Водные ресурсы и проблема воды

Вода является самым важным веществом на Земле. Она находится на поверхности ив глубине нашей планеты, и в атмосфере, присутствует в растениях и животных. Огромные количества воды ежедневно используется в быту и в промышленности, например в производстве как охладитель на химических заводах и электростанциях. Вода обычно содержит некоторое количество растворённых газов, солей и веществ-загрязнителей.

Запасы воды на земном шаре огромны и исчисляются примерно в 1,46  • 10⁶ км^3. Однако из них 1,37 • 10⁶ км³ приходится на моря и океаны,около 60 млн км³ на подземные, главным образом солоноватые, воды и всего лишь около 30,5 млн. км³ составляют пресные воды. К тому же, почти все запасы пресной воды (97 %) сосредоточены в горных ледниках и полярных шапках, которые находятся в отдалённых суровых и малолюдных просторах Земли и практически не используются человеком. Менее 3 % от общего количества пресной воды, или 8,76 • 10⁵ км³, находится в реках, озёрах и почве. Это лишь 0,06 % всех водных ресурсов земного шара. Общий годовой сток всех рек мира составляет 3,73 • 10⁴ км³, включая около 1500 км³ воды, получаемой от таяния антарктических и арктических ледников, а также айсбергов.

Воды, казалось бы, вполне достаточно для удовлетворения потребностей населения, которое ежегодно расходует её около 8000 км³. Однако водные ресурсы по суше распределены крайне неравномерно. Это обусловлено неравномерным выпадением атмосферных осадков. По существу реки, озёра, ледники образуются в результате солнечной деятельности. В природе совершается постоянный

круговорот пресной воды[6] , прекращение которого по каким-то причинам привело бы к стоку всей воды земного шара в моря и океаны. Под действием солнечной энергии, которую получает Земля в количестве, составляющем астрономическую цифру - 1,3 • 10²⁴ калорий[7] в год, происходит испарение воды с поверхности Мирового океана[8]. Часть испарившейся воды конденсируется и выпадает в виде осадков. Атмосферные осадки частично собираются в реки, которые снова стекают в моря и океаны. Происходит так называемый гидрологический цикл, который непрерывно повторяется.

Ежегодно с поверхности морей и океанов испаряется 448 тыс. км³ воды, или слой толщиной в 1,2 м, а с поверхности суши - 71 тыс. км³ воды. Таким образом, со всей поверхности земного шара испаряется 519 тыс. км³ воды, и такое же количество её выпадает в виде осадков. Однако существуют районы, где количество выпадающих ежегодно осадков превышает количество воды, испаряющейся с поверхности Земли. Это центральные и северные районы России, США, Европы, Канады, большинство областей тропической зоны Южной Америки, Азии и Африки, многие горные районы, составляющие так называемую гумидную зону - зону гумидного климата[9], где берут своё начало и протекают многочисленные реки, сосредоточены озёра и ледники. В отдельных районах этой зоны количество осадков в год достигает 12 м, как, например, у подножия Гималаев в Индии. Именно в этой зоне находятся самые крупные реки земного шара: Амазонка, Конго, Янцзы, Миссисипи, Енисей, Лена, Амур, Волга, Нил, Ганг и другие, сток которых составляет почти одну' треть мирового речного стока; крупнейшие озёра мира: Байкал, Великие озёра США (Онтарио, Мичиган и др.) и мощные горные ледники.

Но наряду с избыточно увлажнёнными зонами имеются обширные, так называемые аридные[10] и полуаридные, засушливые области, где выпадает осадков значительно меньше, чем испаряется воды. Это районы, охватывающие многочисленные пустыни, полупустынные и засушливые территории, на которых годами не выпадает дождь. Например, в Нубийской пустыне в Африке близ Вади-Хальфа, в месте нахождения Асуанской плотины[11] дожди не выпадают десятилетиями.

Аридные и полуаридные зоны занимают почти 60 % всей территории суши, на которой проживает около 150 млн человек. Предполагают, что через 20-40 лет население этих районов достигнет 300-350 млн. человек. По самым скромным подсчётам, потребление воды населением аридной и полуаридной зон земного шара в настоящее время составляет 450-600 млн м³/сут. При увеличении населения вдвое дефицит пресной воды в этих районах составит 10⁶ м³/сут.

Однако было бы неправильным думать, что проблема обеспечения водой, населения существует только для стран аридной зоны земного шара.

