Курсовая работа по дисциплине «Основы общей экологии»
Носкова Анна Евгеньевна 1 курс, гр. 05 ГЭБ
Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского
Керчь. 2006
Данная курсовая работа состоит из трех глав. В нее включены 6 таблиц и 4 рисунка. При написании курсовой работы были использованы 15 источников литературы.
В данной работе рассмотрены водные ресурсы земли, влияние воды на здоровье населения ее благоприятное и неблагоприятное воздействие, требования потребителей и пользователей к качеству воды, а также показатели качества воды. Изучена вода как вещество, ресурс и необходимое условие жизни. Выяснено влияние химических примесей в воде на ее состав, свойства и качество. А также предложены экологически рациональные пути использования водных объектов; в частности основные тенденции использования водных ресурсов, охрана вод и предотвращение ее пагубного воздействия.
ВООЗ, ДСан ПиН, водообеспечение, водопользователи, водопотребление, водоснабжение, Мировой Океан, питьевая вода, растворы, минерализация, сточные воды, удельное водопотребление, качество воды, истощение вод, загрязнение вод, внутриклеточная жидкость, внеклеточная жидкость, рациональное использование природных вод.
Введение
Нельзя сказать что ты необходима для жизни: ты сама жизнь…
Ты наибольшее богатство в мире…
Антуан де Сент-Экзюпери.
Вода – весьма распространенное на Земле вещество. Она обеспечивает жизнь всем организмам, и является единственным источником кислорода в главном жизненном процесса на Земле – фотосинтезе. Все живые существа на 80-90 % состоят из воды. Потеря 10-20 % Согласно современным представлениям само происхождение жизни связывается с морем. Во всяком организме вода представляет собой среду, в которой протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма; кроме того, она сама принимает участие в целом ряде биохимических реакций.
Ни одна сфера человеческой деятельности не обходится без использования воды, ведь она – это сама жизнь. Человек использует воду для питья, приготовления воды, и удовлетворения различных жизненных потребностей. Доля воды в теле человека близка к 60 %, но в отдельных органах и тканях она варьирует от 1 до 96 %.
Масса пресной воды на земном шаре составляет 31 млн. км3, основное количество которой (96%) сосредоточена в ледниках Гренландии, Антарктиды, горных массивов, в айсбергах и зоне вечной мерзлоты. Из всего количества пресной воды только около 1 % используется человечеством для удовлетворения своих потребностей.
Каждый житель Земли в среднем потребляет 650 м3 воды в год (1780 л в сутки). Однако для удовлетворения физиологических потребностей достаточно 2,5 л в день, т. е. около 1 м3 в год. Большое количество воды требуется сельскому хозяйству (69 %) главным образом для орошения; 23 % воды потребляет промышленность; 6 % расходуется в быту.
Цель данной курсовой работы – познакомиться с водой как уникальным веществом и ресурсом, а также влиянием ее на здоровье населения. Существенное внимание при этом уделяется причинам, экологическим следствиям и возможным путям решения экологических проблем.
Теперь возникает вопрос: почему же человеку так необходима качественная вода?
Когда-то люди довольствовались водой, которую они находили в реках, озерах, ручьях и колодцах. Но с развитием промышленности и ростом населения появилась необходимость гораздо тщательнее управлять водоснабжением, чтобы избежать вреда для здоровья человека и ущерба окружающей среды. Загрязнению подвержены все категории вод: океанические, континентальные, подземные, хотя и в разной степени.
Качество вод (это совокупность физических, химических, биологических и бактериологических показателей, которые удовлетворяют требования потребителей[15]), особенно пресных, стало одним из важнейших факторов здоровья населения. Всемирная организация охраны здоровья (ВООЗ) отмечает, что на планете от низкого качества воды ежегодно умирает около 5 млн. человек (в основном детей), а получают различной степени отравления или заболевания от 500 миллионов до 1 миллиарда человек, что 80% заболеваний на планете вызваны потреблением некачественной питьевой воды. Проблема чистой воды стоит перед многими странами.
Истощая или загрязняя воды, человек не только лишает себя данного ресурса, но и разрушает среды жизни многих организмов, нарушает свойственные им связи.
1. Вода и её свойства.
Физические свойства воды.
Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость, без запаха и вкуса. Однако в толстом слое водоёма она приобретает голубой цвет. После сильного охлаждения вода замерзает, превращаясь в лёд. Основные величины, которые характеризируют физико-химические свойства воды, приведены в таблице 1.1.[14]
Таблица 1.1 Физико-химические константы воды
| Показатель
| Значение |
|
Температура, °С
кипения
замерзания,
Критическая (ий)
температура, °С
давление, МПа
вязкость, г/см
Теплота
плавления за 0,101 МПа(1 атм.), Дж/г
сублимации льда за 0°С, Дж/г
Удельная
теплоёмкость льда за 0°С.Дж/(г · град)
теплопроводность, Дж/(см · с · град)
льда
жидкости при 0°
пара при 100°С
электропроводность, См/см (Ом · см)
льда при 0°С
жидкости при 0°С
жидкости при 50°С
Диэлектрическая проницаемость
жидкости при 20°С
пара при 145°С и 0,101 МПа (1 атм.)
Показатель заломления для линии Na при 20°С
и 0,101 МПа (760 мм рт. ст.)
Скорость распространения звука при 25°С, м/с
Термодинамические величины:
энтропия (S, газ, 101325 Па, 25 С), Дж/(моль К)
теплоёмкость при 25°С, Дж/(моль К)
Теплота электролитической диссоциации при 20°С,
кДж/моль
|
100
0
374,15
22,07(218,53 атм.)
0,325
332,43
2334,46
2,74
23,45 · 10-3
5,987 · 10-3
0,231 · 10-3
0,4 · 10 -8
1,47 · 10-8
18,9 · 10-8
81,0
1,007
1,33299
1496,3
188,846
76,07
-57,15
|
Плотность воды при переходе ее из твёрдого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. При нагревании воды от 0 до 4°С плотность её также увеличивается. При 4°C вода имеет максимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании её плотность уменьшается.
Если бы понижение температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались бы до 0°C и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям, итак продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 0°C.Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно и водоем промерзал бы на всю его глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы не возможны. Но так как наибольшей плотности вода достигает при 4°C, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.
Аномальными для воды являются так же такие фундаментальные физические качества, как температура кипения и замерзания. Вода- гидрид кислорода своим молекулярным составом подобна гидридам элементов главной подгруппы шестой группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева (H2S, H2Se, H2Te). Заряд ядра атома элемента, который их образует, определяет физические свойства веществ этого ряда.
Исходя из определенных закономерностей для ряда H2Te — H2S, следовало бы ожидать, что вода должна кипеть при температуре -70°C, а замерзать – при -90°C. На самом деле при обычных условиях вода замерзает при температуре 0°C и закипает при температуре 100°C, то есть кривые поднимаются резко вверх вместо того, что бы опускаться (рисунок 1.1)[7].
Почему же так происходит? Возможно, вода – уникальное исключение из правил. Причины этого явления пока еще до конца не установлены, хотя и предвидят, что это, очевидно, зависит от строения ее молекул и межмолекулярной структуры.
Молекула воды имеет угловое строение: входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине ядро атома кислорода. Угол при
(рис. 1.1)
вершине равен примерно 106°, а стороны треугольника имеют длину 0,96 Å (ангстрема), т. е. 10 -10 м; расстояние между ядрами водорода HH =1,5 Å. Треугольник HOH находится внутри сферы, по которой движутся электроны. Центр инерции сферы С не совпадает с центром атома кислорода O и находится от него на расстоянии 0,13 Å[2].
В твердой воде (лед) атом кислорода каждой молекулы участвует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды. Схема объемной структуры льда изображена на рисунке 1.2[4].
Образование водородных связей приводит к такому расположению молекул воды, при котором они соприкасаются друг с другом своими разноименными полюсами. Молекулы образуют слои, причем каждая из них связана с тремя молекулами, принадлежащими к тому же слою, и с одной из соседнего слоя. Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекулы H2O.
(рис. 1.2)
Итак, аномальность температур плавления льда и кипения воды связана с тем, что существование ее в условиях Земли в твердом и жидком состоянии также аномально. Нормальным было бы пребывание воды только в газообразном виде.
Ассоциированость воды обуславливает очень высокую теплоту ее парообразования. Например, для того чтобы выпарить 1 г воды, нагретой до 100ºC, требуется в шесть раз больше теплоты, чем для нагревания точно такого же количества воды от 0 до 80ºC. Благодаря этому вода является мощным энергоносителем на нашей планете. Способность воды накоплять большие запасы тепловой энергии дает возможность нивелировать резкие температурные колебания на земной поверхности в разные времена года и суток, т. е. Вода является регулятором температуры воздуха.
Среди физических свойств воды следует отметить ее высокое поверхностное натяжение – 72,7 ·10-7 Дж/см2 (при 20ºC). В этом отношении среди всех жидкостей вода уступает только ртути. Эта особенность воды проявляется в постоянном стремлении ее стягивать свою поверхность, несмотря на способность свободно размещать свой объем по форме занимаемого объекта. Высокое поверхностное натяжение воды приводит к тому, что она во время свободного падения или в состоянии невесомости приобретает форму шара, т. е. Геометрической формы с наименьшей поверхностью для этого объема.
Особенно наглядно выявляется поверхностное натяжение в смачивании – «прилипании» воды ко многим поверхностям. Установлено, что все вещества, например песок, стекло, глина, бумага, ткани и др., которые легко смачиваются водой, обязательно имеют в своем составе молекулы с атомами кислорода. Эта особенность воды дала возможность пояснить природу процесса смачивания: энергетически неуравновешенные молекулы поверхностного слоя воды получают способность образовывать дополнительные водородные связи с атомами кислорода указанных выше веществ.
Смачивание и поверхностное натяжение являются основой явления капиллярности. Последнее заключается в том, в узких каналах (капиллярах) вода может подниматься на высоту значительно большую, нежели та, которая допускается силой гравитации для столбика этого пересечения.
Итак, модифицируя структуру воды, можно достичь желаемых ее качеств. Это дает возможность эффективно использовать воду во многих сферах техники и хозяйственной деятельности.
После добавления в воду небольших количеств (части процента) полимерных соединений с большой полимерной массой, например полиакриламида, получают «скользкую» воду. Стеклянный шарик, погруженный в такую воду, падает в 2 – 2,5 раза быстрее, нежели в обычной, и быстро двигается в трубопроводах. Образование ассоциатов молекул воды с макромолекулами полимерных добавок способствует разрушению гидратных оболочек вокруг взвесей и ускоряет выпадение их в осадок.
Добавление небольших доз кремнесодержащих веществ придает воде резиноподобного вида. В этом случае вода из наклоненного сосуда не выливается, а вытягивается в виде эластичного жгута. При введении в воду небольших доз (сотые миллиграмма) металлов, например серебра, вода приобретает высокие бактерицидные и лекарственные качества и является прекрасным консервантом. «Серебряная вода» сохраняется в течении долгого времени, не утрачивая своих качеств питьевой воды.
Химические свойства воды.
Взаимодействие водорода с кислородом в газообразном виде при отсутствие катализатора медленно происходит только при 3000ºC по схеме[4]:
2H2 + O2 = 2H2O.
При повышении температуры скорость реакции возрастает и при 550ºC она происходит со взрывом. При наявности катализатора, например платины, ход реакции ускоряется.
Молекулы воды отличаются большой устойчивостью к нагреванию. Однако при температурах выше 1000ºC водяной пар начинает разлагаться на водород и кислород[4]:
2H2O ↔ 2H2 + O2.
