II. О природных пресных водах – источниках питьевого водоснабжения

«Вода – это Н₂O, то есть два атома водорода, один кислорода; но есть еще третье, превращающее эти атомы в воду, и никто не знает, что это».

Дэвид Герберт Лоренс

Наверное, академик В. И. Вернадский более остальных приблизился к разгадке секрета, приведенного в эпиграфе. Его понимание воды и ее места в мироздании – ключ к решению многих проблем, связанных с водным фактором.

«Жизнь – это особая коллоидальная водная система… особое царство природных вод».

И еще.

«Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов. Нет земного вещества – минерала, горной породы, живого тела, которое ее бы не заключало. Всё земное вещество ею проникнуто и охвачено».

(«История минералов земной коры»)

Рассматривая воду как минерал, В. И. Вернадский развивал учение о единстве вод и других минералов Земли, полагая воду единственной природной жидкостью, существующей на поверхности нашей планеты – «самым распространенным на Земле минералом, присутствующим везде и служащим мостом, связывающим биополя отдельных живых существ, как между собой, так и с неживой природой».

В. И. Вернадский полагал, что никакой другой природной жидкости, кроме воды, нет, а все остальные жидкости – это «базирующиеся на воде либо продукты жизнедеятельности растений, животных и человека, либо искусственные химические соединения, полученные человеком».

Именно в уникальном сочетании естественных природных ресурсов воды, солнечной энергии, земельных и минеральных ресурсов возможно развитие растительного и животного мира и самого человека.

Уникальность воды обусловлена особенностями структуры ее молекулы.

Молекулы воды могут быть тяжелыми – с тяжелыми изотопами водорода (дейтерий и тритий), а также тяжелого кислорода (с атомной массой 17 и 18). Даже незначительное количество более тяжелых молекул в природной воде обеспечивает ее чрезвычайное разнообразие: из возможных сорока двух сочетаний двух атомов водорода и одного атома кислорода только девять являются устойчивыми. Таким образом, вода представляет собой своего рода купаж молекул вод с различными свойствами.

Атомы кислорода в молекуле воды (не участвующие в образовании ковалентных связей) способны образовывать прочные водородные связи с соседними молекулами воды. При комнатной температуре каждая молекула воды создает временные связи с тремя-четырьмя соседними молекулами. Образуется своеобразная кристаллическая решетка, в которой существующие водородные связи постоянно разрушаются и одновременно возникают новые.

Формируются ассоциаты молекул (кластеры) воды, находящиеся в динамическом равновесии. Такая структура воды обусловливает целый ряд свойств, имеющих физиологическое значение, – бо́льшую теплоемкость, бо́льшую теплоту испарения, бо́льшую теплоту плавления.

Вода способна разрывать практически все виды молекулярных и межмолекулярных связей с образованием растворов (гидратация), что делает ее универсальным растворителем. Способная к диссоциации, вода усиливает и диссоциацию растворенных в ней веществ. Это объясняет как огромное разнообразие состава природных вод, так и способность природных вод к самоочищению.

Из-за асимметрии расположения атомов молекула воды является диполем, что определяет ее особое поведение в электромагнитных полях.

С физико-химической точки зрения природная вода представляет собой сложную дисперсную систему, в которой в качестве дисперсной среды выступает вода, а в качестве дисперсной фазы – газы, минеральные и органические вещества, живые организмы.

Эти уникальные свойства позволяет воде обеспечивать:

– жизнедеятельность клеточных структур;

– терморегуляцию организма;

– усвоение и переваривание продуктов питания;

– транспортную функцию (как для доставки кислорода и питательных веществ, так и для вывода шлаков и токсинов);

– работу суставов, опорно-двигательного аппарата;

– метаболизм в целом.

Аномальными свойствами воды обусловлена и ее роль в возникновении и поддержании жизни. Это необходимо учитывать при выборе методов питьевой водоподготовки для того, чтобы не исказить уникальную структуру и химические свойства воды.

Итак, питьевая вода:

– самый важный продукт потребления, а точнее – жизнеобеспечения,

– среда обитания человека,

– основа всех отраслей промышленности и сельского хозяйства.

Питьевая вода вездесуща: это и все продукты питания, и чай, и вино, и молоко, и… даже грудное молоко.

В таблице 1 представлен водный состав/баланс в организме человека (по данным НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысина).