Дефицит в пресной воде на сегодняшний день испытывает большинство промышленно развитых стран мира, где воды ещё совсем недавно было более чем достаточно. Например, объявлены «районами бедствия» многие штаты Америки. Не лучше обстоят дела с водой в странах Северной Африки, Ближнего и Среднего Востока.

Одним из вариантов решения проблемы водного голода может быть эффективная очистка сточных вод и их повторное использование. Практика показывает, что такое решение задачи частичного удовлетворения потребностей в воде населения и промышленности вполне рентабельно и успешно осуществляется.

В то же время, помимо поверхностных источников (реки, озёра), на Земле имеются огромнейшие водные богатства, сосредоточенные в артезианских[12] (подземных) бассейнах. Изысканиями гидрогеологов обнаружены гигантские подземные линзы[13] пресных вод. Под Западно-Сибирской низменностью находится, например, водохранилище площадью около 3 млн км², что соответствует территории, занимаемой примерно половиной" европейских государств, вместе взятых. Пресноводное водохранилище размером втрое больше Каспийского моря расположено под Волго-Камским бассейном. Несколько меньшего размера подземные линзы найдены в Московской и Ленинградской областях, в Прибалтике, Туркмении. Погребённые моря лежат даже под такими пустынями, как Сахара, Каракумы, и к настоящему времени обнаружены на всех материках.

Только в нашей стране можно добывать в год около 220 км³ артезианских вод, что соответствует нынешнему потреблению воды из рек и озёр.

Есть ещё вариант решения проблемы обеспечения водой населения и промышленности - использование арктических и антарктических ледовых материков. Запасы пресной воды, находящейся в виде льда, составляют около 97 % всех её мировых ресурсов. Полярные шапки являются гигантской фабрикой по производству айсбергов, образование которых связано с откалыванием громадных глыб льда в результате его текучести. При средних размерах один' айсберг содержит сотни миллионов тонн воды, то есть столько же, сколько составляет годовой сток относительно большой реки. В океанах плавают тысячи айсбергов. Транспортирование их к берегам стран с жарким климатом является предметом многочисленных за последнее время высказываний, и обсуждений. Практически неограниченное количество пресной воды, необходимой для хозяйственно-питьевых целей, промышленности и ирригации, можно получить путём опреснения солёной воды Мировогоокеана, а также подземной минерализованной воды. ¹Термин произошёл от термина "артезианские воды" (от Artesiumлат. название французской провинции Артуа, где эти воды издавна использовались) — название напорных подземных вод, заключённых в водоносных пластах горных пород между водоупорными слоями. При вскрытии буровыми скважинами артезианские воды поднимаются выше кровли водоносного пласта, иногда фонтанируют.

Получение пресной воды из солёной известно с древнейших времен. В небольших количествах её получали выпариванием в перегонных аппаратах. Однако стоимость получения пресной воды таким способом очень высока. Ещё в XVI веке английская королева Елизавета пообещала премию в размере десяти тысяч фунтов стерлингов тому, кто найдёт наиболее дешёвый способ опреснения воды. До сих пор претендентов на премию не оказалось.

Природа, как бы подсказывая и идя навстречу человеку, сама создала эффективнейшие образцы опреснителей. Примером тому могут служить многочисленные виды животных, живущих как в океане, так и на суше, которые издавна_ приспособились к солёной воде и представляют собой по сути-дела живые опреснители. Взять хотя бы морских млекопитающих - китов, пингвинов, тюленей, вынужденных довольствоваться водой с концентрацией солей около 35 г/л. Однако киты не потребляют морскую воду, а вырабатывают так называемую метаболическую обессоленную воду путём обмена веществ (метаболизма) при окислении жира. Этим-то и объясняется тот факт, что в организме морских животных сосредоточены значительные жировые запасы.

У морских птиц: буревестников, бакланов, альбатросов и других, которые пьют только морскую воду, в желудке всегда находится пресная вода. Чем же объяснить это явление^? Оказывается, в голове птиц имеется солевая железа, которая является своего рода биологическим опреснителем и, причём весьма совершенным. Излишки воды в виде рассола выводятся из организма через клюв.