Термическая диссоциация воды протекает с поглощением теплоты. Поэтому, согласно принципу Ле Шателье, чем выше температура, тем в большей степени разлагается вода. Однако даже при 2000ºC степень термической диссоциации не превышает 2%, т.е. равновесие между газообразной водой и продуктами ее диссоциации – водородом и кислородом — все еще остается сдвинутым в сторону воды. При охлаждении же ниже 1000ºC равновесие практически полностью сдвигается в этом направлении.
Кроме термической диссоциации вода способна также к электролитической, фитохимической и радиолитической диссоциации.
Электролитическая диссоциация воды в жидком виде происходит по схеме[4]:
H2O = H+ + OH¯
Вода – весьма реакционноспособное вещество. Оксиды многих металлов и неметаллов соединяются с водой, образуя основания и кислоты; некоторые соли образуют с водой кристаллогидраты; наиболее активные металлы взаимодействуют с водой с выделением водорода.
С инертными газами вода образует гидраты, которые стойки при очень низких температурах. Вода окисляет кислородом в атомарном виде по схеме:
H2O + O2 = H2O2.
При обычных температурах вода реагирует с фтором с выделением атомарного кислорода[4]:
H2O + F2 = 2HF + O.
Кроме того, могут образовываться O2, O3, H2O2, F2O, которые являются продуктами взаимодействия атомов кислорода друг с другом и с F2, H2O.
Во время растворения в воде хлора происходит реакция гидролиза хлора по схеме[4]:
H2O + Cl2 = HCl + HOCl.
Вода обладает также каталитической способностью. В отсутствие следов влаги практически не протекают некоторые обычные реакции; например, хлор не взаимодействует с металлами, фтороводород не разъедает стекло, натрий не окисляется в атмосфере воздуха.
Вода способна соединятся с рядом веществ, находящихся при обычных условиях в газообразном состоянии, образуя при этом так называемые гидраты газов. Примерами могут служить соединения Xe · 6H2O, Cl2 · 8H2O, C2H6 · 6H2O, C3H8 · 17H2O, которые выпадают в виде кристаллов при температурах от 0 до 24ºC (обычно при повышенном давлении соответствующего газа). Подобные соединения возникают в результате заполнения молекулами газа («гостя») межмолекулярных полостей, имеющихся в структуре воды («хозяина»); они называются соединениями включения или клатратами[4].
Клатраты используют для разделения углеводородов и природных газов. В последнее время образование и разрушение клатратов газов (пропана и некоторых других) успешно применяется для обессоливания воды. Высокая экономичность и сравнительно мягкие условия осуществления этого процесса делают его перспективным в качестве промышленного метода опреснения воды.
Воде присущи слабые окислительные качества за счет атомов водорода с высшей степенью окисления ионов H+. При высоких температурах и наличии катализаторов вода окисляет метан, оксид углерода (ІІ) , углерод, железо, фосфор, при обычных условиях — щелочные и щелочноземельные и их гидриды[4]:
CO + H2O = CO2 + H2 ↑ (катализатор Fe);
3Fe + H2O=Fe3O4 + 4H2↑;
CH4 + H2O = CO + 3H2↑ (1200 – 1400 °C без катализатора и при катализаторе – Ni или Co при 700 – 800 °C);
CaH2 + 2H2O = Ca (OH) 2 + 2H2↑;
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑;
Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2↑.
При растворении в воде кислотных и щелочных оксидов образуются соответственно кислоты и щелочи, а при растворении солей, кислот, оснований происходит их гидратация, т. е. присоединение молекул воды к молекулам растворенного вещества.
Природные воды почти никогда не бывают химически чистыми, так как содержат различные вещества в растворенном и взвешенном состоянии. В процессе взаимодействия гидросферы с атмосферой, литосферой и биосферой вода оказывает влияние на различные вещества, образуя истинные и коллоидные растворы. Истинные растворы – это такие, в которых растворенные вещества находятся в виде молекул и ионов с размерами частиц, не превышающими 10-7 мм. Коллоидные же растворы включают в себя не отдельные молекулы, а группы молекул и ионов с размерами растворенных частиц от 10-1 до 10-5 мм. Коллоидные растворы более устойчивы, но в природных водах они встречаются в незначительных количествах[6].
Природные воды различаются между собой по химическому составу, концентрации, соотношению в форме соединений между химическими элементами, находящимися в растворе.
1.3 Биологические свойства воды.
Вода принимает участие в биологическом круговороте веществ, в процессе которого несколько изменяется. Она является одной из важнейших составных живых организмов. Вода входит в состав различных тканей и органов. Так, 22 — 34 % ее содержится в костях, до 70 – 80 % — в жировой ткани и до 82 – 94 % — в нервных волокнах.
В теле грудного ребенка воды содержится – до 65 % . По мере роста и накопления жировых отложений содержание воды в организме уменьшается, достигая примерно 60 % (40 – 42 литра) у среднего взрослого мужчины и 50% — у женщины[12].
Автотрофы – зеленые растения – трансформируют неорганические соединения, в частности воду, оксид углерода (ΙV) и минеральные соли в органические вещества тела клетки, молекулярная структура которой неимоверно велика. Основой этого процесса является реакция фотосинтеза, в результате которой из углекислого газа и воды при участии хлорофилла и солнечной энергии появляются органические вещества, входящие в состав клеток и выделяется кислород:
hν
6CO2 + 6H2O + 2,72 кДж―—–→ C6H12O6 + 6O2↑.
Хлорофилл
Гетеротрофные организмы не способны синтезировать все вещества, которые необходимы для их существования. Они используют питательные вещества, которые входят в состав организмов авто- и гетеротрофов. При этом вещества экзометрически расщепляются и окисляются на более простые. Все процессы происходят при непосредственном участии живого вещества.
Ряд автотрофных организмов – продуцентов неспособны использовать солнечную энергию, поскольку не имеют соответствующих пигментов. Они получают энергию, необходимую для их существования, в результате окисления минеральных соединений.
Катаболизм, или процесс внутриклеточного разрушения питательных веществ, включает образование воды или участие ее молекул в окислении органических веществ и протекании восстановительных реакций. Последние обеспечивают использование химической энергии, которая содержится во всех питательных веществах. Движущая сила разрушения (анаэробного или аэробного) органического вещества обеспечивается действием ферментов (энзимов). Важнейшие особенности последних обусловлены их структурой. В зависимости от условий, в которых происходит процесс биологического окисления, получаются различные конечные продукты расщепления. Например, окисление глюкозы при аэробных условиях происходит по уравнению[14]:
C6H12O 6 + 6CO2 = 6CO2 + 6H2+2,72 кДж / моль,
В анаэробных –
C6H12O6 = 3CO2 + 3CH4 + 144 кДж /моль.
Выход энергии при анаэробных условиях составляет всего 5,3 % количества энергии, которая высвобождается в аэробных условиях. Исходя из этого, в аэробных условиях процесс получения жизненной энергии более экономичен, нежели в аэробных. Поэтому клеточное деление при аэробных условиях продуктивней, и, и как следствие этого, процессы разрушения органических веществ до конечного состояния происходят интенсивнее.
Итак, в природе вода совершает беспрерывный биологический круговорот при участии зеленых растений, консументов и при помощи микроорганизмов-редуцентов, которые трансформируют органические вещества в неорганические (воду, метан, углекислый газ, аммиак, водород и др.), и вода снова возвращается к зеленым растениям-продуцентам. Микроорганизмы имеют большое значение для поддержания биологической активности и осуществления круговорота веществ, в данном случае воды, в природе.
1.4 Водные растворы и взвеси.
Поскольку вода является хорошим полярным растворителем, все природные воды – это растворы различных неорганических и органических соединений. В воде растворяются газы, жидкости и твердые вещества, с которыми она контактирует. Поэтому такие растворы являются гомогенными системами, свойства которых определяются как природой и структурным строением самого растворителя (воды), так и свойствами растворенных веществ. При этом образуется не инертная смесь нескольких соединений, происходит их взаимодействие, сопровождаемое взаимным влиянием растворителя на растворенные структуры и наоборот.
Органические вещества обычно пребывают в воде в молекулярно-растворенном состоянии. Для воды, которая имеет ажурную льдоподобную структуру, возможны два типа растворимости – замещение и проникновение. По первому типу растворимости молекулы растворенного вещества имеют размеры, близкие к размеру молекул воды, аналогичное силовое поле и замещают их в структурных образованиях, а по второму – молекулы растворенного вещества проникают в пустоты, образованные элементами структуры воды, если размеры молекул отвечают размерам пустот и они неполярны. Возможно также размещение в нескольких пустотах без существенного изменения углов связей между молекулами воды, если размеры молекулы растворенного вещества не отвечают одной из пустот. Для веществ, которые имеют полярные (OH¯, NH2¯) и неполярные (CH3¯ ,C2H2¯) группы, первые могут замещать молекулы воды в структурном каркасе, а другие обычно размещаются в пустотах. Известно, что вещества, которые содержат углеводородные группы, при так называемой гидрофобной гидратации содействуют образованию додекаэдрических, тетрокаэдрических и гексаэдрических структур из молекул воды.
В природных водах как примеси преимущественно содержатся взвеси минеральных веществ. Вода взаимодействует с ними по-разному. Часто она химически связана с породами, которые попадают в нее во время размывания берегов или в результате поверхностного покрова. Вода также способна образовывать адсорбционные стабилизованные слои на поверхности частичек. Считают, что физические качества связной воды, которая пребывает под действием активных центров частичек породы, отличаются от качеств воды в объеме.
Растворы организма: Существуют два основных типа жидкостей организма – внутриклеточные и внеклеточные. Внеклеточные жидкости состоят большей частью из плазмы крови (ок. 3 литров) и тканевой жидкости (ок. 12 литров). Внутриклеточная жидкость является главным ингредиентом клеток, и у среднего взрослого человека ее объем составляет примерно 25 литров.
Таблица 1.2. Содержание жидкостей в организме человека[12].
| Жидкость
| Распределение
| Количество |
|
Вода
Внутриклеточная
Внеклеточная
|
По всему организму
Внутри клеток
Плазма крови
Лимфа
Тканевая жидкость
(промежутки между тканями)
Спинномозговая жидкость
Глаза и уши
Костная жидкость
Соединительная жидкость
|
55% от общего количества
7,5 %
20 %
2,5 %
7,5 %
7,5 %
|
Человеческое тело состоит из множества клеток, разделенных микроскопическими промежутками, по которым циркулирует тканевая жидкость. В нашем организме происходит непрерывный водный обмен с участием крови, межклеточных и тканевых жидкостей.
Кровь (состоящая из воды на 60 %) доставляет в растворенном виде необходимые клеткам (содержащим 80 % воды) питательные вещества. В процессе жизнедеятельности клетки вырабатывают углекислый газ, который необходимо удалять вместе с другими отходами. Вся эта работа выполняется при участии тканевой жидкости. Отходы сквозь стенки клеток попадают в тканевую жидкость, а оттуда сквозь стенки капилляров – в кровь. Одновременно из крови тем же путем поступает в клетки питание в виде кислорода и прочих химических веществ. И, наконец, отработавшая свой срок тканевая жидкость тоже вливается в кровоток.
Почти вся жидкость поступает непосредственно в кровь, но определенная ее часть возвращается в кровоток из лимфатической системы (рисунок 1.3), ведущей борьбу с болезнетворными микробами и содержащей молекулы – например, белковые, — которые слишком велики, чтобы проникнуть в кровь сквозь стенки капилляров
рис. 1.3)
От многих продуктов жизнедеятельности клеток необходимо избавиться, и кровь несет их в почки, где проходит фильтрацию и очистку, а вредные вещества отделяются и растворяются в моче, состоящей главным образом из воды. Моча накапливается в мочевом пузыре и периодически выводится из организма.
Часть влаги непрерывно испаряется с потом при каждом выдохе. Небольшое ее количество присутствует и в кале (твердых экскрементах). В обычных условиях взрослый человек теряет за сутки 1,5 л воды.
