Объем пресной воды в гидросфере, водный цикл

объемы и запасы пресных водных ресурсов в гидросфере

Совокупность всех водных объектов, расположенных на земном шаре, называют гидросферой. Гидросфера занимает большую часть земной поверхности. Землю не случайно называют «голубой планетой». Если посмотреть на спутниковые снимки можно заметить, что большая часть планеты действительно имеет такой цвет. Это объясняется просто – более 70% поверхности земного шара – это воды Мирового океана.

• моря
• океаны
• реки
• озера
• водохранилища
• подземные воды
• болота
• ледники
• атмосферные воды
• ледники
• снежные покровы

Наибольшую массу воды содержит Мировой океан. Его воды занимают 361 миллиона квадратных километров, а объем составляет примерно 1,34 миллиарда кубических километров. В большинстве естественных водоемов планеты вода соленая. По результатам исследований доля пресной воды в гидросфере составляет всего 2,5-3% от общего количества воды. При этом почти 90% пресной воды содержится в ледниках.

Пресной считается вода, в химическом составе которой уровень соли не превышает 0,1%. При этом не имеет значения, в каком состоянии она находится – жидком, парообразном или замороженном. Такая вода находится в естественных водоемах – реках, озерах, подземных водах.

Таблица 1 — Запасы пресной воды (в кубических километрах)

Свойства и характеристики пресной воды

Качество воды зависит от ее органолептики, жесткости и кислотности.

Жесткость бывает устранимой и неустранимой, карбонатной и некарбонатной. Запах воды также может быть разным – например, хлористым или нефтяным. Существует даже специальная пятибалльная шкала для определения силы запаха пресной воды. Разным может быть и вкус. Он может быть горьким, сладким, кислым и соленым. Для определения уровня мутности и оценки цвета используется специальная 14-балльная шкала.

На качество воды влияет несколько факторов:

• Экологические особенности территории
• Геологические условия местности
• Особенности климата (в частности, количество и частота выпадения осадков)

Существует и классификация воды, которая разделяет ее на обычную и минеральную. В рамках каждой из этих групп пресная вода значительно отличается по химическому составу. Данная классификация используется только для воды естественного происхождения. Качество пресной воды, помимо всего перечисленного, также определяет содержание кислорода. Естественно, пресная вода в природе не обладает идеальной чистотой. Финское озеро Пяйянне и российский Байкал – примеры водоемов с практически идеально чистой водой. Пяйянне, например, обеспечивает питьевой водой миллион жителей Хельсинки. Но перед этим вода, кажущаяся кристально чистой, все равно проходит несколько этапов очистки.

Запасы пресной воды распределены по планете крайне неравномерно. Так, в Азии и Европе (где живет 70% населения планеты), находится всего 39% запасов пресной воды. 20% мировых запасов пресной воды содержится в озере Байкал, расположенном на территории России. Самая чистая питьевая вода на планете — в Финляндии. Там же, кстати, продается самая дорогая питьевая вода, ее цена 90 долларов за 1 литр.

Роль пресной воды в жизни человека

Согласно исследованиям, проведенным ООН более 1,2 миллиарда жителей нашей планеты живут в условиях нехватки пресной воды. Также известно, что к середине текущего века эта цифра вырастет до 4 миллиардов человек. В условиях постоянного загрязнения источников пресной воды, освоением территорий, ростом численности населения планеты перед людьми стоит задача по получению пресной воды искусственным способом. Существуют следующие способы опреснения воды:

• Использование аккумуляторов холода (как искусственных, так и естественных) для конденсации пара.
• Опреснение соленой воды (в том числе и солнечное).
• Использование глубинной массы воды для конденсации водяных паров из воздуха.

Солнечное опреснение — технология, изобретенная в середине 50-х годов прошлого века, но не получившая широкого применения. Однако в начале 21 века в связи с истощением запасов артезианских вод и постоянно растущим уровнем загрязнения используемых источников пресной воды технологией вновь заинтересовались специалисты.

