Вода столь насущный ресурс, что было бы бессмысленно пытаться установить ее денежную стоимость; она является самым ценным из всех наших ресурсов. Чтобы выжить, человеку требуется по крайней мере 1,4 л воды в день. Наше тело почти на 70 % (по массе) состоит из воды. Почвам необходима вода для поддержания жизни растений. Без гидросферы не было бы жизни на Земле.
Распределение воды в гидросфере. (По данным Геологической службы США.)
Большая часть воды заключена в минералах земной коры, однако ресурсы мы вынуждены черпать из свободной воды гидросферы. Общее количество воды в гидросфере оценивается в 1,36∙109 км3, или 1,35∙1021 л, но распределена она очень неравномерно: 97,2 % сосредоточены в океане, а другие 2,15 % заключены в полярных ледяных шапках и ледниках. Остальные 0,65 % воды в гидросфере составляют ту часть, на которую мы в настоящее время можем рассчитывать. Вода быстро была бы израсходована, если бы ни хорошо известный ее круговорот в природе. Цикл испарения под действием солнечного тепла плюс транспирация, сменяемые конденсацией и атмосферными осадками, обеспечивают постоянный запас воды и делают ее возобновляемым ресурсом. Следовательно, вопросы о наличии и потреблении воды мало связаны с общими запасами, а зависят в основном от местного ее распределения и местных норм потребления. Некоторые области хорошо обеспечены водой, другие же бедны ею. Ресурсы воды, более чем любой другой фактор, определяют предельную численность населения региона.
Гидросфера и гидрологический цикл. (Поданным A. L. Bloom, The Surface of the Earth, Prentice-Hall, 1969.)
Распределение атмосферных осадков
Осадки распределены по земной поверхности крайне неравномерно. Пояс обильных дождей приурочен к экватору, к которому с флангов примыкают два пустынных или засушливых пояса. В Соединенных Штатах, где имеется большая информация о гидрологическом цикле, в среднем в виде дождя и снега ежегодно выпадает 5,88∙1015 л воды. Выпадение атмосферных осадков очень неравномерно: их количество изменяется в 20 раз и более при пересечении больших провинций. Лучшим примером такой неравномерности распределения осадков по районам, является тот факт, что на территорию США восточнее реки Миссисипи приходятся 65 % суммарных осадков (исключая Аляску и Гавайи), в то время как на территорию западнее Миссисипи — только 35 %.
Помимо географической неравномерности в распределении осадков отмечается и неравномерность их выпадения во времени. Сезонные колебания здесь очевидны, но и в количестве осадков существуют большие флуктуации, связанные с долговременными и до сих пор необъяснимыми циклами погоды. Вода является возобновляемым ресурсом, но скорость возобновления не является ни постоянной, ни единой для различных регионов. Следовательно, чтобы эффективно использовать и распределять имеющуюся в наличии воду, требуются системы хранения воды и средства ее подведения. Строительство плотин, водохранилищ и распределительных систем невозможно без минеральных и материальных ресурсов — цемента, труб, насосов и вентилей, что служит наглядным примером множественной зависимости использования одного ресурса от наличия других ресурсов.
Испарение и транспирация
Вода испаряется с любой увлажненной поверхности. Значительная часть дождя, выпадающего на сушу, таким образом возвращается в атмосферу. Кроме того, вода поглощается корневой системой растений, поднимается по стволам и ветвям в виде сока, а затем удаляется с поверхности листьев в результате процессов, во многом идентичных испарению. Два явления — испарение и транспирацию — невозможно разделить по эффективности возвращения дождевой воды в атмосферу, однако можно оценить их суммарный вклад, который принято называть фактором испарения и транспирации. Например, часть дождя, выпадающего над США, которая возвращается в атмосферу в результате испарения и транспирации, равна 70 %. Для Земли в целом — приблизительно 62 %. В таких засушливых странах, как Австралия, эта доля больше, а в менее засушливых, таких, как Великобритания, — меньше. Воду, возвращающуюся в атмосферу в результате испарения и транспирации, практически нельзя использовать, если не считать, что полезные растения можно выращивать вместо бесполезных. Эту воду нелегко удержать и использовать для промышленных и других целей, пока она вновь не выпадет в виде дождя.