Для нормального функционирования организму необходимо, чтобы содержание воды в нем оставалось более или менее постоянным, поэтому, непрерывно теряя воду, необходимо непрерывно восполнять ее запасы. Некоторое количество воды содержится в пище, но главная ее часть поступает с питьем. При обычной комфортной температуре и нормальном питании человек должен выпивать за день как минимум две трети литра воды. В жару, при тяжелых физических нагрузках или во время болезни организм теряет с потом гораздо больше жидкости, и, соответственно, возрастает потребность в питье. Таким образом, вода гораздо важнее для жизни, чем пища. Так как без ежедневного питья организм не сможет нормально функционировать. Если человек без особого вреда для себя может обходиться достаточно долго без еды, то без воды мы способны прожить гораздо меньше.
Потребление жидкости (в виде воды, фруктовых соков, чая или других напитков) отчасти зависит от привычки, и человек нередко пьет, фактически не нуждаясь в пополнении запасов воды. Если воды поступает в организм сверх надобности, то ее избыток выводиться вместе с мочой. И, напротив, при нехватке воды концентрация мочи повышается, чтобы организм не терял драгоценную воду.
Если организму требуется больше воды, чем ее потребляется, возникает чувство жажды. Им управляет гипоталамус – участок головного мозга, выполняющий ряд различных функций, в том числе регулирующий чувство жажды и голода. Нервные клетки гипоталамуса контролируют кровоток, а также уровень концентрации солей и прочих веществ в крови. Если общий объем крови уменьшается, указывая на то, что организм нуждается в воде, нервные клетки стимулируют выработку гормона. Вызывающего сухость в горле, и тогда возникает чувство жажды.
То же гипоталамус регулирует интенсивность работы почек и, Следовательно, объем жидкости, которая выводиться из организма с мочой. В управлении чувством жажды гипоталамус действует совместно с нервными окончаниями полости рта и горла. Они, в свою очередь, соединены со стволом головного мозга и, получив от него сигнал, что выпито достаточно жидкости, гасят чувство жажды еще до того, как вода отправится циркулировать по организму.
Помимо доставки питания к клеткам, удаления отходов и борьбы с болезнями, внеклеточные жидкости выполняют еще ряд важнейших функций. Одна из них заключается в переносе и распределении по тканям растворенных солей и других химических веществ, например, вырабатываемых организмом гормонов и ферментов (энзимов). С помощью солей приводиться в действие мышцы и нервные клетки, а гормоны и ферменты регулируют и контролируют многие функции организма.
Некоторые жидкости выполняют и роль защитной подушки. К примеру, головной мозг как бы плавает в спинномозговой жидкости. Которая не только снабжает его питательными веществами, но и действует как амортизатор, смягчая удары. Брюшина, окружающая и оберегающая внутренние органы брюшной полости (желудок, печень, селезенку и кишечник) тоже содержит некоторое количество жидкости, которая, как хорошая смазка, смягчает взаимное трение между органами. Точно также действует жидкость, заполняющая околосердечную сумку и плевру вокруг легких.
Растворенные соли необходимы не только для четкой работы мышц и нервов, но и для поддержания нормального жидкостного обмена между кровью, тканевой жидкостью и клетками.
Пронизанные кровеносными капиллярами клеточные оболочки полупроницаемы. Это значит, что для жидкостей и мельчайших молекул путь свободен, а для более крупных молекул и растворенных в жидкостях твердых веществ – нет. Процесс проникновения жидкости и мелких молекул сквозь эти полупроницаемые барьеры называется осмосом, а поддерживаемый с его помощью баланс – осмотическим давлением. Весь обмен питательных веществ и продуктов жизнедеятельности, т. е. Сама основа равновесного состояния живого организма, обеспечивается с помощью этого давления.
Оптимальный баланс содержания солей в крови и тканях имеет огромное значение для организма человека. Благодаря этому поддерживается необходимое осмотическое давление и не допускается всасывание избыточной жидкости из крови в клетки. Когда во время болезни или в жару человек сильно потеет, его кровь теряет соли, и если эту потерю быстро не восполнить с пищей, то концентрация солей в тканях становится выше, чем в крови.
Как результат, осмотическое давление в клетках повышается, и вода из крови переходит в тканевые жидкости и клетки. И вот клетки уже заполнены до краев, а организм тем временем испытывает острый дефицит внеклеточной жидкости. При значительном обезвоживании плазмы крови у больного может случиться шок, который нередко становиться следствием перегрева или сильной кровопотери.
Концентрация солей в жидкостях организма контролируется почками под воздействием антидиуретического гормона АДГ. Этот гормон вырабатывается гипофизом по команде гипоталамуса, управляющего чувством жажды.
Когда в ткани или клетки просачивается слишком большое количество воды при недостаточном обратном оттоке, происходит скопление жидкости. В медицине это состояние называют отеком, или водянкой.
Чаще всего отекают руки и ноги, но от водянки не застрахованы и другие органы. Одной из форм лечения отека является прием диуретических средств, которые побуждают почки выводить из организма соль, а вместе с ней и избыток воды. Отек возникает в результате различных заболеваний, но может быть и следствием хронического недоедания, когда нехватка белка в крови приводит к перенасыщению тканевой жидкости избыточной водой, и тело в результате опухает. От этого отека избавляет богатая белками диета.
2. ВОДА КАК РЕСУРС И УСЛОВИЕ ЖИЗНИ.
2.1 Водные ресурсы земли.
Вода – самое распространенное вещество в природе. Она находится в свободном состоянии (океаны, моря, озера, реки, ледники), содержится в минералах, горных породах, почве и входит в состав живых организмов (50 – 90 % их массы, а в теле медузы и огурца – около 98 %). Планета Земля содержит около 16 млрд км3 воды, что составляет 0,25 % ее массы. Основная часть воды находится в глубинных зонах (мантии) Земли. По месту размещения воду разделяют на атмосферную, поверхностную и подземную[15].
Все водные источники (океаны, моря, реки, озера, водоемы, ледники, болота, атмосферные и подземные воды) входят в состав Мирового океана и образуют гидросферу планеты Земля. Большая часть поверхности планеты (около 71 %) покрыта водами Мирового океана. Общий объем воды в нем составляет 1 370 323 тыс. км3 – около 94 % всей воды планеты. Верхняя граница гидросферы проходит на высоте нижних слоев стратосферы до высоты озонового экрана (приблизительно на высоте 20 км). Вода в атмосфере находиться в парообразном состоянии и перемещается. Нижняя граница гидросферы проходит в литосфере на глубине 3 – 3,5 км от поверхности земли.
Кроме вод Мирового океана наибольшее количество воды находится в литосфере – подземные воды гидросферы (грунтовые, подгрунтовые, межпластовые безнапорные и напорные воды, воды трещин карстовых пустот). Подземные воды составляют 60 млн км3 , или 4,12 % общего объема, и находятся на различных глубинах (до нескольких сотен метров). Однако в зоне активного водообмена их содержится меньше чем 4 млн км3. В ледниках находится 24 млн км3 воды, в озерах и водохранилищах – 280 тыс. км3, в почвах – 85 тыс. км3, в атмосфере – 14 тыс. км3. Вода, находящаяся в руслах рек, составляет только 1,2 тыс. км3 (таблица 2.1)[14].
Таблица 2.1 Распределение массы воды гидросферы.
| Составляющая гидросферы
| Масса воды, 1015 т
| Часть суммарной массы, % |
|
Мировой океан
Подземные и грунтовые воды
Снеголедниковые образования
Озера, пруды
Почвенная влага
Болта
Атмосферная влага
Реки, ручьи
Всего
|
13338 (1386)
100 (4 — 200)
26 (24 — 30)
0,28 (0,18 – 0,17)
0,1 (0,06 – 0,1)
0,1 (0,01 – 0,1)
0,0014
0,012 (0,002)
1464,4826
|
91,363
6,828
1,776
0,019
0,0068
0,068
0,0000955
0,0000820
100
|
К поверхностным водам принадлежат воды океанов, морей, озер, рек, болот, ручьев и штучных озер. Океаны, моря и некоторые озера – соленые. В реках, большинства озер, прудах, штучных водохранилищах, болотах и ручьях вода пресная. Последнюю, как правило, используют для хозяйственного водообеспечения. Итак, на Земле большинство вод (почти 1.5 млрд км3) содержит значительное количество растворенных солей. К ним принадлежат воды океанов, морей, некоторых озер и большинства подземных вод вне зоны активного водообмена.
Пресная вода составляет незначительную часть гидросферы (менее 4 %). Основная масса пресной воды (до 77 %) находится в снего-ледниковом покрове[5]. Распределение воды в гидросфере достаточно неравномерно, про это свидетельствуют данные таблицы 2.1.
Наибольшие запасы пресной воды сосредоточены в снего-ледниковых покровах Антарктиды, Гренландии и Арктики. Вода в ледниках пребывает в твердом состоянии и характеризуется наименьшим содержанием солей среди известных водных источников в природе. Максимальная минерализация ледниковой воды составляет 3мг/л. Человечество, рассматривая водный баланс будущего, с надеждой смотрит на эту огромную «кладовую» пресной воды, где сосредоточено до 77 % всех запасов пресной воды нашей планеты. Уже существуют проекты буксирования айсбергов из ледников Антарктиды в Австралию, Южную Америку и другие регионы. По стоимости вода из ледников не будет превышать стоимости подземных или пресных вод.
В недрах Земли вода может существовать в жидком состоянии до глубины 5 км от поверхности, а отдельных случаях и до глубины 10 км. На большей глубине при высокой температуре вода превращается в пароводяную смесь. В критических условиях при температуре 374ºC для пресной воды и 425ºC для соленых насыщенных растворов и давлении 21,8 МПа она образует своеобразную водяную плазму, то есть исчезает отличия между паром и жидкой водой[1]. При этих условиях молекулы жидкой воды приобретают скорости молекул газа, а ее плотность приближается к плотности жидкой воды.
Подземная вода может пребывать в свободном, парообразном и физически связном состоянии. К физически связной воде обычно принадлежит крепко связная гигроскопическая вода, которая удерживается молекулярными силами на поверхности частичек породы. На больших глубинах при высоком давлении, которое достигает сотен мегапаскалей, вода выдавливается из породы и переходит в свободное состояние. К физически связной воды принадлежит также капиллярная вода, которая под действием капиллярных сил перемещается в тонких порах и трещинах.
В мировых запасах пресной воды часть подземных и грунтовых вод составляет около 22,4 %[5].
Подземные воды заполняют поры, трещины и пустоты, тесно контактируют с почвой и породами земной коры. Для них характерно слоевое размещение водоносных горизонтов (рисунок 2.1), которые отделены водонепроницаемыми пластами пород, слабая связь с атмосферой, незначительное развитие биологических процессов, бедность форм жизни, повышенные температура и давление. Все это содействует меньшему загрязнению вод нечистотами и микроорганизмами, благодаря чему они по качеству приближены к питьевым водам. Находясь на значительных и различных глубинах, они характеризуются стабильным химическим составом, содержат больше полезных для здоровья человека веществ (соединений Кальция, Йода и др.). однако и подземные воды могут загрязняться, если фильтровального слоя пород недостаточно.
Рис. 2.1. Схема залегания
подземных вод[14]:
1 – верховодка; 2 – межпластовые безнапорные воды;
3 – грунтовые воды; 4 – межпластовые напорные воды
По глубине залегания подземные воды разделяют на три зоны. Верхняя зона, глубина которой в большинстве случаев составляет 2 – 6 м (см. рисунок 2.1), но может достигать 20 – 60 и даже 300 м, имеет активный водообмен, и подвергается действию фильтрационных атмосферных осадков и в некоторой мере атмосферного воздуха.