Интересные и полезные сведения о пресной воде:

• Избыток пресной воды приходится на северную часть умеренного пояса и экваториальный пояс;
• Тропические пояса занимают примерно одну треть суши, испытывают постоянный дефицит пресной воды;
• В древние времена человек потреблял около 18 литров воды в сутки
• На сегодняшний день в развитых странах суточный расход воды — 300 литров (примерно, на одного человека);
• Уже сейчас некоторые страны транспортируют чистую пресную воду из других стран (Нидерланды, Сингапур, Саудовская Аравия);
• В 48 странах мира люди не имеют доступа к достаточному количеству чистой питьевой воды.
• За всю жизнь человек выпивает около 35 тонн воды.

Только за последние сто лет потребление пресной воды увеличилось более чем вдвое. И сегодня в большинстве стран наличие чистой воды уже не считается чем-то обыденным, бесплатным, всегда доступным даром природы. Но запасы воды быстро истощаются, и к 2025 году дефицит в ней будут испытывать до пяти с половиной миллиардов миллиарда человек. Если ситуация будет развиваться с подобной негативной динамикой, уже через 10-15 лет ситуация может стать катастрофической. Но есть и страны, которым дефицит воды в ближайшее время не грозит, так как их запасов хватит, как минимум, еще на несколько сотен лет. Но даже в этих странах процесс возобновления происходит медленнее, чем процесс расходовании, что ведет к постепенному истощению запасов.

Распределение запасов воды по странам

Всемирная комиссия по воде подсчитала, что одному человеку для питья, личной гигиены и приготовления пищи, в среднем, требуется около 50 литров воды. Но, как известно, в некоторых странах расход воды составляет гораздо больше. Однако даже страны с огромными запасами пресной воды сегодня склоняются к тому, что использовать ее необходимо в режиме экономии. Наиболее крупными запасами чистой пресной воды обладают около 30 стран. Рассмотрим первую десятку.

Безусловным лидером является Бразилия. В этой стране запас водных ресурсов составляет 8233,00 кубических километров.

Второе место в этом списке занимает Россия с запасом 4 508,00. 80% всех запасов воды в России находится в озере Байкал.

На третьем месте Соединенные Штаты Америки. На их территории находится 3 069,00 кубических километров чистой питьевой воды.

Канада занимает четвертую позицию – 2902,00 кубических километров.

На остальных местах — Китай, Колумбия, Евросоюз, Индонезия, Перу и Конго.

Всего в списке 173 страны. Замыкают список Кувейт и Сент-Китс и Невис. Их запасы – всего 0,02 кубических километра.

Притом, что потребность в воде постоянно увеличивается, ее запасы резко сокращаются. Только за последние четыре десятилетия количество воды (из расчета на одного человека) сократилось почти на 60%. Таким образом, количество воды становится все меньше, а потребность в ней постоянно увеличивается.

Гидросфера Земли

Гидросфера Земли – это все воды Земли, находящиеся в любом агрегатном состоянии – твердом, жидком и газообразном.

Впервые этот термин употребил геолог из Австрии Эдуард Зюсс, автор известной трилогии «Лик Земли», написанной в 1883-1909 гг. Именно он определил гидросферу как прерывистую оболочку Земли, расположенную между атмосферой и литосферой.

Общая характеристика гидросферы Земли

Более 70% поверхности земли покрыто водой. Общий объем гидросферы составляет около полутора миллиардов кубических километров, из которых более 95% приходится на Мировой океан.

Гидросфера находится в тесном взаимодействии с другими геосферами. Большинство осадочных горных пород образуется на стыке гидросферы и литосферы. Заселенная живыми существами гидросфера является также частью биосферы.

Обладая высокой теплопроводностью, гидросфера играет важнейшую роль в обеспечении температурного баланса планеты, передавая тепло из ее недр к периферии.

Границы гидросферы Земли

В настоящее время в понятие гидросферы включается не только пространство между атмосферой и литосферой. Этот термин приобрел куда более широкое значение и теперь его границы определяются пределами распространения воды как химического соединения.

