О питьевой воде

Количество растворенных газов (кислород, азот, углекислота), содержащихся в речной воде, относительно постоянно, так как зависит от атмосферного давления. Литр речной воды содержит от 40 до 55 см3 газа. Зимой содержание газов больше, чем летом и осенью.

Количество растворенных солей зависит от свойств и состава пород, размываемых рекой. Преобладают в речной воде углекислые и сернокислые соли кальция, магния, а также хлориды щелочных металлов, кремнезем и органические соли.

Состав взвешенных веществ (речной мути, ила), близок к составу глин: преобладают кремнезем и глинозем, оксиды железа, кальция, магния, соли калия и натрия. Значительная доля приходится на органические вещества – гуминовые и фульвокислоты, лигнины, танины и проч.

Поверхность рельефа, с которой речная система собирает свои воды, называется водосбором, или водосборной площадью. Водосборная площадь вместе с верхними слоями земной коры, включающая в себя данную речную систему и отделенная от других речных систем водоразделами, называется речным бассейном.

В руслах рек чередуются глубокие плёсы и мелководные перекаты. Линия наибольших скоростей течения называется стрежнем.

Речная система – это совокупность рек, изливающих воды одним общим руслом в другой водоем (озеро, море, океан). Речная система состоит из главной реки и включает притоки первого, второго и следующих порядков. Притоками первого порядка называются реки, непосредственно впадающие в главную реку, второго порядка – притоки притоков первого порядка и т. д. Название речной системы дается по названию главной реки.

Бассейн водоема (водосборный бассейн, водосборная площадь или водосбор) – территория, с которой все поверхностные и подземные воды стекаются в данный водоем. Чаще всего речь идет о бассейнах рек. Бассейн водоема включает в себя поверхностный и подземный водосборы. Для простоты за величину речного бассейна принимается только поверхностный водосбор.

Бассейны рек делятся на сточные и бессточные. Бессточными называются области внутриматерикового стока, лишенного связи через речные бассейны с океаном.

В основу классификации рек положен режим стока, или годовой водный режим. В соответствии с этой классификацией реки делятся на три группы: с весенним половодьем, с летним половодьем и реки с паводочным режимом.

Паводок, в отличие от половодья, возникает нерегулярно и характеризуется быстрым, непродолжительным подъемом уровня в каком-либо створе реки и почти столь же быстрым спадом. Причиной паводка обычно бывают обильные дожди или интенсивное кратковременное снеготаяние в период зимних оттепелей. Подъем уровней и увеличение расходов воды при паводках иногда могут превышать уровень и наибольший расход в половодье.

Меженью называют периоды, характеризующиеся низкой водностью вследствие снижения поступления воды с водосборной площади. Межень обычно отвечает одним и тем же срокам годового цикла. В зависимости от времени наступления различают летнюю и зимнюю межень.

К другим важнейшим характеристикам реки относятся ее длина и площадь водосбора, то есть площадь, с которой атмосферные осадки стекают в данную реку. При этом выделяют большие, средние и малые реки.

Большие реки протекают через несколько географических зон. Сюда условно относят равнинные реки с площадью водосбора больше 50 тыс. км2.

Средние реки протекают в пределах одной географической зоны; это равнинные реки с площадью водосбора в пределах от 2 до 50 тыс. км2.

Малые реки – это те реки, которые не пересыхают в течение года или пересыхают на короткое время, протекают в равнинной местности и имеют площадь водосбора менее 2 тыс. км2

Мировой речной сток выносит ежегодно в океаны и моря более 3 млрд тонн растворенных минеральных веществ, он еще называется сток солей или ионный сток. Речные воды имеют небольшую минерализацию и относятся к пресным водам. Выделяют реки с малой (до 200 мг/л), средней (200–500 мг/л), повышенной (500–1000 мг/л) и высокой (>1000 мг/л) минерализацией. Большинство рек России относятся к первым двум категориям. В половодье и паводки, когда преобладает снеговое или дождевое питание рек, минерализация речных вод уменьшается, а в межень, когда возрастает вклад в питание рек более минерализованных подземных вод, увеличивается.

