Антропогенные воздействия на структуру континентального звена

В XX в. влияние хозяйственной деятельности человека на ГГЦ стало заметным главным образом в его континентальном звене. Это связано с тем, что народонаселение Земли, выросшее за это столетие почти в 4 раза и достигшее 6,3 млрд человек, увеличило забор воды на хозяйственные нужды в 6,5 раза. Большая часть этой воды испаряется в процессе ее использования, а сравнительно малая — включается в состав продуктов производства. Оба вида расхода воды называют безвозвратным водопотреблением. Остальная вода, изъятая из водоисточников (из поверхностных водных объектов и подземных водоносных слоев), возвращается в эти же или соседние водные объекты после использования в виде сточных вод. Они отличаются измененным составом взвешенных и растворенных веществ, зависящим от степени загрязнения природной воды бытовыми и производственными отходами. На рис. 1.4 видно, что безвозвратное водопотребление в XX в. увеличилось в 5,5 раза, а сброс сточных вод в водоисточники — в 9 раз.

Рис. 1.4. Рост народонаселения N, млрд чел. (/), водозабора WW, тыс. км³/год (2), безвозвратного водопотребления (3), сброса сточных вод (4) и суммарного объема водохранилищ W_R, тыс. км³ (5).

В структуре безвозвратного водопотребления, составившего в мире, по оценке И. А. Шикломанова (1997), в 1995 г. 2,3 тыс. км³Дод (61% всего водозабора), главенствующую роль играет использование воды в сельском хозяйстве (в основном на орошение) — от 98% в начале века до 93% в его конце. Потери воды за столетие в промышленности возросли с 1 до 4%, а в коммунальном хозяйстве и быту — с 1 до 3%.

При избыточном орошении сельскохозяйственных культур образуются сточные воды (иногда до 30% объема воды, забираемого на орошение). Это — ирригационные дренажные воды, в которых обычно растворены техногенные химические вещества, используемые в качестве удобрений и пестицидов (химические соединения, предназначенные для защиты выращиваемых растений от вредителей, сорняков и болезней). Первые из этих загрязняющих веществ, попадая с дренажными водами в речные или озерные водные массы, наряду с коммунальными и бытовыми сточными водами, способствуют их эвтрофированию, а вторые, наоборот, вызывают гибель водной флоры и фауны. Токсическими свойствами обладают и сточные воды многих промышленных производств. Таким образом, все сточные воды ухудшают в той или иной степени природное качество воды. Для его восстановления в загрязненных участках водных объектов требуется в среднем 10-кратное разбавление чистой водой сточных вод, даже подвергшихся очистке на современных очистных сооружениях.

Приведенная выше водохозяйственная оценка безвозвратного водопотребления свидетельствует, что испарение с суши к концу.

XX в. вследствие современного водопользования возросло с 72 до 74 тыс. км³/год (на 3%). В континентальном звене ГГЦ оно увеличивает объем атмосферных осадков не менее чем на 1,7 тыс. км³/год. При среднем значении коэффициента стока с суши 0,40 эти дополнительные осадки на 0,7 тыс. км³/год (на 1,5%) увеличивают речной сток, т. е. динамические водные ресурсы суши.

Эта антропогенная интенсификация влагооборота над сушей, увеличивая сток и способствуя тем самым разбавлению загрязненных вод, все же намного менее значима в их самоочищении по сравнению с регулированием речного стока водохранилищами, которые существенно замедлили водообмен в речной сети.

В результате водохозяйственного строительства, обеспечившего рост водопотребления и выработку гидроэлектроэнергии (необходимой для бесперебойного коммунального, промышленного и сельскохозяйственного водоснабжения и других нужд), в XX в. сооружено более 60 тыс. водохранилищ, из которых 2,8 тыс. — водоемы крупного и среднего размера объемом каждое более 0,1 км³. Суммарный объем этих больших водохранилищ (IV_R) составляет более 95% объема всех имеющихся в мире водохранилищ и прудов. Он равен около 6,4 тыс. км³ (в 460 раз превышает объем имевшихся в начале XX в. 40 водохранилищ среднего размера) (А. Б. Авакян, В. Б. Яковлева, 1999). Более 50% этих ежегодно возобновляемых и самых экологически чистых дополнительных водных и энергетических ресурсов создано в 7 государствах — Канаде (14% fV_K), России (13% И^г), США (11% И^|, Бразилии (7% W_R), Китае (5% W_R), Индии (4% W_R) и Мексике (2% IV_R).

По мнению Н. Ф. Глазовского (1992), о степени современного экономического развития различных стран можно судить по величине показателя водоемкости производства валового национального продукта (ВНП) в виде отношения годовых величин объема водопотребления к стоимости ВНП, в м³/$. По статистическим данным за 1991 г., среди перечисленных стран наименьшие значения этого показателя (0,11 — 0,12) — в США, Канаде и Бразилии, наибольшие — в Индии (2,86) и Китае (1,90), а средние значения — в Мексике (0,53) и СССР (0,69). Это указывает на еще недостаточно экономное расходование водных ресурсов в России.