Механизм процесса биологического опреснения солёных вод, наблюдающийся у отдельных видов животных, в настоящее время ещё недостаточно изучен. По-видимому, принцип этого явления основан на осмотических процессах, суть которых состоит в самопроизвольном перетекании воды из разбавленных растворов в более концентрированные, через разделяющую их мембрану или посредством диффузии водяного пара через полупроницаемую стенку и конденсации его на противоположной её поверхности. Такие процессы характерны и для пищеварительного тракта человека, когда из пищи в кровь поступают необходимые продукты питания, как из менее концентрированного раствора в более концентрированный через разделяющие стенки кровеносных сосудов.

Другое объяснение механизма биологического опреснения основывается на действии биохимической системы, работающей по принципу калий - натриевого насоса[14].

Следует также упомянуть и о возможности использования водорослей для удаления солей из морской воды. Этот процесс основан на способности некоторых видов водорослей концентрировать в себе соли, без которых их существование невозможно. Процесс может быть ускорен в присутствии небольших количеств углекислоты.

За последнее время разработано несколько методов опреснения морских и других солёных вод. К ним относятся термодистилляционное опреснение (многоступенчатые системы мгновенного испарения и многокорпусные выпарные установки), электрохимическое опреснение (электродиализ или электроинитный процесс), вымораживание, гелиоопреснение, биологическое опреснение, экстрагирование, электроосмос и др.

Каждый из этих методов имеет свои положительные и отрицательные стороны. Понятно, что любым из них можно опреснять солёную воду, но решающее значение приобретает вопрос стоимости получаемого дистиллята.

Выбираемый метод опреснения должен быть недорогим и применимым для промышленных, бытовых и сельскохозяйственных целей.

В этой связи важное значение приобретает технико-экономическая оценка различных методов опреснения воды.

Ввиду сложности проблемы и разнообразия рабочих условий маловероятно, чтобы какой-либо метод, основанный на том или ином принципе или явлении, был бы наиболее эффективным при любых условиях. Известно, что изменение масштаба установок, а следовательно, и производительности, влечет за собой изменение в широких пределах удельных затрат, особенно в части капиталовложений; с другой стороны такие факторы, как местные условия, степень минерализации воды, наличие энергетических источников, запасы исходной воды, имеют важнейшее значение для окончательного выбора метода.

Поэтому экономическая целесообразность выбираемого метода должна определяться для каждого объекта отдельно, с учётом конкретных условий.

Не следует также забывать и о таком пути покрытия дефицита пресных вод безводных районов, как, возможность переброски пресной воды, где она имеется в избытке, по каналам или водоводам. Предпочтительность того или иного варианта устанавливается по экономическим соображениям. Стоимость подачи пресной воды по водоводам зависит, прежде всего, от расстояния и от величины водопотребления. Примером такого способа снабжения водой населения может служить построенная в 1962 г. третья очередь Каракумского канала длиной 800 км, по которому ежесуточно подаётся к Ашхабаду свыше 500 000 м³ (6 м /с) аму-дарьинской воды.

  Расчётами установлено, что при расстоянии до источника пресной воды свыше 300 км опреснение солёной воды любым методом и при любой производительности установки можно считать более выгодным, чем подачу воды по каналам и водоводам. Для небольших водопотребителей (сельских фермерских хозяйств, промышленных предприятий, водопойных пунктов) опреснение воды дешевле её подвода даже с расстояния 50-100 км.

Если же расстояние до источника пресной воды составляет 200 км, то сооружение опреснителей целесообразно только при потребности в воде менее 50 тыс. м³/сут, а при расстоянии 100 км не более

10 тыс. м³/сут.

Очень важным является комплексное использование воды морей и океанов с одновременным получением из неё ценных химических веществ. Сбрасываемый в сток из опреснительных установок рассол можно утилизировать, открыв новую индустрию извлечения всех химических элементов, которые содержит в себе морская вода.

Одних только солей в Мировом океане растворено 166 • 10⁶ т в 1 км³ и 50 • 10¹⁵ т во всех морях и океанах.

Если бы соль, растворённую в морской воде, удалось равномерно распределить по поверхности земного шара, она бы покрыла его сплошным слоем толщиной в 45 м. В воде морей и океанов растворено 38 • 10¹⁵ т поваренной соли, 16 • 10¹⁴ т солей калия и 83 • 10¹² т солей брома, а также колоссальные количества солей других химических элементов.