С хозяйственно-питьевой целью используют преимущественно воду верхней зоны. Качество воды зависит от типов почв и пород, размещенных ниже. Почвы торфяно-тундровой зоны обогащают воду органическими соединениями растительного происхождения. Это относиться также и к болотным водам. Черноземы, каштановые и солончаковые почвы обуславливают появление в воде преимущественно минеральных веществ. С увеличением глубины залегания воды уменьшается число микроорганизмов и на глубине6 м и более оно равняется нулю. Слой почвы толщиной 3,5 – 4 м на полях фильтрации задерживает до 90 % микроорганизмов.
Хозяйственная деятельность человека содействует загрязнению подземных вод. На химический состав этих вод наиболее влияет интенсивное развитие промышленных городов и химизация сельского хозяйства, которое сопровождается появлением значительного количества сточных вод и газовых выбросов. При этом в атмосферу, почвы и поверхностные воды попадают различные органические и неорганические вещества. Биологическое загрязнение подземных вод обуславливают различные микроорганизмы (бактерии, вирусы и др.). Наименее безопасным является загрязнение воды болезнетворными микроорганизмами, которые могут поступать в грунтовые воды с полей фильтрации, скотных дворов, выгребных ям и т. д.
В подземных водах растворяется большое количество газов – кислорода, азота, оксида углерода (VI), метана, сероводорода, водорода (до 1000 – 1500 см3/л). Общая масса в растворенных подземных водах газов превышает их содержание в Мировом океане (до 20 см3/л) и приближается к уровню всей атмосферы Земли.
Все другие составные гидросферы, кроме вод Мирового океана, подземных и снего-лендниковых образований, являются, малыми составными гидросферы составляют незначительную часть мировых запасов пресной воды. Наибольшее количество пресной воды содержится в прудах и озерах (около 0,28∙1015 т), которых на Земле насчитываются миллионы. Некоторые из озер имеют очень большие размеры и достаточно глубоки. Больше всего пресной воды содержится в озере Байкал в России, которое имеет глубину 1620 м.
Озера различаются как по составу, так и по концентрации растворенных в их водах веществ. По своему составу они приближаются к подземным водам. В засушливых и пустынных зонах Земли преобладают соленые и солоноватые озера. Например, в озере Виктория содержание солей в 11 раз больше, нежели в океанических водах.
Болота являются промежуточным звеном биосферы между озерами и подземными водами. Значительное их количество находится в умеренных и высотных широтах. В них нагромождается болотный торф, в состав которого входит углерод. К болотам принадлежат переувлажненные почвы, которые в большинстве своём распространены в тропических районах. В них торф не нагромождается, поскольку органические вещества разлагаются полностью. Общая площадь болот и переувлажненных почв составляет около 3 млн. км2[5]. В прибрежных морских районах вода в болотах бывает соленой или солоноватой.
Грунтовые воды по интенсивности обмена с поверхностными водами и атмосферой подобны поверхностным водам, по действию капиллярных сил – к подземным водам, а по содержанию различных веществ (газов, органических соединений и организмов) – это среда, в которой интенсивно протекает биогеохимические процессы. Последние обеспечивают плодородность почв. Массу пресной озерной и болотной воды оценивают в 0,35 % от общей пресной воды на Земле.
Речки и ручьи – источники пресной воды, которая обновляется наиболее быстро в сравнении с другими составными биосферы. Имея небольшую мгновенную массу (около 1,2∙1012 т), они втечение года доставляют воды в 37-38 раз больше (около 4,5∙1013 т), нежели сами водоемы. Средняя минерализация этих вод ~ 90 мг/л. Соленые реки встречаются очень редко. Это в большинстве своём реки, которые питаются солеными подземными водами или имеют в своих руслах залежи солей. Химический состав речных вод определяется преимущественно особенностями почв, растительности, климата территорий, по которым они текут, и характеризуется средними показателями (таблица 2.2)
Таблица 2.2. Средний химический состав речных вод, мг/л[14].
|
HCO3¯
CO32-
|
Cl¯
| SO42-
| Na+, K+
| Ca2+
| Mg2+
| Сумма |
| 47,6
| 6,4
| 11,9
| 6,1
| 13,3
| 3,3
| 88,6 |
Общая масса воды в живых организмах составляет около 1,12∙1012 т.
Вода в биосфере пребывает в непрерывном движении, принимает участие в геологическом и биологическом круговоротах веществ. Круговорот воды в природе – это непрерывный процесс движения и обмена водой между составными гидросферы под влиянием тепла и гравитационных сил. Под действием тепловой радиации солнца вода испаряется с поверхности океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, прудов и суши и поступает в атмосферу. В атмосфере водяной пар конденсируется с образованием облаков. Кроме того, водяной пар охлаждается, конденсируется и под действием гравитационных сил выпадает в виде осадков – дождя, снега, града. Итак, вода переходит из одного агрегатного состояния (газового) в другое (жидкое или твердое) и перераспределяется по поверхности Земли, способствует движению поверхностных и подземных вод и даже течениям в океанах и морях.
В круговороте принимают участие все воды гидросферы, которые тесно связаны между собой. Однако, скорость перемещения отдельных видов воды (океанической, атмосферной, ледниковой, грунтовой, озерной, биологической) неодинакова. Поэтому продолжительность их обновления очень отличается и колеблется в широких границах (таблица 2.3) – от нескольких часов для биологической воды до десятков тысячелетий для подземных вод.
Таблица 2.3. Продолжительность периодов обновления запасов воды на Земле[9].
| Вид воды в биосфере
| Продолжительность периода обновления воды |
|
Мировой океан
Полярные ледники и постоянный снежный покров
Подземный лед в зоне многолетней мерзлоты
Ледники горных районов
Подземные воды
Грунтовая влага
Запасы воды в озерах
Вода
болот
русел рек
Атмосферная влага
Биологическая вода
|
2 500 лет
9 700 лет
10 000 лет
1 600 лет
1 400 лет
1 год
17 лет
5 лет
16 суток
8 суток
несколько часов
|
Исходя из данных таблицы 2.3, следует, что наиболее быстро обновляются биологические воды. Вследствие транспирации растений в атмосферу поступает большая часть грунтовой влаги. Атмосферная влага образуется за счет испарения с поверхностей водоемов, обновляясь, в среднем, каждые 8 суток.
Запасы воды в руслах рек, в среднем, полностью обновляются втечение 16 суток, и для отдельных континентов длительность периода обновления колеблется в пределах 9-16 суток. Из пресных вод наиболее медленный обмен характерен для ледников горных районов и полярных материков. Обновление запасов воды в горных ледниках происходит за счет осадков, а расходование – в результате таяния и испарения. Наибольшее количество пресной воды сосредоточено в ледяной оболочке Антарктиды. Расходование аккумулированной во льде воды происходит достаточно медленно через испарения и сползание льда в океан.
Грунтовая влага, которая имеет приблизительно годовой цикл наслоения, затрачивается преимущественно на испарение и транспирацию и частично на стекание в русла рек.
Обновление вод озер колеблется в широких границах: от 1 года для малых озер засушливых районов до нескольких сотен лет для наибольших озер. Так, обновление водных запасов Байкала происходит втечение 380 лет. Свободные воды земной коры до глубин 2000 м обновляются втечение 1400 лет. Подземные воды расходуются как в результате дренирования их реками, так и вследствие непосредственного попадания их в океан. Активность водообмена подземных вод зависит от глубины залегания и уменьшается с увеличением расстояния от земной поверхности. Наиболее быстро обновляются воды верхних горизонтов, залегающие на глубине не более 200 м от поверхности. Очень медленно обновляются солоноватые воды в глубоких горизонтах, которые превращаются в соленые воды и рассол, которые часто имеют застойный характер.
Количество влаги, поступающей из океанов на сушу, различно для отдельных районов мира. Общая величина речных осадков составляет почти 119 тыс. км3. Если бы все осадки равномерно распределились по всей площади суши, то толщина их слоя составляла бы 6 800 мм. Наименьшее количество осадков выпадает в Антарктиде и Австралии, где их среднегодовые величины соответственно равняются 178 и 456 мм. Суммарное количество осадков тут составляет 5,2 % от общего количества осадков, выпадающих на сушу, тогда как площадь континентов составляет 13 % всей площади суши. В Азии и Южной Америке, площадь которых составляет 41 % суши, выпадает 50 % всей суммы осадков.
Средняя величина стока всех рек мира составляет 46 800 км3 за год. Наибольший сток приходится на Азию – 31 %, Южную(26 %) и Северную(17 %) Америку, Африку – 10, Европу – 7, Антарктиду – 5, Океанию – 4 %[15].
В связи с возрастанием численности населения планеты водообеспеченность одного жителя постоянно уменьшается. Так, втечение 1971-1994 гг. величина речного стока, которая приходится на одного жителя втечение года, в Европе уменьшилась на 8 %, в Северной Америке – на 27, в Австралии и Океании – на 29, в Азии – на 38, в Южной Америке – на 42, в Африке – на 58% . Водообеспеченность одного жителя Земли в 1971 г. составляла 12,9 тыс. м3 в год, т.е. за период с 1971 до 1994 г. водообеспечение уменьшилось на 36 %[11].
Распределение водных ресурсов на земной поверхности неравномерно как в границах континентов, так и в границах каждого из них. Так, в Европе величина стока изменяется от 5 000 мм на южно-западном побережье Норвегии до 15 мм в южно-восточных районах европейской территории Российской федерации. На юго-востоке Азии сток составляет более 4 000 мм и уменьшается до 1 мм в засушливых районах Средней и Центральной Азии. Африка, за исключением экваториальных районов бассейна Конго в северо-восточной области, является сухим континентом. Наиболее сухим материком является Австралия, на значительной части которой сток не превышает 1 мм. Итак, в Европе и Азии, где сосредоточено 73,5 % населения мира (на 1994 г.), выпадает лишь 38 % мировых запасов пресных вод. В Южной Америке, где проживает 5,6 % населения мира, водные ресурсы составляют 25 % общего объема мирового речного стока[8].
Сток рек очень неравномерно распределен втечение года. Большая его часть (60-70 %) выпадает на паводковый период, и для разных континентов он изменяется в разные месяцы. Так, в Европе 48 % стока происходит в апреле – июле, в Азии 80 % стока – в мае-октябре, в Африке 74 % стока – в январе-июне, в Северной Америке 54 % стока – в мае-августе. Итак, многоводный сезон охватывает март-сентябрь. Втечение этого периода поступает до 70 % годового стока, поэтому запасы воды на континенте увеличиваются на 28 %. В общем, для всей суши Земли многоводный сезон длится с мая по октябрь. За это время все реки мира сбрасывают 63 % речного стока. Суммарные запасы пресных вод на всех континентах увеличиваются на 26 %[8]. Неравномерность распределения втечение года суммарного стока рек отдельных континентов и всего мира обуславливает необходимость его искусственного регулирования, создавая водохранилища различного предназначения.
2.2 Пользователи и потребители водных ресурсов.
Во многих сферах человеческой деятельности в той или иной мере используют воду. Причем преимущественно необходима не какая-нибудь, а чистая пресная вода с содержанием минеральных солей до 1 г/л. обобществленные данные про запасы воды в биосфере Земли свидетельствуют, что ресурсы пресной воды достаточно велики и целиком могут обеспечить потребности человечества при условии их рационального использования. Кроме того, этот природный ресурс, без которого невозможна жизнь, беспрерывно возобновляется.
Ныне годовая потребность человечества в воде составляет более 4 тыс. км3[3]. Вследствие неравномерного распределения водных ресурсов на планете и развитие промышленности, сельского и коммунального хозяйства, неодинаковой демографической ситуации во многих странах проблема использования пресной воды встает наиболее остро.