Речные воды России по химическому составу, как правило, относятся к гидрокарбонатному классу. Обычно это воды малой минерализации севера европейской и большей части азиатской территории страны.

Значительно меньшую площадь занимают воды средней минерализации, которые распространены в зонах лесов и лесостепей в средней полосе европейской части России.

Еще меньшая площадь занята бассейнами рек с водами повышенной минерализации. Они распространены преимущественно на юге европейской части России в зонах лесостепей и степей.

Гидрокарбонатные воды с минерализацией свыше 1000 мг/л в природе встречаются крайне редко.

Реки с водой, относящейся к сульфатному классу, сравнительно малочисленны, но превосходят воды гидрокарбонатного класса по величине минерализации. В них, как правило, преобладает кальций.

Реки, воды которых относятся к хлоридному классу, встречаются почти так же редко, как и реки, в воде которых преобладают сульфаты. Они расположены на территории преимущественно степных районов и полупустынь. Преобладающими катионами природных вод хлоридного класса являются ионы натрия. Воды хлоридного класса отличаются высокой минерализацией – свыше 1000 мг/л, реже от 500 до 1000 мг/л.

Природная зональность ионного состава речной воды связана не только с действием климатических условий настоящего времени, но и в значительной степени подготовлена климатом прошлого.

Карта среднего годового речного стока органических веществ дает представление о закономерностях миграции органических веществ в различных ландшафтах и позволяет установить ее связи с другими геохимическими факторами. Так, наибольшее количество органических веществ выносится реками в северные и восточные моря из таежно-лесных и горно-таежных регионов. Наличие на севере страны почвенных зон тундры, лесотундры и тайги, а также грунтовых вод с существенной концентрацией органических веществ обусловливает формирование маломинерализованных, в основном гидрокарбонатных, высокоцветных вод. Особенности их очистки и обеззараживания будут рассмотрены ниже.

Воды, заполняющие естественные впадины на поверхности Земли, образуют озера. Это водоемы с замедленным водообменом.

Озера питаются водами поверхностного, подземного стока и атмосферными осадками. Расход воды происходит путем поверхностного испарения и подземного стока.

Почти все запасы озерных вод находятся в 16 наиболее крупных озерах. Так, объем озера Байкал составляет 23 тыс. км3.

Запасы пресных озерных вод Земли оценивают в 120 тыс. км3 [20].

Водный баланс озер определяют климатическая зональность и особенности геологического и тектонического строения региона.

Химический состав озерных вод зависит от состава пород водосбора и ложа озера и определяется также составом воды питающих притоков и подземных вод. Обычно доминирующими являются ионы НСО-, соли жесткости с Са2+ и Mg2+. Ионы О-, Cl-, Na+ и К+ присутствуют обычно в малых количествах. Имеется и биогенный азот.

Количество растворенных примесей зависит от наличия или отсутствия стока из озера. В проточных озерах накопление солей незначительно. В сточных озерах возможно некоторое накопление солей, особенно под влиянием биохимических процессов. Самое же значительное накопление происходит в бессточных озерах, аккумулирующих принесенные в них соли. По степени солености воды озера делятся на следующие типы:

1) пресные – до 12 промилле;

2) солоноватые – 12–24,7 промилле;

3) соленые – 24,7–47 промилле;

4) минеральные, или соляные, – выше 47 промилле.

Соленость воды озер изменяется по их площади, глубине и во времени.

Озера по минерализации воды, как и реки, подразделяются на карбонатные (содовые), сульфатные (горько-соленые) и хлоридные (соленые). Уровень концентрации солей в таких озерах близок к насыщению, и дальнейшее повышение ее приводит к осаждению и кристаллизации солей. Минеральное озеро, в котором происходит садка соли, называется самосадочным, а его вода, представляющая насыщенный раствор, – рассолом или рапой.

Озерные воды характеризуются очень большими колебаниями pH: от 1,7 в некоторых вулканических озерах до 12,0 в ряде закрытых озер – например, в содовых озерах Восточной Африки и Южной Америки.