Первые сравнительно крупные опреснительные установки появились ещё в конце прошлого века. В 1896 г. в Баку была построена крупнейшая по тем временам испарительная установка производительностью 1200 м3/сут. Несколько позже была введена в эксплуатацию опреснительная установка в Красноводске*. К настоящему времени построено более 100 опреснителей, не считая мелких и судовых установок, а их производительность      140 000 м3/сут. Из них более 60 являются дистилляционными, свыше 20 электродиализными и около 20 ионообменными и вымораживающими.

В нашей стране проблемами обессоливания солоноватых, солёных и морских вод занимается рщ научно-исследовательских институтов и организаций. В результате их деятельности спроектированы и построены опреснительные установки производительностью от 1 до 27 000 м³/сут, включая установки для опреснения подземных вод (с солесодержанием 3-11 г/л) методами ионного обмена, электродиализа и дистилляции, вымораживания и гелиоопреснения.

2. Что такое вода

Древнегреческий философ Фалес из Милета утверждал: "Самое замечательное - вода! Только её можно встретить одновременно в трёх состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. Вода - вот первооснова всего сущего. Из воды вещи зарождаются в самом начале и в неё превращаются при окончательном уничтожении, причём первооснова остаётся неизменной, а меняется только её состояние".

Вода - это одно из самых сложных веществ в природе как с химической, так и с физической точки зрения. Обычно воду принято рассматривать как химическое соединение, состоящее из двух атомов водорода и одного атома кислорода, выражаемое формулой Н₂0.

Однако после того, как установили существование нуклида[15] водорода, или дейтерия, с массовым числом 2, а затем открыли нуклид водорода с массовым числом 3 (тритий), получили тяжёлую и сверхтяжёлую воду. Далее было обнаружено, что существуют три изотопа[16] кислорода, отличающиеся атомными массами (¹⁶О, ¹⁷О, ¹⁸О). Тогда стало совершенно очевидно, что вода представляет собой смесь 18 различных веществ.

Физические константы воды отличаются большим количеством аномалий[17].Например вода кипит при температуре 100 °С, хотя точка кипения воды должна быть ниже (63,5 ^оC). Такое явление объясняется присутствием в воде молекулярных ассоциаций, которые и обусловливают эту аномалию.

При затвердевании воды её объём увеличивается примерно на 9%. В твёрдой фазе вода имеет шесть аллотропных форм, одна из которых — лёд. Лёд образуется из воды при 0 °С, и плотность его равна 0,916 г/см³ (он легче воды). В определённых условиях при затвердевании воды образуются снег или иней. Однако исследования, проведённые в течение последнего времени, показали, что вода не всегда затвердевает при низких температурах. Так, в Институте физической химии Российской академии наук учёные давно открыли новое состояние воды, которое было получено путём конденсации водяного пара в кварцевых капиллярных трубках. Только при температуре -50 °С .такая вода переходит в стекловидное состояние. При нагреве до 700-800 °С она распадается и превращается в обычную воду.

Плотность вновь открытой воды с изменённым построением молекул оказалась равной 1,4 г/см³ . По плотности она напоминает вазелин. Плотность обычной воды принимается равной 1 г/см³ (в действительности она составляет 0,999 г/см³ ). При температуре около 4 °С (3,982 °С) и нормальном давлении у обычной воды наблюдается . максимальная плотность.

В определённых условиях меняется показатель преломления воды, который в естественных условиях равен 1,33. Так, например, было установлено, что в некотором состоянии вода имеет показатель преломления 1,49.

Вязкость воды также имеет аномалию. При повышении давления, эта константа понижается, в отличие от других жидкостей. Чистая вода растворяет и ионизирует ряд веществ. Она обладает способностью разрывать химические связи между катионами и анионами, иными словами, вызывает ионизацию или электрическую диссоциацию веществ. С другой стороны, вода обусловливает и химическое разложение веществ - гидролиз[18].

Вода является физико-химической средой, где происходят процессы обмена веществ, приводящие к разрушению и восстановлению живых тканей. Это, прежде всего, реакции окисления, в результате которых образуется вода. Например, у верблюда в результате окисления жиров в горбу может образовываться до 40 л воды. Грызуны же, живущие в пустыне, могут обходиться без воды в течение полугода (!), что объясняется, вероятно, её образованием вследствие клеточного окисления. Именно благодаря биологическому круговороту воды, которая является неотъемлемой частью тканей животных и растений, возможно существование жизни на Земле.