Таким образом, верхней границей гидросферы является высота 8-18 км, где молекулы воды начинают разлагаться под воздействием ультрафиолетового излучения. Нижней же границей принято считать глубину 6-14 км ниже земной поверхности и 10 км ниже океанского дна. Именно на этой глубине под воздействием высоких температур происходит разложение и синтез воды.

Химический состав гидросферы Земли

Вода природных водоемов представляет собой раствор солей различной концентрации. Так как основным составным элементом гидросферы является Мировой океан, то и средний химический состав его близок к морской воде. Но если рассматривать каждый элемент гидросферы отдельно, то выявляется большая разнородность его химического состава.

Больше всего в составе морской воды содержится кислорода – около 85,7%. Далее по убыванию – водород H (10.8%), хлор Cl (1,98%) и натрий Na (1.03%). В количественном выражении верхние слои океана содержат более 140 трлн тонн углекислого газа и 8 трлн тонн кислорода. Вообще, в океане содержатся все известные элементы, но концентрация их очень низкая. Вместе с тем, общее их содержание в воде огромно и исчисляется миллионами-миллиардами тонн. Например, золота содержится 6 млн тонн, а серебра – 5 миллиардов. Уже запатентованы способы извлечения этих металлов из океанической воды.

В среднем в морской воде концентрация солей составляет 35 г/л. Интересной особенностью морской воды является постоянство соотношения между главными компонентами основного солевого состава воды.

Химический состав атмосферных вод не отличаются высоким содержанием солей. Их концентрация в среднем составляет 50 мг/л.

Химический состав подземных вод наиболее разнообразен. Концентрация солей здесь варьируется от 0,05 до 400 г/кг.

Не менее разнообразен и химический состав поверхностных и грунтовых вод, во многом он определяется климатической зоной. Но немаловажное значение имеют и состав пород, почвы и растительности.

Химический состав поверхностных вод классифицируется по нескольким показателям. Приведем пример классификации по гидрохимическому показателю.

• 1. Содержание макрокомпонентов – основных соединений, содержащихся в воде. А именно соединений калия, натрия, магния и кальция.
• 2. Уровень концентрации в воде растворенных газов – кислорода, азота, сероводорода, аммиака и метана.
• 3. Неорганические формы биогенных элементов — продуктов жизнедеятельности организмов. К ним относятся в основном неорганические соединения азота и фосфора. Биогенных элементов в воде может содержаться от нуля до десяти мг/л.
• 4. Органические формы биогенных элементов. Именно они отвечают за цвет и запах воды. В эту группу входят практически все классы органических соединений.
• 5. Микроэлементы, т.е. все известные металлы. Их содержание в природной воде очень незначительно.
• 6. Бактерии и микроорганизмы.

В составе поверхностных вод содержатся и нерастворимые вещества – песок, глина, илистые вещества, карбонаты, гидрокарбонаты, сульфаты, хлориды, гумус, планктон и др. Их содержание варьируется от нескольких штук до десятков тысяч на один литр воды, а размеры – от грубодисперсных до коллоидных.

В результате деятельности человека в составе природных вод появились также и токсичные загрязняющие вещества. К ним относятся тяжелые металлы, нефтепродукты, хлорорганические соединения, фенолы и др.

Части гидросферы Земли

Гидросфера включает в себя атмосферную, поверхностную и подземную воды. Каждая из этих групп делится на подгруппы. Количественное соотношение видов вод гидросферы приведено в таблице 1.

Примечание : Уважаемые посетители, дефисы в длинных словах в таблице поставлены для удобства мобильных пользователей — иначе слова не переносятся и таблица не помещается в экран. Спасибо за понимание!

Таблица 1. Части гидросферы Земли

Гидросфера. Водные ресурсы Земли. Количество пресной воды, пригодной для использования

Водные ресурсы Земли. Количество пресной воды, пригодной для использования. Водопотребление: сельскохозяйственное, промышленное и бытовое (питьевое). Деградация природных вод. Процессы самоочищения водоемов.