Почти все озера, воды которых имеют pH меньше 4, располагаются в вулканических областях, куда поступают сильные неорганические кислоты. Низкие значения pH также обнаруживаются в природных водах, обогащенных растворенными органическими веществами, например в заболоченных озерах. Обычные величины pH для открытых озер колеблются в пределах от 6 до 9.

Причиной мутности озерных вод могут быть компоненты состава почв и горных пород, вымываемые реками из своего русла, а также талые воды и ливневый сток, то есть твердые осадки, смываемые дождями с почвы лесов, полей, лугов и улиц населенных мест.

Одним из самых главных параметров озерной воды является содержание в ней кислорода, так как кислород играет весьма существенную роль в метаболизме водных аэробных организмов. Поступление растворимого в воде кислорода из атмосферы и образование его путем фотосинтеза сбалансированы его расходом на дыхание аэробных организмов.

Воды озер весьма разнообразны по своему химическому составу. При этом содержание водного гумуса может колебаться от 1 до 150 мг/л. Содержание гуминовых и фульвокислот в озерных водах оценивают по показателю цветности. Следует отметить биологическое загрязнение озер и весьма частую их эвтрофикацию. Растворенное и взвешенное органическое вещество природных вод является основным регулятором метаболизма водных экосистем. При исследовании состава микрофлоры озер обнаружены представители всех основных групп микроорганизмов, обеспечивающих круговорот азота, углерода, фосфора и других элементов.

По водному балансу озера подразделяются на бессточные, сточные и с перемежающимся стоком:

– бессточные озера не имеют ни поверхностного, ни подземного стока, и потеря воды происходит только при испарении;

– сточные озера теряют воду за счет поверхностного и подземного стока. Среди сточных озер выделяются проточные, сток у которых составляет значительную долю объема водной массы. В них наблюдаются течения, связанные с режимом впадающих и вытекающих рек;

– озера с перемежающимся стоком занимают промежуточное положение между обеими группами. Сток воды из этих озер происходит только в период высоких вод, в межень вытекающие из них водотоки пересыхают.

Особенностью озерной воды является частое развитие микроскопических одноклеточных водорослей – так называемое цветение, способное в значительной мере ухудшить органолептические свойства воды и придать ей аллергенные свойства.

Питьевая водоподготовка озерных вод с учетом их специфики требует применения более сложных технологий.

Водохранилище – искусственный водоем, созданный для накопления и последующего использования воды, в том числе для орошения земель, водоснабжения населенных мест и промышленных предприятий, улучшения судоходных условий и проч.

Система водохранилищ на реке называется каскадом. С помощью водохранилищ регулируют речной водный сток для гидроэнергетики с целью предотвращения наводнений. Водохранилища используют также для организации рыбного хозяйства, водного транспорта, рекреации (отдыха людей), водного спорта.

Водохранилище состоит из трех основных частей: озерной, озерно-речной и речной.

• Озерная часть – это зона водохранилища, примыкающая к плотине и простирающаяся вверх по течению на значительное расстояние (70–150 км) от створа. Она наиболее глубоководна при любых уровнях воды, скорость течения незначительна, волнение наибольшее по сравнению с другими частями водохранилища.

• Озерно-речная часть – средняя зона водохранилища. При сработке ниже нормального уровня она характеризуется незначительными глубинами на пойме. Судоходство осуществляется только по судоходным трассам. Наблюдается сильное волнение, а также течение воды по направлению главного русла реки.

• Речная часть даже при высоких уровнях представляет собой мелкий водоем. Волнение слабое, скорость течения значительна. При низких уровнях вода входит в меженное русло реки.

Типы водохранилищ различают по способу заполнения водой:

• запрудные – их заполняет вода водотока, на котором они расположены;

• наливные – заполняются водой рядом расположенного водотока или водоема. К наливным водохранилищам относятся, например, водохранилища гидроаккумулирующих электростанций.

Форма водохранилища определяется характером заполненного водой понижения земной поверхности. Котловинные водохранилища обычно имеют озеровидную форму, долинные – вытянутую.

По степени регулирования речного стока водохранилища бывают:

• многолетнего регулирования;

• сезонного регулирования;

• суточного регулирования.

К основным характеристикам водохранилища относятся площадь его поверхности (зеркало), объем воды и амплитуда колебания уровней воды в условиях его эксплуатации.

