систем, загрязняющихся под воздействием природных или антропогенных процессов, заметно различаются. Управление такими природными процессами, как современная вулканическая и флюидная активность Земли, по существу невозможно. Поэтому усилия должны быть направлены главным образом на минимизацию негативных последствий.

Рациональное водопользование в Российской Федерации должно включать выработку стратегии водозащитных мер на всей территории, разработку и реализацию долгосрочной программы охраны питьевых вод от загрязнения и истощения с учетом региональных природных и социально-экономических особенностей. Министерство природных ресурсов РФ разработало проект Программы по рациональному использованию и охране водных ресурсов, исходя из концепции перехода страны к устойчивому развитию [7]. Под устойчивым развитием водного хозяйства понимается такое состояние водных объектов, гидротехнических сооружений и эксплуатационных мероприятий, при котором гарантируются надежное обеспечение населения и народного хозяйства Российской Федерации качественной водой в необходимом количестве и режиме, стабильное воспроизводство водных ресурсов, восстановление и охрана водных объектов, предупреждение и ликвидация последствий вредного воздействия вод, восстановление и сохранение устойчивости водных экосистем.

Угроза устойчивому развитию водного хозяйства в Российской Федерации определяется действием нескольких отрицательных факторов [7]. Во-первых, на европейскую часть России, где проживает большинство населения и сосредоточен основной промышленный, сельскохозяйственный потенциал, приходится менее 8% общего объема речного стока. Во-вторых, качество воды ухудшается и ежегодно увеличивается число водных объектов с высоким и очень высоким уровнем загрязнения. Около половины населения России использует питьевую воду, не соответствующую гигиеническим требованиям по различным показателям качества, а в ряде регионов (низовья Волги, Южный Урал, Кузбасс) загрязнение воды достигло уровня, опасного для здоровья. Положение усугубляется старением основных производственных фондов и низким технологическим уровнем водного хозяйства, нестабильностью финансового состояния предприятий-водопользователей, несовершенством хозяйственно-экономического механизма.

В качестве практических мер решения проблем рационального водопользования предлагается:

– учет всех источников загрязнений и уровня очистки сбросных вод;

– разработка методов моделирования последствий загрязнения поверхностных и подземных вод по всем направлениям их использования:

– экономическое стимулирование разработок и внедрений водооборотных схем с минимально возможной долей естественного водозабора;

– расширять практику эксплуатации мелких водозаборов, позволяющую снизить отрицательное воздействие водозабора на все элементы гидросферы и в целом на окружающую среду [5];

– реализация наиболее эффективных, экономичных и своевременных профилактических мероприятий, учитывающих сложные процессы в водных экосистемах.