Живые существа не могут обходиться без воды[19]. Более того, животные и растительные организмы в подавляющем большинстве содержат более 50% воды. Например, тело человека на 65 – 70 % состоит из воды, то же самое следует сказать и о животных. В растительном мире мы наблюдаем такую же картину. Помидоры, огурцы, картофель, капуста, салат и другие овощи, различные ягоды, груши, яблоки содержит от 80 до 95 % воды. Растения получают воду или из почвы, или из атмосферы. Животные потребляют воду самыми различными путями. Она поступает в их организм, как при питье, так и с пищей. Травоядные животные употребляют в пищу главным образом всевозможные растения. В свою очередь, травоядные служат пищей плотоядным животным. Выделяемая организмом вода при дыхании, потение или транспирации (кожное дыхание) возвращается снова в атмосферу. Другая её часть в виде физиологических выделений людей и животных поступает в почву, откуда извлекается растениями. Таким образом совершается постоянный круговорот воды. Известно, что биологические растворы присутствующие в организме животных как позвоночных, так и беспозвоночных имеют ионныйы состав, очень сходный с составом морской воды. На основании этих данных возникли гипотезы о зарождении первых живых клеток именно в воде морей и океанов. Происхождение жизни из морской среды подкрепляется многими фактами. Воды океанов содержит самые различные питательные соли, необходимые для жизнедеятельности растительных микроорганизмов. Установлено, что благодаря фотосинтезу, обусловленному солнечной деятельностью, в океанской воде ежегодно образуется до 300 млрд т органической массы.

По-видимому, на протяжении многих тысячелетий происходила эволюция и медленное приспособление части видов морских животных к условиям жизни на суше или в пресной воде.

Возможно, некоторые виды живых организмов обязаны своим происхождением каким-то другим условиям. На этот счёт существуют пока лишь гипотезы.

Однако, следует отметить, что солевой состав морских вод совсем не похож на состав основных солей, находящихся в пресных водах. Если в морской воде присутствует около 80 % карбонатов и гидрокарбонатов, то содержание их в пресной воде составляет 0,2 %, количество хлоридов. в морской воде - 89 %, а в пресной - не превышает 7 %.

Особенно отличается морская вода от пресной количественным содержанием всех присутствующих в ней химических элементов (табл. 1).

Только в одном Тихом океане хранится 1500 млрд т руды в форме конкреций[20]. Если использовать всего лишь 1 % этой руды, то человечество будет обеспечено марганцем на 285 лет, никелем - на 230, медью - на 17, кобальтом - на 1200 лет.

Это только часть компонентов состава морской воды. Основной ионный состав морской воды, которая содержит все существующие в природе химические элементы, представлен в табл. 2.

Солёность морской воды различна и зависит от ряда факторов (температуры, местных условий, широты местности и др.).

Таблица 1

В литре воды, взятой в Тихом, Атлантическом или Индийском океане, обычно содержится в среднем около 35 г солей; в воде Чёрного моря - от 18 до 22 г/л, Каспийского - 13,5 г/л, а Балтийского - не более 5 г/л.     

Таблица 2

      До недавнего времени считалось, что самая солёная вода в Суэцком заливе Красного моря. Содержание солей в ней составляет более 43 г на 1 л. Однако в 1964 г. американской экспедицией на "Дискавери" были обнаружены в центральной части Красного моря ещё более солёные придонные воды. Проведённые в этом же районе российской экспедицией на судне "Академик С. Вавилов" океанографические работы показали, что на глубине 2000 м имеются воды с солесодержанием 280,7 г/л. При этом температура такой придонной воды оказалась самой высокой - 44 °С. До этого открытия максимальной считалась температура воды в Персидском заливе - 36°С.

Российская экспедиция обнаружила в центральной части Красного моря и другие впадины, заполненные такой же уникальной водой.

Многие специалисты склонны считать, что аномальные воды происходят из иловых вод древних осадков или образуются в результате нагревания внутренним теплом Земли и выходят в виде горячего источника. Усреднённый состав солей, входящих в морскую воду солёностью 35 г/л, полученный на основании анализов многочисленных проб воды, взятых в различных точках Мирового океана, приведён в табл.3.

Таблица 3

В морской воде содержатся также и растворённые газы — кислород О₂,углекислый газ СО₂, азот N₂. Количество кислорода в отдельных морях превышает 6 см³  на 1 л.

Свойства воды