Основные источники загрязнения природных вод. Классификация и основные характеристики сточных вод. Система ПДС (предельно допустимых сбросов) загрязняющих веществ в водоемы.

Средства защиты гидросферы. Классификация и методы очистки сточных вод (механические, физико-химические, химические и биологические). Их применение и эффективность. Создание водооборотных циклов как основной путь снижения потребления воды питьевого качества в промышленности.

Гидросфера – это водная оболочка Земли, представляющая собой совокупность океанов, морей, озер, рек, прудов, болот, подземных вод. Гидросфера – самая тонкая оболочка нашей планеты, она составляет лишь 10 -3 % общей массы планеты, при этом общая площадь морей и океанов в 2,5 раза превышает территорию суши. Количество пресной воды составляет всего 2,5% всей воды на планете. Ее запасы распределены крайне неравномерно: 72,2% – льды, 22,4% – грунтовые воды, 0,35% – атмосфера, 5,05% – устойчивый сток рек и вода озер. На долю воды, которую мы можем использовать приходится всего 0,01% всей пресной воды на Земле.

В верхней части земной коры на разной глубине под почвой находятся обширные запасы подземных вод. Пресные воды, как правило, залегают до глубины 150-200 м, ниже они переходят в солоноватые и рассолы. Объем подземных пресных вод примерно в 100 раз больше, чем объем поверхностных пресных вод, содержащихся в озерах, реках и болотах.

Вода – единственная природная жидкость, имеющаяся на поверхности Земли в огромном количестве. Она находится не только в гидросфере, но и в атмосфере, и в литосфере. Это единственное вещество на Земле, существующее в природе во всех трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном.

По количеству солей вода делится на: пресную (менее 1 г/л солей), засоленную (до 25 г/л солей) и соленую (более 25 г/л солей). Например, в океане – 35 г/л, в обычной пресной воде – 300-450 мг/л.

Среди насущных проблем человечества проблема воды стоит на первом месте. Больше всего воды потребляется сельским хозяйством. Вода идет на мелиорацию, обслуживание животноводческих комплексов. Хозяйственная деятельность человека привела к заметному сокращению количества воды в водоемах суши: мелеют водоемы, исчезают малые реки, высыхают колодцы, снижается уровень грунтовых вод.

Деградация природных вод связана в первую очередь с увеличением солесодержания. Количество минеральных солей в водах постоянно растет. Основная причина засоленности вод – истребление лесов, распашка степей, выпас скота. Вода при этом не задерживается в почве, не увлажняет ее, не пополняет почвенные источники, а скатывается через реки в море. В качестве мер, принятых для снижения засоленности рек, используется посадка лесов. Воды, используемые в мелиорации, в результате неправильной распашки земель также могут оказаться в реках. Ее минерализация при этом достигает 20 г/л. Огромный вклад в засоление воды вносит сброс промышленных стоков.

Наблюдается постоянный рост водопотребления как на производственные, так и на бытовые нужды.

Водоемы представляют собой сложную экосистему, которая создавалась в течение длительного времени. В них непрерывно протекает процесс изменения состава примесей, приближающийся к состоянию равновесия. Значительные отклонения от состояния равновесия могут привести к гибели популяций водных организмов и, в дальнейшем, к гибели всей экосистемы. Процессы, связанные с возвращением экосистемы к первоначальному состоянию, называются процессами самоочищения. К ним относятся:

– осаждение грубодисперсных и коагуляция коллоидных примесей;

– окисление (минерализация) органических примесей;

– окисление минеральных примесей кислородом;

– нейтрализация кислот и оснований за счет буферной емкости воды водоема;

– гидролиз солей тяжелых металлов, приводящий к образованию малорастворимых гидроксидов и выделению их из раствора и др.