В районах с низким количеством атмосферных осадков растительный покров развивается так, что все осадки используются на испарение и транспирацию, и ничего не остается для стока в ручьи и реки. Сезонные дожди смягчают категоричность этого утверждения, поскольку в периоды проливных дождей потоки возникают даже в самых сухих областях. В общем случае, как только уровень испарения и транспирации, обусловленной мощным растительным покровом, превысит количество атмосферных осадков, водные потоки прекращают свое существование. И наоборот, если уровень испарения и транспирации ниже уровня количества осадков, возникают водные потоки.
Если уровень атмосферных осадков превышает уровень испарения и транспирации, то образуется постоянный водный поток, который относится к поддающейся использованию доли дождя и снега. Доступная для использования вода — это та доля атмосферных осадков, которую можно хранить и распределять, т. е., другими словами, вода, подвластная воздействию человека. В масштабах Соединенных Штатов Америки доступная для использования часть воды составляет примерно 30 % суммарных осадков, или приблизительно 1,77∙1015 л/год. Почти вся восточная половина США плюс небольшой район на северо-западном побережье Тихого океана испытывают избыточное увлажнение, тогда как большая часть страны к западу от Миссисипи страдает от недостатка воды. Значительная часть этой территории относится к засушливым и полузасушливым районам.
Грунтовые воды
Лишь атмосферные осадки являются «вечным» запасом воды, доступным на длительную перспективу, однако существует и очень важный временный ее резервуар. Все разновидности воды, присутствующие в недрах Земли, обычно называются подземными водами. Это — один из наших наиболее важных водных ресурсов, к сожалению, он восполняется часто настолько медленно, что забор воды в больших количествах может вызвать серьезное локальное истощение подземных вод. В некоторых областях действительно скорость возобновления настолько медленная, что подземные воды должны рассматриваться как невозобновляемый ресурс. Подземные воды обычно делятся на три взаимосвязанные массы воды: грунтовые, вадозные и почвенные воды. Ниже уровня поверхности суши существует зона, где все пористые и кавернозные породы насыщены водой. Это грунтовые воды. Верхняя поверхность зоны насыщения называется водным зеркалом, которое может выходить на дневную поверхность, например в озерах или реках, или может находиться в сотнях метров ниже ее, но существует оно почти всегда. Вода ниже водного зеркала, просачиваясь через породы, медленно течет в сторону морей или внутренних бассейнов. Таким образом, подземную воду можно рассматривать как большую и очень медленную реку. Время нахождения грунтовых вод в подземных условиях, определяемое как время, необходимое чтобы достигнуть моря, колеблется в пределах нескольких суток — сотен тысяч лет. Водное зеркало не является горизонтальным. Из-за различий в сопротивлении, оказываемом горными породами течению грунтовых вод, оно имеет тенденцию, с одной стороны, быть неправильной формы, а с другой — отражать топографию лежащей над ним поверхности Земли.
Взаимосвязь между подземными водами, водным зеркалом и топографией.
Над водным зеркалом располагается ненасыщенная область вадозных вод. Зона почвенных вод (почвенной влаги) лежит близко к поверхности, где обильны корни растений. Почвенная влага не перемещается ни вверх, ни вниз, а удерживается на поверхности минеральных зерен. Несколько глубже, но еще в ненасыщенной зоне, вадозная вода медленно просачивается вниз, где она соединяется с грунтовыми водами. Вадозные воды в отличие от грунтовых не могут рассматриваться в качестве ресурсов, но именно эти воды призваны пополнять — исключительно медленно — воду, забираемую из зоны грунтовых вод.