В результате сооружения водохранилищ объем русловой сети суши возрос в 4 раза, составляя теперь более 8,5 тыс. км³. Поэтому среднее время возобновления речных вод увеличилось с 16 сут до 2 мес. В отдельных речных системах замедление водообмена существенно больше. Например, в Волге, сток которой регулируется Волжско-Камским каскадом водохранилищ, средняя продолжительность смены воды возросла с 20 сут до 7 мес. Увеличение площади водной поверхности гидрографической сети суши на 400 тыс. км² за счет водохранилищ привело к повышению испарения приблизительно на 0,1 тыс. км³/год, т. е. менее чем на 5% безвозвратного водопотребления.

Рост народонаселения и водохозяйственная интенсификация континентального звена ГГЦ оказывают разное воздействие на трансформацию химических веществ, участвующих в глобальном обмене. Это видно на примере сопоставления антропогенного изменения стока абиогенного хлористого натрия и биогенного элемента — фосфора.

NaCl — вещество, которое не потребляется наземными и водными растениями. Его оборот в океаническом звене ГГЦ втрое интенсивнее, чем в обмене между Мировым океаном и сушей (см. рис. 1.2), из-за высокой его концентрации в океанической воде (30 г/кг при солености 35%о). Вследствие хорошей растворимости NaCl поступающая с океанов на сушу его масса, равная 410 млн т/год, включается в состав стока и определяет природную составляющую концентрации этой соли в речных и озерных водных массах. Интенсификация поступления фронтальных осадков океанического происхождения на Русскую равнину в последнюю треть XX в. привела к повышению суммарной концентрации ионов Na и Cl с 6,8 до 8,5 мг/л (на 25%), но их доля (6% экв.) в солевом составе, например, речной воды, питающей Можайское водохранилище на Москве-реке, не изменилась в ставшей на 23% более минерализованной воде.

Антропогенная составляющая стока NaCl может быть приблизительно оценена в 11 млн т/год по средней норме потребления человеком поваренной соли, равной 5 г/сут, умноженной на численность современного населения. Даже если удвоить это количество соли, чтобы учесть ее использование в других хозяйственных целях, то ее сток в Мировой океан превысит поступление с него на сушу всего на 5—6%. С учетом вероятных погрешностей в оценке величины составляющих ГГЦ можно считать глобальный цикл абиогенного хлористого натрия практически замкнутым.

Совершенно иная структура глобального обмена общего фосфора, включающего минеральный фосфор, растворенный в воде преимущественно в форме ортофосфатов (Р-Р0₄), и органический фосфор в составе растворенных в воде органических соединений и клеточного вещества всех водных и наземных организмов. Общий фосфор — наиболее типичный представитель большой группы биогенных микроэлементов, содержащихся в природных водах и органических веществах в очень малой концентрации (микрограммы в 1 л воды или в 1 кг), но тем не менее крайне важных для жизнедеятельности любого организма. И в водных, и в наземных экосистемах непрерывно совершается биохимическое превращение организмами минеральных соединений биогенных микроэлементов среды (воды, почвы) в органические (бактериальные, растительные и животные клетки организмов, а затем во многие органические вещества продуктов их жизнедеятельности), и в конечном счете в минеральные соединения в результате процессов деструкции органических веществ.

Из-за низкой средней концентрации фосфора в водах Мирового океана (70 мкг/л) его поток на сушу с атмосферными осадками океанического происхождения мал и оценивается в 0,02 млн т Р/год. В 17 раз больше масса фосфора, поступающая на сушу в результате промысла рыбы и морепродуктов, около 75 % которой становится частью продуктового потока, оцениваемого в 4,8 млн т Р/год. В результате усвоения фосфора, содержащегося в пище, в организме человека происходит его аккумуляция, в связи с чем запас фосфора с учетом современной численности населения Земли составляет порядка 2,8 млн т.

Из анализа формирования антропогенных потоков фосфора следует, что к 80-м годам XX в. наряду с ростом народонаселения мира (см. рис. 1.4) существенно изменилась его структура: доля жителей средних и крупных городов, в которых действуют водопроводные и канализационные системы, с начала века возросла с 4 до 51%. Это повлекло за собой формирование мощного продуктового потока сельскохозяйственной продукции (а в ее составе и фосфора) в города, где она после потребления населением трансформируется на очистных сооружениях канализационных систем (КС) из органического вещества в минеральное и сбрасывается с них преимущественно в водные объекты суши (1,39 млн т Р/год) и прибрежную зону морей (0,49 млн т Р/год). Эти оба потока антропогенного фосфора увеличиваются за счет сброса в КС пищевых отбросов, использованных синтетических моющих средств (СМС) и промышленных отходов, содержащих техногенный фосфор: до 2,56 в гидросеть суши и 0,89 млн т Р/год непосредственно в океан. Такой же поток фосфора (3,47 млн т Р/год) возвращается сельским населением в почвенный покров при локальной утилизации бытовых сточных вод, а с учетом навоза скота он составляет примерно 13 млн т Р/год. В то же время с урожаем и подножным кормом скота почвы теряют около 22 млн т Р/год.