Загрязнение водных систем представляет большую опасность, чем загрязнение атмосферы по следующим причинам:

– процессы регенерации или самоочищения протекают в водной среде гораздо медленнее, чем в воздухе;

– источники загрязнения водоемов более разнообразны;

– естественные процессы, осуществляющиеся в водной среде и подвергающиеся действию загрязнений, более чувствительны сами по себе и имеют большее значение для обеспечения жизни на Земле, чем те, которые протекают в атмосфере.

Основными источниками загрязнения поверхностных и подземных природных вод являются:

– предприятия черной и цветной металлургии;

– легкая промышленность, особенно текстильное производство и процессы дубления кожи.

– городские (преимущественно – бытовые) сточные воды – это вода из кухонь, туалетных комнат, душевых, бань, столовых, прачечных;

– целлюлознобумажная и лесохимическая промышленность.

В зависимости от условий образования сточные воды делятся на три группы:

1) атмосферные воды (или ливневые), несущие массы вымываемых из воздуха загрязнителей промышленного происхождения. При стекании по склонам атмосферные и талые воды дополнительно увлекают с собой массы веществ. Особенно опасны стоки с городских улиц, промышленных площадок, несущие массы нефтепродуктов, мусора, фенола, кислот.

2) бытовые сточные воды, включающие преимущественно стоки, содержащие фекалии, детергенты, микроорганизмы, в том числе патогенные;

3) промышленные сточные воды – жидкие отходы, которые возникают при добыче и переработке сырья. Являются наиболее опасными отходами, т.к. содержат целый спектр вредных веществ – ксенобиотиков.

Для снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду сточные воды (как бытовые так и промышленные) подвергаются очистке.

В настоящее время существует большое количество методов очистки сточных вод и различные виды их классификации. В соответствии с видами процессов, реализуемых при очистке, принято все существующие методы классифицировать на четыре группы: механические, физико-химические, химические и биологические.

Механическая очистка сточных вод применяется для удаления из стоков твердых и жидких нерастворимых примесей.

Основными процессами механической очистки являются:

1) процеживание сточной воды на решетках и сетках для выделения крупных кусков примесей и посторонних предметов;

2) улавливание в песколовках тяжелых примесей, проходящих через решетки и сетки;

3) отстаивание для удаления нерастворяющихся тонущих и плавающих органических и неорганических веществ, не задерживаемых решетками и песколовками;

4) удаление твердых взвешенных частиц инерционными методами в гидроциклонах и центрифугах;

5) фильтрование через различные фильтры для задержки тонкодисперсных взвесей.

Тот или иной процесс механической очистки или комбинацию их применяют в зависимости от свойств примесей и необходимой степени их выделения.

Физико-химические методы играют значительную роль при очистке ПСВ, применяются как самостоятельно, так и в сочетании с механическими, химическими и биологическими методами. Эти методы используются для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных частиц (твердых и жидких), растворимых газов, минеральных и органических веществ.

К физико-химическим методам относятся коагуляция, флокуляция, флотация, ионный обмен, гиперфильтрация и электрохимические методы.

Коагуляция – это слипание частиц коллоидной системы при их столкновении в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ, т.е. частиц размером 1-100 мкм. Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влиянием химических и физических процессов.

Сущность флокуляции заключается в агрегации частиц, при которой контакт частиц происходит через молекулы адсорбированного на частицах флокулянта. Флокуляцию проводят для интенсификации процесса коагуляции.

Флотация – это процесс выделения мелкодисперсных загрязнений из воды с диспергированными пузырьками воздуха. Флотация применяется для удаления из СВ нефти, нефтепродуктов, масел, волокнистых материалов, ПАВ-ов. Принцип флотации заключается в том, что диспергированные в суспензии пузырьки воздуха прилипают к частицам взвеси и всплывают вместе с ними на поверхность жидкости, образуя на ней пену, которая может быть далее удалена различными методами. Выделяют следующие методы флотационной обработки ПСВ: флотация с выделением воздуха из раствора; флотация с механическим диспергированием воздуха; флотация с подачей воздуха через пористые материалы; электрофлотация; химическая флотация.

Ионный обмен – процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы – ионитами. Ионообменную очистку реализуют последовательным фильтрованием сточной воды через катиониты и аниониты.