Таблица 1

Объем воды в организме человека за сутки, л

Вода входит в состав всех биологических тканей и составляет 60–70 % массы тела. Вода служит составной частью крови, секретов и экскретов.

Вода содержится и в плотных тканях:

• в зубной эмали – 0,2 %,

• в костях – 22 %,

• в жировой ткани – 30 %,

• в печени – 70 %,

• в скелетных мышцах – 76 %,

• в сером веществе головного мозга – 86 %.

Физиологическая потребность человека в питьевой воде составляет 2,5–3,0 л в сутки, из которых в обычных условиях поступает ~1,0–1,5 л в сутки плюс 1,0–1,2 л в сутки дополнительно с продуктами питания.

В жарком климате и/или при тяжелой физической нагрузке потребность в воде может возрасти до 10–12 л в сутки.

Лишение воды человек переносит труднее, чем лишение пищи.

Потеря 10 % воды приводит к нарушению обмена веществ.

Потеря 20–22 % воды ведет к смерти.

Без воды человек может прожить не более 8–10 дней.

Данные интересные, но особенно обращают на себя внимание две позиции.

Первое. Вода входит в состав всех биологических тканей в количестве 60–70 % массы тела. А это означает, что все жидкости организма во многом повторяют состав питьевой воды.

Известные опыты показали тождественность ряда участков хроматограмм компонентов питьевой воды и грудного молока.

Как мы увидим далее, питьевая вода во многом повторяет состав исходных природных вод, а те, в свою очередь, – состав сбрасываемых в них сточных (очищенных сточных) вод. То есть зависимость здоровья человека от состава (свойств) питьевой воды абсолютна.

И второе. При физиологической потребности человека в питьевой воде на уровне 2,5–3,0 л в сутки в обычных условиях, в жарком климате потребность в воде может возрасти до 10–12 л в сутки. А особой проблемой (да и местом возникновения) дефицит питьевой воды является именно в жарких странах.

Совершенно очевидно, что при такой водной зависимости человека дефицит питьевой воды или ухудшение ее качества приведут к утрате здоровья населения, снижению продолжительности жизни, преждевременной смертности, особенно детской.

II.1. О распределении планетарных запасов пресной/ питьевой воды

На рис. 2 представлено распределение планетарных вод.

Как видно из диаграммы 2 а, 97 % воды на Земле представлено соленой водой мирового океана и внутренних морей. И лишь около 3 % составляют пресные воды.

При более подробном рассмотрении структуры пресных вод на диаграмме 2 б мы видим, что за вычетом ледников (68,7 %), малодоступных подземных вод (около 30 %) и разного рода «других» водных структур (менее 1 %), относительно доступные поверхностные пресные воды составляют примерно 0,3 % от первоначального трехпроцентного сектора диаграммы 2 а.

Эти данные уточняет диаграмма 2 в. Здесь за вычетом поверхностных пресных вод озер (87 %) и болот (11 %), непроточных, склонных к эвтрофированию (зарастанию) и, как правило, богатых органическими загрязнениями, остается 2 % речного стока, реально пригодного и доступного для водопользования. Но это 2 % не от мировых запасов воды, а от крошечного сектора (0,3 %) диаграммы 2 б.

Таким образом, становится понятно, что для водной расточительности у человечества никаких оснований нет.

Здесь представляется интересным рассмотреть некоторые абсолютные величины, характеризующие мировые запасы воды – нашу систему жизнеобеспечения.

Объем воды мирового океана с соленостью ~3,5 % и температурой 3,7°С составляет около 1 млрд 375 млн км³.

Поверхность (акватория) мирового океана составляет примерно 361 млн км², что в 2,4 раза больше площади территории суши (149 млн. км²) или в 21,2 больше площади территории России.

Круговорот воды обеспечивается ее испарением в объеме 525 тыс. км³ в год, в том числе:

– 86 % – испарением соленых вод Мирового океана и внутренних морей;

– 7 % – испарением вод суши;

– 7 % – транспирацией влаги растениями.

Этот природный дистиллятор питается энергией Солнца, потребляя порядка 20 % этой энергии.

Что же остается человечеству? Мы можем рассчитывать только на скорость возобновления водных ресурсов.

Например, скорость водообмена во льдах полярных зон и ледников составляет 8000 лет.

Скорость водообмена воды рек составляет примерно 10–12 суток. Это – реальные сроки. Мировой речной сток составляет примерно 37,3 тыс. км³ в год, при используемой части подземных вод около 13 тыс. км³ в год. Подземные воды – не очень надежный и прогнозируемый поставщик.