Для возмещения ежегодных потерь фосфора с сельскохозяйственных угодий осуществляется добыча и переработка фосфатных руд в удобрения, поток на поля минерального фосфора в которых достигает 17 млн т Р/год (табл. 1.1).

Естественный сток фосфора в доаграрную эпоху оценивается в 1 млн т Р/год. Вследствие антропогенного нарушения природного биохимического круговорота фосфора в ландшафтах, трансформированных хозяйственной деятельностью, концентрация фосфора в речных водных массах возросла в среднем в 4 раза из-за их загрязнения городскими, сельскими и промышленными сточными водами. Таким образом, поток общего фосфора в речном стоке с суши в океан состоит только на 24 % из фосфора, смываемого Трансформация в XX в. антропогенных потоков общего фосфора, Таблица 1.1.

млн т/год водой с естественных ландшафтов. Остальная его масса представляет собой фосфорную антропогенную нагрузку на водные экосистемы, 80% которой дают городские сточные воды, а 20% фосфорной нагрузки формируются склоновым генетическим типом воды. Им смываются не усвоенные растениями минеральные удобрения (около 0,3 млн т P/год), он загрязняется животноводческими сточными водами и сточными водами фосфатного производства. Из этих расчетов следует, что главной причиной прогрессирующего с начала XX в. эвтрофирования озер, а позже и рек в урбанизированных регионах, и даже прибрежных районов некоторых морей служат сточные воды городских канализационных систем.

Расчетами показано (К. К. Эдельштейн, Ю. С. Даценко, 1998), что более 0,6 млн т P/год аккумулируется в водоемах суши вследствие самоочищения их основных водных масс. Причем этот процесс значительно эффективней в долинных водохранилищах (удерживающих до 70% фосфорной нагрузки) по сравнению с озерами. Аккумуляция фосфора водоемами суши на 10 % снижает фосфорную нагрузку дельт и прибрежной зоны Мирового океана, превышающую сейчас 5 млн т P/год. В этой величине учтены сток речных водных масс (средняя концентрация более 100мкгР/л), сточные воды прибрежных городов и подземный сток (0,1 млнт P/год при средней концентрации минерального фосфора в подземных водах около 60 мкг Р/л).

В отличие от абиогенного NaCl, сток биогенного фосфора почти в 300 раз превышает его поступление на сушу с акватории Мирового океана в значительной степени из-за нарушения его природного цикла в речных водосборах и сброса сточных вод в гидрографическую сеть. Это ведет к быстрому эвтрофированию водных объектов и истощению минеральных ресурсов фосфора на суше.

Таким образом, из анализа воздействий общества на ГГЦ следует, что:

• • антропогенное испарение, называемое в водном хозяйстве безвозвратным водопотреблением, с позиций структурной гидрологии — это в основном продуктивная (обеспечивающая урожай) и социально значимая (обеспечивающая санитарно-гигиеническое благополучие населения) часть общего водопотребления. При этом антропогенное испарение способствует частичному восстановлению расходуемых динамических водных ресурсов в континентальном звене ГГЦ. Чем больше в водопотреблении доля потерь воды на ее испарение, тем меньше доля сточных загрязненных вод, нуждающихся в очистке и последующем разбавлении чистыми водными массами для сохранения экологического благополучия в эксплуатируемых водных экосистемах;
• • водохранилища, ставшие к концу XX в. главным регулятором процесса стока в континентальном звене ГГЦ, — это не только источник экологически чистой электроэнергии и дополнительной пищи (свежая рыба), но и эффективное средство восстановления природного качества загрязненных речных вод.

Противоположные экологические последствия имеет гидротехническое воздействие на сток путем вовлечения в континентальное звено ГГЦ вековых запасов воды из озер — стационарных озерных ресурсов. Экстенсивная эксплуатация этих ресурсов ведет к невосстановимому современными природными процессами падению в озере уровня воды, к изменению термического и химического режимов, сопровождающихся деградацией экологического состояния водной экосистемы. Примером такого недопустимого нарушения природного соотношения между динамическими и стационарными водными ресурсами континентального водоема служит резкое ухудшение качества воды и ихтиофауны в озере Севан, уровень в котором понижен на 18 м для решения водохозяйственных проблем Армении в середине XX в.