Количество подземных вод огромно: согласно оценке, оно в 3000 раз больше объема воды во всех реках в любой момент времени. Чтобы перечислить главные проблемы, связанные с грунтовыми водами, достаточно трех пальцев. Во-первых, там, где пористость горных пород низкая, а проницаемость незначительная, забор воды скважинами происходит чрезвычайно медленно, и поэтому подавать ее можно только малыми порциями. Для адекватного извлечения воды, таким образом, требуются соответствующие пористость и проницаемость пласта напорных вод. Во-вторых, пополнение вод происходит очень медленно, потому что подавляющая часть атмосферных осадков стекает в реки. Подсчитано, например, что если откачать всю воду в США до глубины 750 м, то понадобится примерно 150 лет, чтобы «перезарядить» ресурсы грунтовых вод. Естественно, что для одних областей на это потребовалось бы больше времени, чем для других. Вопросы скорости возобновления подземных вод исключительно важны, так как приблизительно 70 % всей воды, используемой сегодня в США, приходятся на подземные воды. Это справедливо даже для хорошо обводненных территорий восточной части страны. Во многих городах подземная вода сначала закачивается в поверхностные резервуары, после чего ее направляют по водопроводу потребителям. Если скорость подачи воды скважинами выше скорости ее пополнения, то грунтовые воды существенно истощаются. Это острая проблема сегодняшнего дня в районах засушливого юго-запада США, где вода подавалась из недр для орошения со скоростью, превышающей в 100 раз скорость ее восполнения. Если забор воды полностью прекратился бы, то потребовалось бы 100 лет и более, прежде чем восстановилась израсходованная вода. Аналогичные проблемы (иногда даже с большими периодами возобновления запасов вод) возникают во многих засушливых районах земного шара.
И наконец, существует проблема качества грунтовых вод. Когда вода просачивается через горные породы, происходит растворение их более растворимых составляющих. Количество растворенного вещества колеблется в зависимости от объема породы, глубины нахождения воды, скорости ее течения и других факторов. В общем случае вода, содержащая более 0,05 % (500 частей на миллион) растворенных солей, непригодна для использования человеком. Если в воде содержится более 0,2 % солей, то ее применение практически исключается. Лишь в некоторых сугубо специфических целях могут использоваться воды с содержанием около 1 % солей. Значительная территория США подстилается горными породами, которые достаточно пористы и проницаемы, чтобы служить водоносным горизонтом, обеспечивающим подачу в скважины воды хорошего качества со скоростью истечения 190 л/мин и более. Разумное освоение и использование этих ресурсов в настоящее время представляют предмет работ большого числа способных ученых и инженеров.
Нормы потребления и запасы воды
В 1965 г. гидрогеолог в докладной записке правительственному ведомству США утверждал, что «…во всех районах [США] или уже возникли, или возникнут проблемы водоснабжения. Даже хорошо обводненные восточные и южные штаты уже испытывают беспокойство по этому поводу, которое на засушливом западе проявлялось с момента его заселения. По мере того как развитие промышленности и урбанизация продвигаются на восток, становится очевидным, что нехватка воды может задержать наше развитие, если не принять мер, гарантирующих надежное водоснабжение». Действительность подтверждает, насколько это заявление справедливо. Аналогичные выводы можно сделать для многих районов земного шара. Малые и крупные города, например в штате Коннектикут, которых раньше не касались проблемы водоснабжения, с недавних пор вынуждены ограничивать потребление воды.
Существующее ныне использование атмосферных осадков в США показано на рисунке. Приблизительно 8 % дождевых осадков, выпадающих в США и дающих до 0,42∙1015 л воды, забираются для нужд промышленности, орошения и городского водоснабжения. Конечно, не вся вода потребляется в единичном цикле применения. Вода, используемая для охлаждения промышленных установок, например, может возвращаться в реки и использоваться повторно. Однако вода мелиоративных систем в большей своей части уходит на испарение и транспирацию и, следовательно, теряется. Подсчитано, что 25 % всей воды, потребляемой сейчас в США, используются именно таким образом и теряются для дальнейшего использования.