В этой связи 37,3 тыс. км³ воды в год – это то, на что может рассчитывать человечество на сегодняшний день.

На рис. 3 показано, как распределены пресноводные ресурсы по регионам мира. Как видно из рисунка, наиболее водообеспеченным континентом является Азия, далее с существенным отрывом идут Южная Америка, Северная Америка, Европа, Африка, Австралия и Океания.

Очевидно, что неравномерное распределение пресной/питьевой воды предполагает и различные экономические условия, различное качество жизни и различную способность к выживанию.

На рис. 4 представлены страны с крупнейшими запасами пресной воды.

Мы видим, что Россия занимает второе место в мире, уступая только Бразилии: 4500 тыс. км³ против 6950 тыс. км³. При этом Россия по водообеспеченности почти вдвое опережает даже страну озер – Канаду.

Здесь интересно сопоставить данные рисунков 4 и 5. Мы видим, что в пересчете запасов пресной воды на душу населения Россия остается «в клубе» водообеспеченных стран, в то время как запасы воды Китая, Индонезии и США в пересчете на душу населения несопоставимо уменьшились.

В таблице 2 представлены для справки крупнейшие реки мира с указанием среднего водостока в м³ в сутки.

Реки Земли распределены весьма неравномерно. На каждом материке можно наметить главные водоразделы – границы областей стока, поступающего в различные океаны. Главный водораздел Земли делит поверхность материков на два основных бассейна: атлантико-арктический (сток с площади которого поступает в Атлантический и Северный Ледовитый океаны) и тихоокеанский (сток поступает в Тихий и Индийский океаны). Объем стока с площади первого из этих бассейнов значительно больше, чем с площади второго.

Центральный водораздел Европейской части России, Русской равнины – Валдайская возвышенность. Из местных болот и озер берут начало главные реки Европейской России, относящиеся к бассейнам разных морей: Волга (Каспийское море), Днепр (Черное море), Западная Двина (Балтийское море).

Таблица 2

Крупнейшие реки мира

II.2. Об источниках питьевого водоснабжени

Источниками водоснабжения населенных мест и промышленных предприятий являются подземные воды, воды поверхностных водоемов и атмосферные осадки.

Несколько слов об особенностях каждого из этих источников, понятий и терминологии, с ними связанной. Это представляется интересным с точки зрения понимания специфики и уязвимости каждой из этих водных экосистем.

Подземные воды

Подземные воды – это воды, находящиеся в толщах горных пород верхней части земной коры в жидком, твердом и/или парообразном состоянии при температурах от –93 до 1200°C и давлении от нескольких единиц до 3000 МПа [18].

По мнению ученых [19], объем подземных вод составляет 60 млн км³, или 3,83 % от всего объема гидросферы.

По интенсивности водообмена подземные воды делят на зоны:

• активного водообмена: 300–500 м от поверхности земли. Время обновления вод составляет от нескольких лет до нескольких десятков лет. Здесь преобладают пресные воды с содержанием солей до 1 г/л;

• замедленного водообмена: 500–2000 м от поверхности земли. Время обновления вод исчисляется десятками и сотнями лет. Это солоноватые воды с содержанием солей от 1 до 35 г/л;

• пассивного водообмена: более 2000 м от поверхности. Время обновления вод происходит на протяжении миллионов лет. Представляют собой соленые воды, близкие к морской воде, – с солесодержанием более 35 г/л.

Среди подземных вод различают ненапорные (с верхним водонепроницаемым слоем) и напорные. К ненапорным относятся верховодка и грунтовые воды.

Верховодка, или почвенные воды, обычно залегает на глубине до 5 м, имеет малую мощность водоносного слоя, небольшие запасы и подвержена загрязнениям с поверхности земли. Верховодка отличается сезонной нестабильностью состава и резкими изменениями уровня.

Эта вода при небольшой глубине залегания занимает очень большие площади. Она пополняется при инфильтрационном просачивании дождевых вод через грунт, в ходе паводков и таяния снегов, «обогащаясь» при этом многочисленными и разнообразными примесями.

В основном именно верховодка используется для нецентрализованного водоснабжения.