Гидрогеологический режим водохранилищ регулируется исходя из хозяйственных потребностей. По степени регулирования речного стока водохранилища могут быть многолетнего, сезонного, недельного и суточного регулирования. Характер регулирования стока определяется назначением водохранилища и соотношением полезного объема водохранилища и величины стока воды реки.

Любое водохранилище рассчитывается на накопление некоторого объема воды в период наполнения и на сброс этого же объема в период его сработки. Накопление нужного объема воды сопровождается повышением уровня до некоторой оптимальной величины. Такой уровень обычно достигается к концу периода наполнения, может поддерживаться плотиной в течение длительного времени. Предельно возможным снижением уровня воды в водохранилище является достижение уровня мертвого объема, сработка объема воды ниже которого технически невозможна.

Сооружение водохранилищ привело к увеличению объема вод суши приблизительно на 6,6 тыс. км3 и к замедлению водообмена приблизительно в 4–5 раз. Наиболее сильно замедлился водообмен в речных системах Азии (в 14 раз) и Европы (в 7 раз). После сооружения каскада водохранилищ водообмен в бассейнах рек Волги и Днепра замедлился в 7–11 раз.

Давая несомненный положительный экономический эффект, водохранилища нередко вызывают и весьма неоднозначные экологические последствия.

Расход стока воды водохранилищ на хозяйственные нужды и потери на испарение с его поверхности ведут к увеличению концентрации органических примесей в водоеме. В то же время водохранилища служат мощными поглотителями биогенных и загрязняющих веществ благодаря процессам их разложения и осаждения. Однако это положительное воздействие водохранилищ на качество воды возможно лишь при правильном режиме их эксплуатации, при условии ограничения антропогенной нагрузки на качество воды и проведения природоохранных мероприятий. В некоторых случаях требуется и реконструкция самого водохранилища.

Водохранилища изменяют микроклиматические условия, почвенно-растительный покров на подтопленных землях и на сопредельной территории. Нередко ухудшается качество воды вследствие возникновения в некоторые периоды года дефицита кислорода в придонных слоях, накопления солей и биогенных веществ, цветения воды.

Вода водохранилищ обычно характеризуется малой мутностью, высокой цветностью и окисляемостью, наличием планктона в теплое время года, низкой минерализацией и малой жесткостью. Эти особенности затрудняют ее очистку для питьевых нужд.

В период таяния снега вода в реках, озерах и водохранилищах имеет более низкую минерализацию, чем в период, когда большая часть питания осуществляется за счет грунтовых и подземных вод. Это обстоятельство используют при регулировании наполнения водохранилищ и сброса из них воды. Как правило, водохранилища наполняют в период весеннего половодья, когда приточная вода имеет меньшую минерализацию.

То есть при эксплуатации водохранилищ необходимо проведение экологического прогноза.

Приблизительно 95 % объема всех водохранилищ мира сосредоточено в крупных искусственных водоемах с полным объемом более 0,1 км3. В настоящее время таких водохранилищ более 3 тыс. Большинство из них расположены в Азии и Северной Америке, а также в Европе.

В России насчитывается более 100 крупных водохранилищ с объемом более 0,1 км3 каждое. Их суммарные полезный объем и площадь равны, соответственно, около 350 км3 и более 100 тыс. км2. Всего же в России более 2 тыс. водохранилищ.

Самые большие по площади водохранилища в мире (без учета подпруженных озер) – это Вольта в Гане на реке Вольте, Куйбышевское в России на реке Волге, Братское в России на реке Ангаре, Насер (Садд-эль-Аали) в Египте на реке Нил. Самый большой полезный объем (без учета подпруженных озер) имеют водохранилища Вольта, Насер, Братское, Кариба (на реке Замбези в Замбии и Зимбабве).

Общая площадь всех водохранилищ мира – более 400 тыс. км2, а с учетом подпруженных озер – 600 тыс. км2. Суммарный полный объем водохранилищ достиг почти 6,6 тыс. км3. Многие реки земного шара – Волга, Миссури, Колорадо, и другие – превращены в каскады водохранилищ. Через 30–50 лет водохранилищами будет зарегулировано 2/3 речных систем земного шара [21].