Основными потребителями воды является промышленность, сельское и коммунальное хозяйство. В сельском хозяйстве ее используют для полива растений, поения и приготовления корма для домашних животных, в коммунальном хозяйстве – для питья и приготовления еды, удовлетворения санитарно-гигиенических потребностей, как теплоноситель для обогревания бытовых и хозяйственных помещений и т. д. Развитие промышленности и сельского хозяйства, ускоренные темпы жилищно-комунального строительства в нашей стране обусловили повышенное использование водных ресурсов и обусловили повышенное потребление водных ресурсов и содействовали повышению внимания к области водного хозяйства. Главное задание этой области – планомерное обеспечение населения и области экономики водой соответствующего качества и необходимого количества. Основные подобласти водохозяйственного комплекса – это водоснабжение населенных пунктов, промышленности, сельскохозяйственного производства, в том числе орошение земель и обводнение засушливых районов, гидроэнергетика, рыбное хозяйство, водный транспорт и рекреация.
По отношению к водным ресурсам все отрасли хозяйства подразделяют на пользователей и потребителей. Пользователи используют воду как среду или источник энергии и не изымают ее из источников (рыбная ловля, гидроэлектростанции, туризм, водный транспорт, спорт и др.). Потребители изымают воду из источников и используют ее по назначению (для питья и приготовления еды, выращивания сельскохозяйственной продукции, для осуществления технологических процессов на производстве, обогревания помещений, удаления отходов и т. п.).
Во многих случаях вода после использования частично или полностью возвращается к источникам, но совсем другого качества. Наибольшее количество (до 75 %) пресной воды потребляет сельское хозяйство. Особенно большое количество ее используют в оросительном земледелии. Ныне орошается более 15 % всей площади сельскохозяйственных угодий. По некоторым прогнозам орошаемые площади в ближайшее время возрастут до 120 млн га. Удельное потребление воды зависит от вида сельскохозяйственных культур, Физико-географических условий района, технического состава оросительных систем и способа полива. Так, для орошения зерновых необходимо воды 1500 – 3500 м3/га, сахарной свеклы – 2500 — 6000, многолетних трав – 2000 – 8000, риса – 8000 – 1500 м3/га воды[14].
Объем потребления воды в промышленности оценивают водоемкостью производства – количеством воды, необходимой для производства 1 тонны готовой продукции. Водоемкость производства различных видов продукции колеблется в очень широких рамках, м3/т: стали, чугуна – 15 – 20, синтетического волокна – 500, меди – 500, пластмасс – 500 – 1000, синтетического каучука — 2000 – 3000. для работы ТЭС мощностью 3 МВт необходимо около 300 км3 воды в год. Средний химический комбинат ежедневно потребляет 1 – 2 млн м3 воды[1].
Потребление воды населением характеризуют удельным водопотреблением – суточным объемом воды в литрах, необходимой для удовлетворения всех потребностей одного жителя города или деревни. Удельное водопотребление в городах больше, нежели в деревнях, и в значительной мере зависит от степени благоустройства (наявности водопровода, канализации, центрального водяного отопления и т. п.). Так, удельное водопотребление для некоторых городов составляет, л/сутки: Нью-Йорк – 600, Париж – 500, Москва – 400, Киев – 300, Лондон – 263. в больших городах с населением более 3 млн человек суточные затраты воды достигают 2 млн м3, а годовые – около 1 км3[9]. При этом используется вода высокого качества, которая требует сложной технологической водоподготовки. Количество использования воды одним жителем деревни составляет от 20 до 80 л/сутки, причем тут используется пресная подземная вода без какой либо водоподготовки, даже простейшей.
Выбор источника водоснабжения осуществляется с учетом требований потребителя к качеству воды. Для промышленных целей позволяется использовать только поверхностные воды, в том числе воды морей и океанов. подземные воды используют только по необходимости для выполнения технологических процессов ее с температурой до 15°C и при наявности запасов этих вод, который является достаточным для обеспечения хозяйственно-питьевого м промышленного водоснабжения. В отдельных случаях допускается использование геотермальных вод.
2.3 Показатели качества воды.
Качество воды в каждом отдельном случае зависит от тр6ебований пользователя. Категория качества воды – это показатель степени загрязненности водного объекта, который определяют по совокупности установленных показателей состава и качества воды (физических, химических, биологических, бактериологических) и который удовлетворяет требования пользователей[10]. Соблюдение этих требований является обязательным втечение определенного времени. Соответственно Водному кодексу Украины качество воды – это характеристика состава и качеств воды, которая определяет ее пригодность для конкретного водопользователя. Требования к качеству воды нормируются государственными отраслевыми стандартами или техническими условиями. Единого показателя, который характеризовал бы качество воды, не существует, поэтому ее качество оценивают на основании системы показателей.
Показатели качества воды подразделяют на физические, химические, гидробиологические, бактериологические. Другой формой классификации показателей ее качества является их разделение на общие и специфические. К общим принадлежат показатели, характерные для каких либо водных объектов. Наявность в воде специфических для нее показателей обуславливается местными природными условиями и особенностями антропогенного воздействия на водный объект.
Рассмотрим основные физические показатели качества воды[6].
Температура воды. В водоемах температура является результатом одновремённого действия солнечной радиации, теплообмена с атмосферой, перенесения тепловыми течениями, перемещение водных масс и поступления нагретых вод из внешних источников. Температура влияет практически на все процессы, от которых зависят состав и качество воды. Этот показатель измеряют в градусах Цельсия (°C).
Запах и вкус. Как уже указывалось, запах воды создается специфическими веществами, которые попадают в воду в результате жизнедеятельности гидробионтов, разложения органических веществ, химического взаимодействия компонентов, содержащихся в ней, и поступления из внешних (аллохтонных) источников. Выделяют такие виды запахов: ароматический (цветочный, огуречный), землистый, болотный, гнилой, древесный, плесневый, хлорный, нефтяной, фенольный, сероводородный, неопределенный (не сходный не с одним из указанных запахов). Вкус воды бывает горький, кислый, соленый. Все остальные вкусовые ощущения квалифицируют как привкусы. Интенсивность запахов и привкусов балами подразделяют так:
| Интенсивность привкуса или запаха
| Никакого
| Очень слабый
| Слабый
| Ощутимый
| Выразительный
| Очень сильный |
| Балы
| 0
| 1
| 2
| 3
| 4
| 5 |
Прозрачность воды зависит от содержания органических закрашенных соединений. Вещества, которые окрашивают воду, поступают в нее вследствие выветривания горных пород, протекания продуктивных процессов внутри водоемов, с подземным стоком и из антропогенных источников. Высокая окрашенность снижает органолептические качества воды и уменьшает содержание в ней растворенного кислорода. Окрашенность воды измеряют в градусах и определяют колометрически, сравнивают ее с дихромо-кобольтовой шкалой окрашенности. Один градус окрашенности отвечает содержанию в 1 л раствора 2,49 мг хлорплатината калия и 2,018 мг хлорида кобальта.
Содержание взвесей. Источником взвесей могут быть процессы эрозии почв и горных пород, помутнение донных осадков, продукты метаболизма и разложения гидробионтов и химических реакций, антропогенные источники. Взвеси приводят к заилению водоемов, вызывают их экологическое старение (эвторификацию). Содержание взвесей определяют в граммах на метр кубический (мг/л), пропуская некоторый объем воды сквозь плотный бумажный или мембранный фильтр. Кроме того, существуют визуальные способы определения мутности воды, для чего ее сравнивают с эталонными суспензиями. Глубину измеряют с помощью белого диска, который погружают в воду источника до тех пор, пока он станет невидим.
Бактериологические показатели характеризуют загрязненность воды патогенными микроорганизмами. К важнейшим бактериологическим показателям принадлежит: коли-индекс – количество кишечных палочек в 1 л воды; коли-титр – количество воды в миллилитрах, в которой может быть найдено одну кишечную палочку; число лактозопозитивных кишечных палочек; число колифагов.
Гидробиологические показатели дают возможность оценить качество воды по видовому составу живых организмов и растительностью водоемов. Смена видового состава экосистем может происходить даже при незначительном загрязнении водоема, которое никак не выявляется. Поэтому гидробиологические показатели являются самыми чувствительными.
Физические, бактериологические и гидробиологические показатели принадлежат к общим показателям качества воды. Химические показатели могут быть общими и специфическими. К общим химическим показателям качества воды относятся: растворенный кислород, водородный показатель (pH), содержание азота и фосфора, минеральный состав.
Растворенный кислород. Основными источниками поступления кислорода в водоемы является газообмен с атмосферой (атмосферная реаэрация), фотосинтез и талые воды, которые, как правило, пересыщены кислородом. Окислительные реакции являются основным источником энергии для преобладающего большинства гидробионтов. Растворенный в воде кислород используется гидробионтами для дыхания и окисления органических веществ. Поэтому низкое содержание растворенного в воде кислорода негативно влияет на весь комплекс биохимических и экологических процессов в водном объекте.
Водородный показатель (pH). Активную реакцию воды выражают водородным показателем (pH), который является отрицательным десятичным логарифмом активности ионов водорода:
pH = lg [aн+].
Величину pH измеряют электрометрически или с помощью индикаторов. От pH воды зависит развитие водных сельскохозяйственных растений, протекание продукционных и многих других процессов водоподготовки.
Минеральный состав определяют по суммарному содержанию семи главных ионов: Na+, Ca2+, K+, Mg2+, Cl¯, SO42-, HCO3¯ . основными источниками повышения минерализации являются грунтовые и сточные воды. По эффекту воздействия на гидробионтов и организм человека неблагоприятными являются как высокие, так и очень низкие показатели минерализации воды.
К специфическим показателям качества принадлежат фенолы, нефтепродукты, ПАВ и ШПАВ, тяжелые металлы и пестициды.
Фенолы поступают в водоемы из антропогенных источников в процессе метаболизма гидробионтов и биохимической трансформации органических веществ. Источником поступления фенолов являются гуминовые вещества, которые образуются в почвах и торфяниках. Фенолы токсически действуют на гидробионтов и ухудшают органолептические свойства воды.
2.4 Санитарно-токсикологическая характеристика химических примесей воды.
Алюминий. При нарушении выделительной функции почек в результате различных заболеваний алюминий может накопляться в печении жизненно важных делянках головного мозга. В последнем случае возникают тяжелые нарушения функции центральной нервной системы. Содержание алюминия в питьевой воде обуславливается поступлением его из коагулянтов, которые используют в водоподготовке, и наличием его в поверхностных водах.
Барий. В природных водах содержание бария составляет 0,001 – 0,01 мг/л, иногда – 0,1 мг/л. В большинстве своем он попадает в источники водоснабжения со сточными водами металлургической, машиностроительной и фармацевтической промышленности и с водами производства бумаги. Растворимые соединения бария (хлорид и нитрат) хорошо впитываются и способны к аккумуляции (накоплению). Барий – высокотоксическое вещество, которое даже в небольших дозах может вызвать гонадотоксический, эмбриотоксический или мутагенный эффекты. При поступлении в организм он способен аккумулироваться в костной ткани, что небезопасно для здоровья. В случае поступления в организм в виде хлорида летальная доза для взрослого человека составляет 550 – 600 мг.
Бериллий является токсическим и аккумулятивным клеточным ядом. Проникая во все органы, клетки и органеллы и повреждая клеточные мембраны, он способен причинять широкий спектр отдаленных эффектов неблагоприятного действия. Его повышенные концентрации могут наблюдаться в подземных и поверхностных водах в результате поступления загрязненных бериллием сточных промышленных вод (авиационная и космическая промышленность).
Бор. При поступлении в организм человека высоких концентраций бора с питьевой водой наблюдаются значительные расстройства функций половой системы у мужчин и женщин и выраженный эмбриотоксический эффект. Бор хорошо впитывается в пищеварительном канале, но постепенно выводится. В высоких концентрациях он находится в очень минерализированных подземных и морских водах.