Грунтовые воды, как правило, залегают на глубине 15–20 м. К грунтовым относят воды первого от поверхности земли водоносного горизонта. Они образуются в основном просачиванием через почву атмосферных осадков, а также воды рек, озер и других водоемов. Было отмечено, что даже вечная мерзлота за полярным кругом не мешает грунтовым водам подпитывать моря. Грунтовая вода образуется и распространяется обычно в одной области. В течение сезона уровни этих вод сильно различаются в зависимости от атмосферных осадков и температуры грунта.

Для забора грунтовых вод используются шахтные колодцы.

Напорные (или артезианские) и ненапорные межпластовые воды защищены сверху водонепроницаемым слоем и залегают, как правило, на глубине от 50 м и более.

Артезианские воды расположены между нижними и верхними водоупорными слоями. Их основное отличие – это отсутствие источников подпитки. Вода, находящаяся под давлением плотных слоев грунта, достигает поверхности в качестве родников.

Обычно артезианские источники залегают на глубинах от 100 до 1000 м. При этом питающий скважину источник может находиться в нескольких десятках или даже сотнях километров, ограниченный пластами водонепроницаемых слоев.

Напорные артезианские водоносные слои могут находиться под несколькими водоносными слоями. Известны артезианские скважины, подающие на поверхность воду с пятнадцатого или даже двадцатого водоносного горизонта.

Артезианские воды являются наиболее устойчивыми (не путать с нормативно чистыми) в части физико-химических свойств. Эти воды характеризуются постоянством температуры, отсутствием мутности и цветности. Химический состав артезианской воды зависит от химического состава окружающего ее геологического слоя. Все артезианские воды имеют в своем составе избыточные количества железа, марганца, фтора, магния, кальция, натрия или калия и могут давать осадок. Это вполне соответствует составу земной коры.

Какая-то особая полезность, приписываемая этой воде, или ее «сбалансированный» минеральный состав не имеют ничего общего с реальностью. Наоборот, ситуация, когда артезианская вода содержит низкие концентрации растворенных в ней загрязнителей, является скорее исключением из правил. Таким образом, обилие химических веществ в растворенном виде, зачастую в концентрациях, значительно превышающих рекомендованные значения для питьевых вод, не позволяет употреблять артезианскую воду сразу после извлечения из скважины.

Артезианская вода, соответствующая по составу растворенных веществ нормативам ВОЗ для питьевых вод, практически не встречается.

Если на состав грунтовых вод оказывают серьезное влияние осадки и паводки, загрязнение, вызванное деятельностью человека (сточные воды промышленных предприятий, смывы сельскохозяйственных удобрения и проч.), то состав глубинных грунтовых вод, разумеется, меньше подвержен изменениям. Кроме того, состав артезианской воды зависит не только от состава геологических пластов земной коры, между которыми находится данный водоносный слой, но и от времени залегания воды в этих слоях, которое может составлять миллионы лет. Но, как было отмечено выше, постоянство состава воды не означает ее доброкачественность.

При использовании артезианского источника воды в первую очередь необходимо проведение развернутого химического анализа ее состава, который не должен ограничиваться исследованием самых распространенных примесей. Только в этом случае можно получить точную картину состава воды и определить методы водоподготовки, которые позволят очистить воду до санитарных норм.

Химический состав артезианской воды не изменяется многие годы, он не зависит от климатических изменений, паводков и осадков, а запасов воды хватает обычно на пятьдесят и более лет. Поэтому подобрать систему водоподготовки при профессиональном проектировании достаточно просто. Очистить артезианскую воду по многим параметрам гораздо легче и проще, чем природную воду из открытых источников или грунтовую воду, имеющие «подвижный» состав. После профессиональной подготовки артезианская вода действительно становится чистой и даже вкусной.

Изредка среди артезианских скважин встречаются и такие, в которых уровень минерализации изначально соответствует гигиеническим требованиям, в этих случаях вода подвергается лишь удалению механических примесей.

С точки зрения природопользования артезианская вода является стратегическим запасом государства.

Преимуществом артезианской воды является практическое отсутствие микроорганизмов. На такой глубине обычно отсутствуют органические примеси – источники питания бактерий, вирусов и простейших. Как следствие отсутствует и опасность бактериального или вирусного заражения.

К поверхностным пресным водоисточникам относятся реки, озера и водохранилища.

Реки

Речные воды стекают по рельефу, подпитываясь водой от таяния снега и льда, водой подземных источников и атмосферными осадками, то есть поверхностным и подземным стоком их бассейна.