Дождевая вода также является источником питьевого водоснабжения.

По сравнению с другими частями гидросферы содержащаяся в воздухе вода составляет очень небольшую долю – всего 0,001 %. Но значение этой части велико. Водяной пар участвует в образовании парникового эффекта, в поглощении и дифракции солнечного излучения. Путешествуя с воздушными потоками, вода переносится во все уголки Земли.

Вода быстрее переходит в газообразное состояние с поверхности пресных водоемов, чем с поверхности соленых. Рыхлая почва, лишенная капилляров, испаряет меньше влаги, чем плотная; больше всего воды атмосфера получает с глинистой почвы.

Нагретый, обогащенный водяным паром приземный воздух поднимается с поверхности земли. В верхних слоях тропосферы температура его понижается, и содержание водяного пара становится предельно возможным (воздух достигает точки росы). Тогда происходит конденсация и образование облаков.

В районах, где отсутствуют поверхностные или подземные воды, в периоды дождей собирают дождевую воду.

Относительно ее питьевых качеств мнения разнятся, однако большинство исследователей не рекомендуют использовать дождевую воду для питья или приготовления еды.

Испарение влаги происходит с земной поверхности, которая в наше время обильно загрязнена стоками и вредными выбросами промышленных предприятий. Загрязнена и водная среда, и атмосфера, в которой формируются дождевые облака. В воздух выбрасываются многотонные массы токсичных веществ различными объектами промышленности, воздушным и автомобильным транспортом. По этой причине вода, испаряясь, не очищается, а наоборот, обогащается вредными для человека химическими соединениями, в том числе сероуглеродом, аммиаком и проч. А заодно и ядохимикатами, и пестицидами.

Миллиарды тонн воды в облаках собирают все загрязнения атмосферы, включая выхлопные газы самолетов, и направляют их с осадками на земную поверхность. По современным оценкам, на больших высотах выхлопные газы авиационных двигателей увеличивают естественный фон SO2 на 20 % и более.

Кроме того, отмечено, что продукты сгорания авиационного топлива, которые ежедневно выбрасываются в воздух, задерживаются в слоях атмосферы на срок до двух лет. А во время взлета, посадки и прогрева двигателя самолета в атмосферу выбрасывается самое большое количество вредных примесей – углеводородных соединений и оксида углерода. В случае же попадания воздушного судна в чрезвычайную ситуацию самолет должен слить в воздухе оставшееся топливо.

Самым опасным фактором, влияющим на окружающую среду, считается то, что при осуществлении полета в стратосфере (в ее нижних слоях) двигатель самолета выделяет оксиды азота, а это приводит к окислению озоносферы, которая защищает нашу планету от радиации.

Выбросы так называемых ультрадисперсных частиц, которые во много тысяч раз меньше толщины человеческого волоса, способны навредить здоровью. Концентрация этих веществ способствует развитию у людей болезней дыхательной системы, сердца, сосудов и проч.

Дождевые капли по пути собирают всевозможные химические загрязнения, частички экскрементов животных и птиц и другие загрязнения, которые в виде мельчайших частиц могут находиться в воздухе. И при этом дождевая вода, наоборот, не содержит некоторые нужные для человека микроэлементы, остающиеся на земле в процессе ее испарения. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) в 2011 году отметила, что отсутствие кальция и магния в дистиллированной воде может негативно сказаться на здоровье людей, которые не получают эти минералы из других источников.

Таким образом, считают, что дождевая вода пригодна для принятия душа или полива, но пить ее можно только после тщательной очистки. Более того, отмечают, что даже в экологически чистом районе употребление дождевой воды в качестве питья нежелательно.

Родниковая вода по своим физико-химическим свойствам имеет большие отличия от дождевой, поэтому и дождевая, и опресненная, и дистиллированная вода отличаются худшим вкусом.

Врачи часто ссылаются на великого Авиценну, который еще в средние века рекомендовал дождевую воду доводить до кипения. Древний ученый утверждал, что пользу может приносить только вода, взятая из природных источников, она «наполнена естественной силой», и только она может утолять жажду.