Мышьяк. Неорганический мышьяк более токсичен, нежели органический, а неорганические соединения мышьяка (III) более опасны, нежели соединения мышьяка (V). При продолжительном потреблении воды, загрязненной мышьяком, на коже возникают наросты, мозоли, могут поражаться кровеносные сосуды, возникать опухоли. Постоянное употребление воды с концентрацией мышьяка 0,2 мг/л в течение жизни определяет 5 %-й риск развития рака кожи. В случае острого отравления мышьяком поражается центральная нервная система, что приводит к состоянию комы, а при дозах 70 – 80 мг – к смерти. Возможно также сильное поражение пищеварительного канала, нервной системы и дыхательных путей. Отравление возможно и при низких дозах – 3 – 6 мг/сутки в течение долгого времени. Содержание мышьяка в пресных подземных и поверхностных водах невысокий, но местах залегания полиметаллических он может превышать 1 мг/л. В отходах производства (гидрометаллургии, пепел ТЭЦ) наблюдается повышенное содержание мышьяка, который является реальным источником загрязнения подземных вод.
Нитраты и нитриты. Нитраты – продукт окисления органического азота бактериями. Нитриты образуются в результате неполного окисления органического азота бактериями.
Использование удобрений, гниение растительных и животных останков, бытовые стоки, попадание в почву осадков сточных вод, промышленные сбросы, вымывание из мест захоронения отходов – все это обуславливает поступление в водные источники ионов NO¯2 NO3¯. Содержание нитрата в воде, как правило, ниже 5 мг/л. Однако в небольших водных источниках и, особенно в подземных водах содержание его может превышать 10 мг/л. Как нитраты, так и нитриты очень легко поглощаются организмом. После поступления с питьевой водой нитратов и особенно нитритов в крови человека накопляется метгемоглобин – дериват гемоглобина, который не способен переносить кислород из крови в ткани, вследствие чего развивается болезнь – водно-нитратная метгемоглобиния.
Наявность в воде нитратов и нитритов представляет собой канцерогенную опасность.
Свинец. Случаи сильного отравления свинцом наблюдались после употребления воды с повышенным его содержанием (0,6 – 2 мг/л). свинец попадает в воду из свинцовых труб и резервуаров. Отравление сопровождается кишечными коликами и утомлением. Этот металл имеет высокую аккумулятивную способность, накопляется в костях, поражает нервную систему, почки и приводит к раннему атеросклерозу. При концентрации в питьевой воде 0,1 мг/л организм аккумулирует 50 % поглощенного свинца, и его содержание в крови достигает граничной отметки – 0,025 мг/л. В незагрязненных озерных и речных водах содержание свинца не превышает 0,01 мг/л. однако в районах залегания полиметаллических руд его содержание в подземных водах может значительно увеличиваться. Расчеты, выполненные с учетом употребления 2 л воды в сутки, доказывают, что суточное поступление свинца колеблется от 10 – 20 мкг до 1 мг и более. Свинец выводится из организма с мочой, калом и потом. Он содержится в волосах и ногтях пальцев рук и ног.
Селен содержится в воде в виде селенита или селената в зависимости от pH и присутствия солей некоторых металлов. Содержание его в поверхностных водах значительно ниже – 10 мкг/л. В воде некоторых колодцев содержание селена превышает 100 мкг/л. В случае употребления подземных вод с повышенным содержание селена нарушается функция печени, формирование эмали зубов и кальциевый обмен. Как правило, в природных водах содержание селена незначительно. Из организма выводится преимущественно с мочой.
Стронций. После продолжительного употребления подземных вод с повышенным содержанием стронция у детей было выявлено нарушение развития костных тканей, например неудовлетворительный рост зубов.
Фтор. Избыток фтора в питьевой воде определяет развитие болезни – флюороза, проявлением которой является появление пятен на эмали зубов. Кроме того, может нарушаться окостенение скелета у детей, происходить изменения в сердечных мышцах и деятельности нервной системы.
Недостаток фтора в воде является причиной развития кариеса зубов — основной причины потери зубов в юношеском и зрелом возрасте. Очень важна роль фтора в регулировании минерального обмена скелета. В раннем возрасте он благоприятствует процессу минерализации костей, а в преклонном – уменьшает степень возрастной деминерализации костной ткани. необходимое его количество в организм человека попадает преимущественно с питьевой водой.
В больших дозах фтор для человека очень токсичен. Патологические изменения – геморагичный гастроэнтерит, острый токсический нефрит и различной степени поражения печени и сердечной мышцы. Острая смертельная доза составляет около 5 г фторида натрия, то есть примерно 2 г фтора. первыми проявлениями и симптомами интоксикации являются тошнота, боли в полости живота, рвота, диарея и даже судороги.
Железо, марганец, медь и цинк принадлежат к малотоксическим элементам, характерной особенностью которых является влияние на органолептические свойства воды.
Железо. В организме железо берет участие в окислительно-востановительных процессах, имуннобиолгических реакциях, и входит в состав некоторых ферментов. Гемоглобин крови содержит до 70 % железа в организме человека. Наявность в организме механизма регуляции баланса железа не дает возможности выявляться его токсическому действию. Однако большое содержание его в питьевой воде негативно влияет на ее органолептические качества. Вода с повышенным содержанием железа неприятна на вкус, имеет бурый цвет, образует конкреции в трубах, препятствуя протеканию воды.
Марганец принадлежит к эссенциальным микроэлементам, поскольку он входит в состав многих ферментов, гомонов и витаминов, которые влияют на процессы роста, кровообразования, формирование иммунитета и размножение. Впитывание марганца, который поступает в организм с питьевой водой, незначительно вследствие гидролиза его солей с образованием труднорастворимых соединений. Согласно с данными ВООЗ, содержание марганца в питьевой воде до 0,5 мг/л не вредит здоровью человека. Однако вода с таким количеством марганца имеет металлический привкус и во время стирки окрашивает ткани.
Медь. Качества меди в питьевой воде зависят от величины pH, концентрации в ней карбонатов, хлоридов и сульфатов. В организме медь принимает участие в образовании эритроцитов, освобождении тканевого железа и развитии скелета, центральной нервной системы и соединительных тканей. Благодаря наявности гомеостатического механизма регуляции содержания меди в организме человека она не накопляется. В малых концентрациях медь придает воде неприятный вяжущий привкус, что и лимитирует ее содержание в воде.
Цинк. Содержание цинка в питьевой воде обычно не превышает 0,01 мг/л в поверхностных и 0,05 мг/л – в грунтовых водах. Однако в водопроводной воде его содержание может увеличиваться до 2 мг/л за счет вымывания из оцинкованных труб. Цинк является незаменимым микроэлементом, поскольку входит в состав жизненно необходимых витаминов и ферментов. При повышенном содержании его в воде он также изменяет ее органолептические качества. Металлический привкус не ощущается до содержания его в воде в количестве 5 мг/л.
Сухой остаток и жесткость воды. Величина сухого остатка не влияет на вкусовые качества питьевой воды. Население может без риска употреблять воду с сухим остатком до 1000 мг/л. Однако вода с низким содержанием сухого остатка может быть негодной вследствие отсутствия вкуса. Питьевая вода с повышенной жесткостью (высоким содержанием солей кальция и магния) отрицательно влияет на сердечно-сосудистую систему. При потреблении такой воды часто возникают мочекаменные заболевания.
Взвеси. Эти вещества, прежде всего, влияют на органолептические свойства воды. Кроме того, они способствуют сорбции вирусов на частичках глины и перенесению их течением воды. Вирусы, попадающие в организм со взвешенными частичками, негативно влияют на эпидемиологическую безопасность.
Асбест поступает в природные воды в результате растворения асбестосодержащих минералов и руд и сброса промышленных стоков. С помощью обычных песчаных фильтров удаляют до 90 % волокон асбеста из воды питьевого назначения. Считается, что все виды асбеста способны вызывать асбестоз. От 14 до 50 % страдающих асбестозом умирают от бронхиальной карциномы.
Рассмотрим гигиеническую характеристику неорганических веществ техногенного происхождения, которые могут попасть в источники питьевой воды в больших количествах (кадмий, хром, никель, ртуть и т. д.).
Кадмий. В природных водах содержание кадмия обычно невелико и составляет 0,05 – 1 мкг/л, но в кадмиевых геохимических провинциях достигает 10 мкг/л. Источником повышенного содержания кадмия являются промышленные сточные воды и отходы, вследствие чего его содержание в некоторых случаях увеличивается до 0,2 – 4 мг/л. Кадмий — очень токсический элемент. Токсичность кадмия при концентрации в воде около десятка микрограммов на 1 л выявляется в виде тяжелого поражения почек и связанной с этим гипертонической болезнью.
Хром. В результате загрязнения природных вод промышленными сточными водами в некоторых случаях в них наблюдается повышенное содержание хрома. Основной источник загрязнения – сточные воды гальванического производства, текстильной промышленности и выплавка специальных сплавов.
Считают что, токсические качества присущи соединениям хрома (VI). Неблагоприятные последствия попадения хрома в организм связаны с поражениями почек и печени. Хром также обуславливает возникновение язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки. Хрому также присущи канцерогенный и мутагенный эффекты. Соединения хрома (VI) в дозах до 10 мг/кг массы тела обуславливают у человека некрозы печени, нефрит и смерть. Меньшие его концентрации приводят к раздражению слизистой оболочки пищеварительного канала.
Никель. Содержание никеля в поверхностных водах достигает 1 мг/л, а в некоторых подземных – до 0,13 мг/л. поступление никеля возможно со сточными водами металлургической, машиностроительной и химической промышленности. Концентрация его в таких водах колеблется от 0,01 до 274 мг/л. В случае избыточного поступления никеля в организм человека нарушаются биохимические процессы на клеточном и субклеточном уровнях.
Ртуть. В загрязненных водных объектах концентрация ртути колеблется в границах 0,01 – 0,5 мкг/л. В реках, загрязненных сточными водами, содержание ее составляет сотни и тысячи микрограммов в 1 л. При обычных условиях с питьевой водой поступает не более 15 % поглощенной организмом ртути. Она очень токсична и аккумулятивна. Неорганические соединения ртути накопляются в почках. Так, метилртуть быстро появляется в крови, где 80 – 90 % ее связывается с красными кровяными тельцами. Соли ртути выводятся из организма почками, печенью, слизистой оболочкой желудка, потовыми и слюнными железами, а также с молоком, но наиважнейший путь выведения – с мочой и фекалиями.
Отравление ртутью преимущественно выявляется в форме неврологических и почечных нарушений.
Цианины – соединения, которые содержат ионы CN¯. Техногенными источниками поступления цианинов в окружающую среду является производство кокса, полимеров, гальваническое производство и производство благородных металлов.
Во время хлорирования питьевой воды до уровней свободного остаточного хлора при нейтральных и щелочных условиях концентрация цианинов в очищенной воде уменьшается до очень низких значений. Хлорирование воды при pH > 8,5 приводит к превращению цианинов в безвредные цианаты, которые разлагаются до углекислого газа и газоватого азота.
Одноразовая доза цианина 50 – 60 мг обычно для человека летальна. Действие цианина на уровне 2,9 – 4,7 мг в сутки не считается вредным для человека благодаря высокой эффективности систем детоксикации в организме человека. Действие более высоких доз может быть смертельным. Допустимая суточная доза для человека составляет 8,4 мг.
Органические вещества. Следует указать, на то, что органические вещества природного происхождения – гуматы, амины, и другие вещества – негативно влияют на органолептические свойства воды.
Значительную угрозу для здоровья человека благодаря выраженной токсичности и аккумулятивности составляют пестициды, полиароматические углеводы, тригалометаны.