Распределение и использование ежегодных осадков в Соединенных Штатах. (По данным A. Wolman, Water Resources, Pub. 1000-B, Committee on Natural Research Council, Washington, D. C, 1962.)
Принимая в расчет долю потребляемой воды и рост населения в будущем, специалисты подсчитали, что к 2000-у году использование воды в США может достичь объема, эквивалентного 81 % всего речного стока. Значительная часть потребляемой воды будет поступать из грунтовых вод, тем не менее очевидно, что везде, где это только возможно, необходимы разумное управление водными ресурсами и многократное их использование.
Речной сток изменяется во времени, однако наши потребности в воде редко совпадают с циклом стока. Мы вынуждены строить плотины, водохранилища и распределяющие системы, для того чтобы излишки стока, возникшие в полноводные сезоны, могли сохраняться и служить запасом в засушливые сезоны. Поступая так, мы создаем большие открытые резервуары и озера, из-за чего неизбежно растут потери от испарения. Хотя эксперты расходятся во мнениях, существует оптимистическое утверждение, что не менее 90 % речного стока может быть использовано. Эта оценка, основанная на предположении, что будут преодолены все инженерные трудности и разрешены все политические проблемы, близка к предсказанным потребностям в воде в 2000-м году.
Атмосферные осадки, речные потоки и подземные воды относятся к категории «запасов», а океаны и полярные ледяные шапки — к потенциальным ресурсам, но использование как тех, так и других весьма проблематично. Морская вода должна быть обессолена (другими словами, избавлена от солей), а полярный лед, хотя и представляет собой пресную воду, должен быть каким-то образом доставлен к местам потребления. Уже действуют многие заводы по обессоливанию морской воды, работающие на принципах дистилляции, однако затраты на их строительство и необходимые энергетические мощности делают обессоленную воду очень дорогой — 20—40 центов за 1000 л. Это по меньшей мере в 10 раз больше стоимости воды из самых дорогих резервуарных систем, используемых для ирригации. Пресная вода, полученная дистилляцией, стоит почти столько же, сколько вода, доставляемая в наши дома системами городского водоснабжения. Использование же полярного льда пока даже не испытано. Согласно проекту, разработанному в 1960-х годах, предполагалось отбуксировать айсберг толщиной 250 м при ширине и длине 3000 м от Антарктиды к засушливому западному берегу Австралии. Стоимость такой транспортировки оценивалась в 1 млн. долл. Если бы айсберг был упакован в пластиковый мешок, предупреждающий плавление льда и смешение пресной воды с морской, то 790∙109 л воды можно было бы доставить за конкурентоспособную цену для орошения.
Одноразовое использование воды и ее повторное вовлечение в различные циклы связаны с проблемой загрязнения, которая не существует для других видов ресурсов. Все проекты и дискуссии по использованию воды подразумевают, что вода всегда имеет соответствующую чистоту. Серьезность проблемы загрязнения воды самоочевидна. По мере возрастания доли воды, забираемой из реки, становится все менее возможным осуществлять сброс загрязненных сточных вод в русло той же реки, так как даже небольшое количество отработавших вод может загрязнить всю реку и сделать ее непригодной для водоснабжения. Перед растущим населением планеты проблема водных запасов встанет довольно скоро. В высшей степени безрассудно пытаться решать эту проблему без контроля над загрязнением воды — это значит расточать наш самый ценный природный ресурс. Пока мы еще не очень прислушиваемся к советам экспертов. Сегодня в мире более миллиарда человек регулярно пьют воду, не отвечающую санитарным нормам, и по крайней мере половина из них в результате этого болеют. Неудивительно, что из-за загрязненной воды ежегодно умирают до 10 млн. человек (согласно оценкам). Многие проблемы водоснабжения особенно остро стоят в развивающихся странах. Более того, проблемы будут множиться до тех пор, пока правительства всех стран не уделят им самого пристального внимания.