Гиперфильтрация (обратный осмос) – непрерывный процесс молекулярного разделения растворов путем их фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны, задерживающие молекулы или ионы растворенного вещества. Используются полимерные мембраны в виде пленки, вода после очистки может быть возвращена в оборотную систему водоснабжения, а концентрат подлежит дальнейшей утилизации.

Существует четыре основных электрохимических метода для очистки сточных вод:

– электролиз сточных вод (СВ) с использованием растворимых железных или алюминиевых электродов – анодов (электрокоагуляция);

– удаление растворимых примесей с использованием анодного окисления и катодного восстановления;

– электролиз с использованием полупроницаемых мембран (электродиализ);

Все эти процессы протекают на электродах при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока. Основной недостаток – большой расход электроэнергии, а достоинство – возможность извлечения из СВ ценных продуктов при относительно простой автоматизированной технологической схеме очистки, без использования химических реагентов.

Основными методами химической очистки СВ являются нейтрализация, окисление и восстановление. Ее применяют как метод глубокой очистки ПСВ с целью их дезинфекции, обесцвечивания или извлечения различных компонентов. Способы нейтрализации: взаимная нейтрализация кислых и щелочных СВ; нейтрализация реагентами (растворы кислот, негашеная известь СаО, гашеная известь Са(ОН)₂, кальцинированная сода NaCO₃, аммиачная вода и др.); фильтрование через нейтрализующие материалы (известняк, доломит, мел, магнезит); В результате нейтрализации активная реакция водной среды приближается к рН=7. Выбор метода нейтрализации определяется различными факторами.

Окислительный метод очистки СВ применяется для их обезвреживания, при содержании в них таких соединений, как цианиды, сероводород, сульфиды, соединения мышьяка и др. Для очистки СВ используют следующие окислители: газообразный и сжиженный хлор, диоксид хлора, хлорат кальция, гипохлориты кальция и натрия, перманганат калия, бихромат калия, пероксид водорода, кислород воздуха, озон и т.д. В процессе окисления загрязнения, содержащиеся в СВ, в результате химических реакций переходят в менее токсичные и удаляются из воды. Очистка окислителями связана с большим расходом реагентов, поэтому ее применяют только в случаях, когда нецелесообразно или нельзя извлечь загрязняющие вещества другими методами.

Метод восстановления основан на восстановлении легко восстанавливаемых веществ – соединений ртути, хрома, мышьяка. В качестве восстановителей могут быть использованы активированный уголь, сульфат закисного железа, бисульфат натрия (используется наиболее часто на практике), водород.

Биологическая очистка СВ применяется для выделения из них тонкодисперсных и растворенных органических веществ и основана на способности микроорганизмов использовать содержащиеся в сточных водах органические вещества (кислоты, спирты, белки, углеводы и т.п.) (в качестве пищи). Процесс реализуется как в аэробных, так и в анаэробных условиях (т.е. без доступа кислорода).

Создание водооборотных циклов является одним из главных направлений охраны и рационального использования водных ресурсов. В этих циклах осуществляется многократное использование воды без выбросов загрязненных стоков в водоемы, а расход свежей воды связан лишь с естественной ее убылью (испарение, брызгоунос). В настоящее время доля оборотного водопотребления в промышленности составляет 86 %.

В настоящее время применяют три основные схемы водооборотных циклов. При этом вся вода в процессе производства может только нагреваться, либо только загрязняться или нагреваться и загрязняться одновременно. В первом случае ее охлаждают только в градирне или в другом аппарате, во втором – подвергают очистке, а в третьем – очищают и охлаждают, после чего она вновь поступает в производство.

Источники:

http://terasfera.ru/harakteristiki-gidrosfery/obemy-i-zapasy-presnyh-vodnyh-resursov-v-gidrosfere
http://wonderful-planet.ru/gidrosfera/25-gidrosfera-zemli/
http://studopedia.ru/5_150103_gidrosfera.html