Пестициды. К пестицидам, которые попадают в воду, относятся хлорированные углеводороды и их производные, грунтовые инсектициды, пестициды, легко вымывающиеся из грунтов, а также пестициды, которые регулярно попадают в системы водообеспечения для борьбы с переносчиками заболеваний. Это преимущественно хлорорганические соединения. Микроколичества хлорорганических пестицидов в водной среде накопляются в различных звеньях пищевой цепи. Так, ДДТ может аккумулироваться в рыбе в концентрациях, что в 10 000 раз больше, чем в воде, в которой они существуют.
Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). К ПАУ принадлежит большая группа органических соединений, в молекулах которых содержатся два или больше бензольных колец. ПАУ могут синтезироваться некоторыми бактериями, водорослями и высшими растениями. Однако гигиенически значимые количества их поступают в окружающую среду с продуктами неполного сгорания органического топлива, побочными и промежуточными продуктами органического синтеза. ПАУ малорастворимы в воде, но наблюдается значительная сорбционная способность их глинами и другими донными отложениями, что обуславливает накопление этих соединений в воде в большом количестве.
ПАУ вызывают поражение кожи и ее сальных желез, костного мозга и лимфатической системы.
Тригалометаны. Во время хлорирования воды образуется большое количество галогеносодержащих соединений, количество и качественный состав которых зависит от содержания в природных водах гуминовых и фульвокислот, фенолов и т. д. Тригалометаны имеют высокую биологическую активность. Их действие выявляется в образовании злокачественных опухолей, возникновения генетических заболеваний и т. д. В случае длительного употребления воды с содержание тригалометанов возникают опухолеподобные заболевания.
Синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) широко применяются в промышленности и быту. Поэтому значительное их количество попадает в водоем со сточными водами. Большая поверхностная активность этих веществ способствует их миграции через водоупоры, что приводит к загрязнению подземных вод. СПАВ малотоксичны, но в организме человека может способствовать проникновению сквозь биологические мембраны малорастворимых высокотоксических или канцерогенных ПАУ. Но главный признак неблагоприятного действия, СПАВ на питьевую воду – это ухудшение ее органолептических качеств, например придание неспецифического привкуса и вспенивание. Наявность СПАВ в воде водного объекта, приводит к интенсивному развитию микрофлоры, что тормозит способность водоема к самоочищению.
Нефтепродукты попадают в водоем со сточными водами. Нефть – сложная смесь ароматических и полициклических углеводородов. Нефтепродукты могут попадать в донные отложения или пребывать в толще воды в виде эмульсии, растворяться в ней и образовывать на поверхности характерную пленку. Достаточно выраженным признаком наявности нефтепродуктов является неблагоприятное влияние на органолептические показатели воды: появление специфического запаха и радужных пятен на поверхности. Токсическое действие нефтепродуктов в тех концентрациях, в которых они встречаются в природной воде, незначительно.
Радиоактивные вещества. Радиоактивное загрязнение бывает природного и неприродного происхождения. Природное загрязнение водных объектов преимущественно обуславливается наличием радона. До 250 радиоактивных нуклидов техногенного происхождения попадают в окружающую среду в результате работы ядерных установок. Радиоактивные частички (радионуклиды) вместе с водой, воздухом и едой попадают в организм человека, вызывая онкологические заболевания, врожденные увечья, снижение функций иммунной системы и увеличивая общую заболеваемость населения[1].
3. ЭКОЛОГИЧЕСКИ РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПУТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ.
3.1 Основные тенденции использования водных ресурсов.
Быстрые темпы увеличения численности населения на Земле, урбанизация, развитие промышленности и сельского хозяйства приводят к истощению водных ресурсов и загрязнению окружающей природной среды. Особенную тревогу вызывает состояние водных ресурсов в гидросфере многих стран с ограниченными водными ресурсами, поскольку качественное и количественное истощение пресных вод стало реальной угрозой. В Украине проблемы использования вод и их охрана также приобрели большое значение. Для защиты рек и водоемов от загрязнений необходимо проводить строительство эффективных очистительных сооружений, поскольку к рациональному использованию водных ресурсов ставятся повышенные требования.
В связи с тем, что вода все больше привлекается в сферу производства, намечен целый комплекс организационных и инженерно-технических мероприятий по защите природных водоемов от загрязнения и истощения, использование новых методов очищения сточных вод и применение экономных и малоотходных технологий производства товаров и продукции.
Дефицит пресной воды намечается преодолеть с помощью таких мероприятий[13]:
рационального перераспределения поверхностных и подземных вод во времени (регулирование стока);
перераспределение водных ресурсов в пространстве (переброс стока);
экономии воды в результате усовершенствования системы оборотного водоснабжения;
перехода отдельных отраслей на безводные технологи производства;
применения новых, прогрессивных способов орошения и уменьшения расхода воды в оросительных системах сельского хозяйства;
опреснение соленых и минерализованных вод;
использования в промышленности и сельском хозяйстве шахтных, рудниковых и морских вод;
использование вековых запасов водных ресурсов, что накопились в ледниках и горных озерах;
активного влияния на процессы образования атмосферных осадков.
Итак, водохозяйственные задания в условиях дефицита пресной воды планируется решаться урегулированием ресурсов и спроса на них.
Влияние на водные ресурсы осуществляется преимущественно техническими способами – регулирование стока, переброс и использование дополнительных местных ресурсов. Влияние на спрос (на экономию и рациональное использование водных ресурсов) осуществляется реализацией организационно-правовых мероприятий. К последним принадлежат контроль над осуществлением законов по охране и использованию вод, а также исполнение требований регламентирующих документов, стандартов, постановлений, норм, правил, ограничений, разрешений, лицензий и т. п. Для разрешения этой проблемы используют также экономические рычаги – оплата за воду и сброс сточных вод, выделения фондов для внедрения новых технологий производства и т. п.
Особое внимание предают комплексному использованию и охране водных ресурсов. С этой целью проводят оценку природных вод в отдельных речных бассейнах и экономический районах с учетом антропогенной деятельности в данный момент и в перспективе. Кроме того, выявляют потребность в воде всех отраслей народного хозяйства и обосновывают нормы водопотребления с учетом повторного или последовательного использования воды, определяют объем невосполнимых потерь. Согласовывают запросы отдельных водопользователей с выделением наиболее эффективных и тех, что наиболее экономично используют воду. Разрабатывают водохозяйственные балансы и выявляют на их основании районы, где наблюдается наибольший в воде дефицит. Устанавливают мероприятия по охране природных вод от истощения и загрязнения и разрабатывают мероприятия и пропозиции по очищению, обезвреживанию и использованию различных сточных вод (промышленных, коммунальных, сельскохозяйственных). Определяют ассигнование для выполнения очерченных мероприятий водохозяйственного и мелиоративного строительства. Оценивают смену природных условий в зонах проведения больших водохозяйственных мероприятий. Обосновывают объем проектно-розыскных и научно-исследовательских работ для определения состава исполнителей.
3.2 Охрана вод и предотвращение их пагубного воздействия.
Установление правовых норм охраны водных объектов от засорения, загрязнения и истощения, а также предотвращение вредного действия вод – одно из главных заданий водного законодательства. Потребность таких норм обусловлена развитием промышленности, сельского хозяйства и строительства городов. Они обуславливают резкое возрастание потребностей в использовании воды, приводят к ощутимому возрастанию сточных и дренажных вод, загрязненных различными веществами.
В основах водного законодательства все воды требуют охраны от загрязнения и истощения, которые могут наносить вред здоровью населения и другие нежелательные последствия вследствие изменения физических, химических и биологических качеств воды, ухудшения ее способностей к природному самоочищению, нарушения гидрологического и гидрогеологического режима. Кроме строгого ограничения использования водных объектов для сброса сточных вод устанавливаются также другие ограничения. Полностью запрещен сброс в водные объекты производственных и бытовых отходов. Не допускается загрязнение и засорение поверхности водозаборов и ледяного покрова водоемов отходами и сбросами, сливание которых может привести к ухудшению качества поверхностных и подземных вод.
Для охраны вод, которые используют для хозяйственно-бытового водоснабжения, лечебных, оздоровительных и курортных потребностей населения, устанавливают специальные зоны санитарной охраны. Важным является предотвращение истощения поверхностных и подземных источников водоснабжения. Нерациональное использование природных вод может нарушить процесс обновления их ресурсов в отдельных речных и подземных бассейнах. Особенно недопустимым является истощение ресурсов подземных вод вследствие чрезмерного выкачивания, что превышает возможность природного обновления запасов.
Для поддержания благоприятного водного режима рек, озер, водохранилищ, подземных вод и других водных объектов, для предотвращения водной эрозии грунтов и заиления водоемов, для уменьшения потерь и резкого колебания речного и подземного стока водным законодательством предусматривается установление водоохранных зон лесов, обязательное проведение лесомелиоративных, гидротехнических и других мероприятий. Главным мероприятием против истощения водных ресурсов является осуществление рационального режима эксплуатации водохозяйственных систем и сооружений. Результатом нерационального использования человеком поверхностных и поземных вод, недооценки законов природы или пренебрежение ими является водная эрозия почв, оврагообразование, заболачивание и засоление земель, периодическое затопление и подтопление населенных пунктов и т. п.
3.3 Рациональное использование природных вод.
В процессе регулирования отношений между водопользователями большое значение придается рациональному и комплексному использованию вод. Рациональное использование вод должно обеспечить оптимально полезный эффект для общества в этот период и расчетную перспективу при обязательном соблюдении законодательства. Вопросы рационального использования вод рассматривается во время размещения и проектирования, строительства и введения в эксплуатацию предприятий, сооружений и других объектов. Требования рационального использования вод установлены также для видов водопользования.
Рациональное водопользование предусматривает комплексность, то есть использование воды так, чтобы знать экономически оправданное использование всех полезных качеств того или иного водного объекта для удовлетворения различных потребностей заинтересованных водопользователей – населения и народного хозяйства. При комплексном использовании вод некоторым водопользователям предоставляется преимущество к местным хозяйственным и природным условиям. При этом обеспечение населения питьевой водой совершается в первоочередном порядке.
Водное законодательство рекомендует разработку генеральных и бассейновых схем комплексного использования и охраны вод. В них определяются водно-хозяйственные и другие меры, которые осуществляются для удовлетворения потребностей в воде населения и народного хозяйства.
Рациональное использование и воспроизведение водных ресурсов и экосистем направлено на обеспечение стойкого функционирования водных экосистем, защиту, сохранение и восстановление водных ресурсов. Использование водных ресурсов должно направляться на обеспечения здоровья населения и создания достаточного водно-ресурсного потенциала для потребностей сельского, коммунального и рыбного хозяйств, промышленности, энергетики, транспорта и т. д.
Большинство водоемов одновременно являются источниками хозяйственно-питьевого и производственного водоснабжения, источниками энергии, транспортными путями, производственной базой рыбного хозяйства, зонами рекреации и т. д. В их эксплуатации заинтересовано большое количество государственных, коммунальных, промышленных, транспортных, рыбохозяйственных, сельскохозяйственных, энергетических организаций, предприятий и учреждений, а так же население. Поэтому очень важным является согласование временами противоречивых интересов различных водопользователей, чтобы водные ресурсы использовались наиболее рационально, чтобы не создавалось помех использованию водных объектов другими водопользователями, не причинялся вред хозяйственным объектам и природным ресурсам – почвам, лесам, полезным ископаемым и т. д. При этом особенное значение придают планированию комплексного использования вод.
Стратегия развития производства и водоохранных мероприятий должна благоприятствовать как удовлетворению потребностей в продукции и услугах, так и экологической безопасности человека и водных экосистем. Этого можно достичь при эффективном развитии техники и технологий производства, применении передовых методов очищения сточных вод, переработке отходов и реализации мероприятий по предотвращению аварий и усовершенствования системы управления и мониторинга.
Для достижения поставленной цели необходимо сформировать эффективную организационно-правовую систему функционирования водных объектов, осуществить зонирование территорий по показателю экологического риска, формирование заповедных территорий и усовершенствование методов контроля и оценки состояния водных объектов, ввести платное водопотребление с учетом состава и свойств сточных вод и разработать нормативы качества природных вод для различных водопользователей.
Одновременно со структурной и технологической перестройкой промышленности, прежде всего в топливно-энергетическом комплексе ,черной металлургии и химической промышленности, необходимо ввести высокоэффективные системы очищения сточных вод, системы оборотного и повторного использования воды, эффективные системы защиты от вредно влияния поверхностного стока. Кроме того, необходимо разработать и ввести новые технологии очищения поверхностного стока, промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод на основе применения модульно-цепной системы постепенного отбора и утилизации важных металлов и химико-токсических веществ с конечным доочищением на общегородских или районных очистительных сооружениях.
Заключение.
Проблема обеспечения надлежащего количества и качества воды является одной из наиболее важных и имеет глобальное значение.
В настоящее время человечество использует 3,8 тыс. км3 воды ежегодно, причем можно увеличить потребление максимум до 12 тыс. км3. При нынешних темпах роста потребления воды этого хватит на ближайшие 25 – 30 лет. Выкачивание грунтовых вод приводит к оседанию почвы и зданий (Мехико, Бангкок) и понижению уровней подземных вод на десятки метров (Манила).
Поскольку численность населения на Земле беспрерывно увеличивается, то неустанно возрастают и потребности в чистой пресной воде. Уже в настоящее время недостаток пресной воды испытывают не только территории, которые природа обделила водными ресурсами, но и многие регионы, ещё недавно считавшиеся благополучными в этом отношении. В настоящее время потребность в пресной воде не удовлетворяется у 20 % городского и 75 % сельского населения планеты.
Ограниченный запас пресных вод ещё больше сокращается из-за их загрязнений. Главную опасность представляют сточные воды (промышленные, сельскохозяйственные и бытовые). Последние, попадая в поверхностные и подземные источники вод, загрязняют их вредными токсическими примесями, опасными для здоровья человека, вследствие чего сокращаются и без того ограниченные резервы пресной воды. Человеку необходима чистая высококачественная пресная вода.
Для организма вода является «строительным» материалом, поддерживая его жизненные функции.
Вода обеспечивает протекание всех жизненных процессов в организме. Синтез тканей, пищеварение, обмен веществ и другие жизненно важные процессы осуществляются при непосредственном участии воды. Она является растворителем для органических и неорганических веществ в организме, необходимых для поддержания его функций. Вода способствует выведению из организма различных шлаков, которые остаются после усвоения необходимых веществ, регулирует температуру тела, содержание солей в тканях и жидкостях, принимает участие во многих других процессах, без которых невозможно функционирование живых клеток, ведь практически все физиологические, химические и коллоидно-химические процессы протекают при непосредственном участии воды. Потеря организмом всего 10 – 20 % воды приводит к его гибели. Вот поэтому, так необходимо потреблять качественную воду, ведь некачественная вода может привести к сбою или полной остановке процессов необходимых для жизнедеятельности а, следовательно, не только к различным заболеваниям, но и к летальному исходу.
Практически все поверхностные источники водоснабжения в последние годы подвергаются воздействию вредных антропогенных загрязнений. 70% поверхностных вод и 30% подземных потеряли питьевое значение и перешли в категории загрязненности – «условно чистая» и «грязная».
В Украине каждая пятая проба водопроводной воды не соответствует санитарно-химическим нормам, каждая восьмая – микробиологическим, а 90% питьевой воды в стране не соответствует рекомендуемым санитарным нормам, химическим и микробиологическим стандартам. Эту воду используют 70% городов и населенных пунктов. Больше всего нам портит жизнь хлор, используемый для дезинфекции воды. Хотя вначале он спасает от инфекций, однако потом его производные начинают медленно убивать нас, так как обладают канцерогенным, мутагенным эффектом, влияют на наследственность. По данным американских исследований, у людей, постоянно употребляющих хлорированную воду, вероятность рака мочевого пузыря на 21% и рака прямой кишки на 38% выше, чем у тех, кто пьет очищенную, но не хлорированную воду.
Растет цена на воду. Кларк (США) отмечает, что за последние 50 лет цены на нефть возросли в 10 раз, на воду для питьевых нужд – примерно в 100 раз, на питьевую воду – в 1000 раз. Обычным явлением стала продажа питьевой воды в бутылках. Природно-чистая вода становится важнейшим источником национального достояния.
Список литературы
Беспамятнов Г. П., «Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде», г. Ленинград, «Химия», 1987г.
Богословский Б. Б., «Общая Гидрология», г. Ленинград, «Гидрометиздат», 1984г.
Воронков Н. А., «Экология», г. Москва, «Агар», 2000г.
Глинка Н. Л., «Общая химия», г. Ленинград, «Химия», 1985г.
Давыдов Л. К., «Общая Гидрология», г. Ленинград, «Гидрометиздат», 1973г.
Карюхина Т. А., «Контроль качества воды», г. Москва, «Стройиздат», 1986г.
Николадзе Г. И., «Технология очистки природных вод», г. Москва, «Высшая Школа», 1987г.
Ревель П. «Среда нашего обитания», г. Москва, «Мир», 1995г.
Фрог Б. И., «Водоподготовка», г. Москва, изд. МГУ, 1996г.
Хомунцев Ю. Л., «Экология и экологическая безопасность», г. Москва, «ACADEMIA», 2002г.
Яцык А. В., «Экологические основы рационального водопользования», г. Киев, «Генеза», 2001г.
Главный редактор – Барбер П., еженедельное издание «Древо познания», г. Киев, «Маршал Кавендиш Украина», 2002г.
Джигірей В. С., «Екологія та охорона навколишнього середовища», м. Київ, «Знання», 2004 р.
Запольський А. К., «Водопостачання, водовідведення та якість води», м. Київ, «Вища Школа», 2005р.
Салюк Е. В., «Основи екологии», м. Київ, «Вища Школа», 2001р.
>>N2 і тому вимушене випромінювання, як правило, не грає ролі. У той же час у радіоспектроскопії 
і спостережуване поглинання радіохвиль пов’язане з дуже невеликим відносним перевищенням вимушеного поглинання над випромінюванням.
(2.1)
— прискорення частинки.
Якщо число подібних збуджених атомів дорівнює Nm, то енергія випромінювання за одиницю часу за рахунок спонтанних переходів дорівнюватиме: 
(2.2)
падаючого випромінювання, знайдемо значення енергії випромінювання і поглинання:
(2.3)
(2.4) 
. (2.5) 
(2.6) 
(2.7) 
(2.8)
(2.9)
— довжина хвилі.
можна знехтувати і вираз (10.14) перепишеться як:
(2.10)
(2.11)
(2.12), де гамільтоніан 
, 
. 
(2.13)
(2.14).
,
. Допускаємо, що ці значення коефіцієнтів зберігаються при достатньо малих значеннях t >0. Тому одержимо:
(2.15)
додатне, у другому від’ємне. У кожному випадку одним із двох членів у дужках виразу (2.15) можна знехтувати першим доданком, а у випадку вимушеного випромінювання – другим.
(2.16)
(2.17)
результат аналогічний класичній теорії випромінювання з тією різницею, що замість дипольного моменту ex входить матричний елемент exmn.
, тобто падаюча хвиля спричиняє перехід En→ Em тільки у тому випадку, коли її частота співпадає з 
або дуже близька до 
(2.18)
(2.19)
(2.20), де 
.
(2.21). Оскільки коефіцієнт затухання коливань γ рівний: 
, то вираз (2.21) отримає вигляд: 
(2.22).
. 
. 
. Тому лазерний промінь розфокусовується у значній мірі лише на великих відстанях. Наприклад розфокусовування лазерних променів виявляють під час вимірювання відстаней до Місяця. 
, які рівні: 
. Тому реалізації інверсної населеності використовують домішкові атоми, наприклад хрому в кристалах рубіна. 
при дії ультрафіолетового випромінювання із довжиною хвилі 200- 250 нм виникає збуджений атом І в стані 
: 
— основний стан атома гелію, а 
— один із його збуджених станів. Релаксація енергії збудження та рекомбінації іонів із електронами протікають у цій системітаким чином, що 
, 
. Лазери із тепловою накачкою на цих активних середовищах отримали назву теплових газодинамічних лазерів. 
, 
, якщо ефективна температура середовища T* < 0. Інверсна населеність активного середовища (тобто її негативна ефективна температура) створюється в результаті накачування енергії в середовище від зовнішнього джерела. Наприклад, накачування здійснюють при пропусканні електричного струму через активне середовище, за допомогою спалаху потужної лампи, у результаті хімічних реакцій, за допомогою прискорення електронного потоку й т.п. 
.
, а для нерівновагого активного середовища
. Посилення світлового потоку за один цикл дорівнює 
, тобто поріг генерації 
.
, де W=wSL — запасена в резонаторі енергія, 
— втрати енергії за одне коливання. Врахуємо, що 
— втрати енергії за цикл, де w — густина енергії прямого й зворотного потоків. Час циклу дорівнює 
, період лазерного випромінювання 
, тоді за одне коливання втрати енергії становлять: 
, де 
— число напівхвиль у резонаторі, , а 
.
. 
та 
. Ширина цих ліній 
, імовірність змушених переходів для лінії 
та 
, які є метастабільними, тому що перехід з них в основний стан для атома заборонений квантово-механічними правилами відбору. 
.
Рис. 5.4 Будова забороненої 
, що через виділення значного тепла при кімнатній температурі унеможливлювало його роботу в безперервному режимі. 
безперервного режиму була вперше досягнута в США в «Bell Laboratories» Н. Хаясі й М. Б. Панішем в 1970р. Ними був виготовлений лазер на подвійній гетеро структурі 
(рис. 5.6) з різною шириною забороненої зони в p- і n- областях, що дозволило зменшити граничну щільність струму при кімнатній температурі до 
. 
при кімнатній температурі, якщо з 
, де x — молярна концентрація Al у структурі, то 
. Якщо використати 
, то від
. 
. Для передачі інформації з ВОЛС найкраще використати лазери з активним шаром з 
. 
. Одна із них 
— холоста хвиля, а інша сигнальна — ωs. Хвиля із частотою ωs додається із початково введеною в систему сигнальною хвилею, тому сигнал на частоті ωs підсилюється. Це приводить до зростання глибини модуляції показника заломлення на частоті биття ωр — ωs і до подальшого підсилення холостої та сигнальної хвиль за рахунок енергообміну із хвилею накачки. Підсилення у протяжному волокні відбувається тільки при виконанні певних фазових співвідношень між хвилями Е (ωр), Е (ωs), Е (ωі) (5). 
, де 
, 
— потужності сигнальної хвилі на вході та виході світловода довжиною L, g- коефіцієнт параметричного підсилення, 
.
В 2005 году предприятия АР Крым увеличили экспорт товаров в Российскую Федерацию (на 23 млн.долл.США), Испанию (на 16,3 млн.долл.США), Швейцарию (на 8,2 млн.долл.США), Беларусь (на 6,4 млн.долл.США), Мальту (на 6,3 млн.долл.США), Чешскую Республику (на 5,3 млн.долл.США), Италию (на 4,3 млн.долл.США), Болгарию (на 3,9 млн.долл.США). 
Экспорт
Импорт
Роки
:
:
:
0 ti T0 t
=1/ l общая = 1/0,000226≈ 4424,7788ч.
Рис. 3. Двигатель легкового автомобиля особо малого класса:
