Проект "Совершенствование технологии использования скрытых источников пресной воды как решение проблемы дефицита водных ресурсов"

Выполнила:
Попова Н.,
ученица 10 класса

Руководитель:
Долгова М.С.

Введение

22 марта 2020 года во многих странах мира в том числе и в России будет отмечаться Всемирный день водных ресурсов. Данное событие учредила Генеральная Ассамблея ООН в 1993 году с целью обратить внимание всех стран на необходимость рационального использования пресной воды, как источника всего живого на Земле.

Проблемы дефицита пресной воды в мире связаны, как с результатами изменения климата, так и с деятельностью человека. Рост населения Земли, увеличение потребления ресурсов и уничтожение природных экосистем привели к тому, что к началу XXI века вода питьевого и технического назначения стала одним из наиболее существенных видов ресурсов, необходимых не только для глобального экономического роста, но даже для простого выживания человечества. По прогнозам некоторых ученых, к середине XXI века пресная вода, а не нефть станет главным стратегическим ресурсом на земле.

Актуальность темы исследовательской работы «Совершенствование технологии использования скрытых источников пресной воды, как решение проблемы дефицита водных ресурсов», определена позицией ООН, выраженной в Докладе 2019 года, в рамках программы по оценке водных ресурсов осуществляемой под патронажем ЮНЕСКО. Как следует из оценки материалов доклада - одной из первоочередных государственных проблем, независимо от экономического потенциала любой страны, является политика рационального использования природных ресурсов.

Целью исследования является экономия пресной воды путем совершенствования технологии использования её скрытых источников в водоресурсном потенциале России.

Для достижения поставленной цели, необходимо выполнение следующих задач:

• Рассмотреть актуальность проблемы дефицита водных ресурсов.
• Рассмотреть водоресурсный потенциал России с целью изыскания скрытых источников пресной воды.
• Провести исследования в целесообразности применения технологий использования скрытых источников пресной воды.

Объектом исследования является проблема дефицита водных ресурсов.

Предметом исследования является совершенствование технологии использования скрытых источников пресной воды.

Гипотеза работы заключается в том, что применение усовершенствованных технологий использования объемов воды, образующихся в результате выпадения атмосферных осадков, а также ежегодного критического подъема уровня воды в реках, вызванного таянием снега, повышением уровня грунтовых вод или сильных дождей, способствует экономии пресной воды.

В целях раскрытия обозначенной темы работы, достижения цели и проверки гипотезы использовались следующие методы:

• Общенаучные (сбор и анализ литературы по проблеме исследования, обобщение, классификация информации, экономические расчеты);
• Эмпирические (описание, сравнение, материальное моделирование).

Часть 1. Теоретическая

Глава 1. Проблема дефицита водных ресурсов

1.1. Вода, что это такое и зачем она нужна.

Затронув тему экономии пресной воды, необходимо вспомнить, а что собственно собой представляет вода и зачем она нужна. Из школьной программы нам уже известно, что Вода (оксид водорода) - бинарное неорганическое соединение, химическая формула Н₂O. Как известно, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, соединенных между собой ковалентной связью. При нормальных условиях представляет собой прозрачную жидкость, не имеет цвета (в малом объёме), запаха и вкуса. Вода - это единственное из природных веществ, которое может одновременно существовать в трёх состояниях: жидком, твёрдом и газообразном.

Без воды не возможна жизнь на нашей планете. Без нее ни один человек не может прожить даже недели. Примерно ¾ поверхности планеты занимают реки, моря, океаны и другие водоемы. Тело взрослого человека примерно на 70% состоит из нее.

До сегодняшнего дня ни на одной другой планете не было найдено доказательств существования жизни. Земля - единственная из планет, вращающихся вокруг Солнца, на которой существует жизнь в известной нам форме. Даже в Божественном Писании говорится, что «Бог… создавший Землю, образовал ее для жительства» (Исаия 45:18).

Воды на Земле много, по оценкам ученых более двух третей поверхности планеты покрыты ею. Общий объем ее составляет внушительную цифру в 1386 миллиона кубических километров. Беда не в количестве, а в качестве. Запасы пресной воды во всем мире - это только сороковая часть общей ее массы (примерно 35 миллионов куб. км), все остальное для питья и использования в разных секторах потребления (аграрном, промышленном, бытовом) непригодно из-за высокого содержания поваренной соли (HCl) и других примесей. Следует учесть, что только сотая часть всех запасов считается легкодоступной. Весь остальной объем требует серьезных трудовых и материальных затрат на добычу, очистку и доставку потребителю.

Человек использует пресную воду для различных целей. Больше всего пресной воды используется в сельском хозяйстве. В основном она используется для полива, а также снабжения птиц и скота. Только на разведение десяти тысяч коров может понадобиться 600 кубометров воды. На возделывание риса в среднем уходит 2400 л, на виноград - 600 л, а на картофель - 200 литров. Часть воды для полива полей и плантаций приходит естественным путем в виде атмосферных осадков. Там, где климат более засушливый, на помощь приходят оросительные системы.

Большие объемы воды расходуются в промышленности. Для производства 1 т стали необходимо не менее 250 т воды, а при производстве 1 т бумаги - около 236 тыс. т. Здесь во многом пригождается её свойство растворять различные вещества. Её используют для получения азотистой, уксусной, соляной кислот, оснований, спирта, аммиак и т.д. Ежегодно с пресных озер и рек изымается более 1000 кубических километров сырья в производственных целях.

Ещё одна область применения воды - энергетика. На тепловых и электрических станциях вода используется для охлаждения турбин, а также для получения пара. Только для производства одного гигаватта электричества тепловые станции потребляют от 30 до 40 кубических метров воды в секунду. Также вода используется как основной теплоноситель в теплосетях и теплотрассах.

Вода нужна и для тушения пожаров, она используется и как охладительная жидкость, и как изоляционная в пенном составе - не допускает к открытому огню поток воздуха. В медицине её употребляют для лечебных ванн, компрессов, обтираний, добавляют в состав препаратов. Вода используется для нужд спорта (плавание, водное поло, гребля, хоккей, керлинг, фигурное катание и другие.) и в индустрии здорового отдыха (баня, сауна, аквапарк, бассейн).

В повседневной жизни на бытовые нужды в среднем в крупных городах на одного человека идет не менее 360 л в сутки. Сюда входит использование водопроводной воды для питья и приготовления пищи, умывания и стирки, на полив улиц, мытье автотранспорта. Наполняя ванну до половины, мы расходуем около 150 л воды, принимая душ, - 50 л; разовый смыв в туалете - 8-10 л; одна стирка в стиральной машине требует около 80 л; во время мытья посуды за 3 минуты из крана выливается свыше 10 л воды. Из неплотно закрытого крана по капле за сутки вытекает до 80 л воды!

Таким образом, мы выяснили, что вода это природное вещество, роль которого в жизни человека неоценима.

1.2. Водные ресурсы.

Поверхность земли, которую занимают океаны, моря, реки, озера, водяной пар атмосферы, подземные воды, льды - называют гидросферой (водной оболочкой). Водные ресурсы характеризуются вековыми запасами и возобновляемыми ресурсами. К вековым естественным запасам пресных вод суши относят воды, единовременно находящиеся в озерах, реках, ледниках, а также в водоносных слоях подземных пород (подземные воды). К возобновляемым водным ресурсам относятся те воды, которые ежегодно возобновляются в процессе круговорота воды на Земле (см.Приложение п.1).

Таким образом, водные ресурсы - это все запасы воды на планете. Общий объем гидросферы поражает своим количеством, однако, только 2% от этой цифры составляет пресная вода, более того, доступны для использования всего 0,3%.

Водные ресурсы - это важная часть природных ресурсов в целом. Природные (естественные) ресурсы - это компоненты окружающей среды, используемые в процессе общественного производства и для удовлетворения материальных и культурных потребностей общества. Назначение водных ресурсов - поддержать жизнедеятельность человека, растений и животных. Учеными были подсчитаны ресурсы пресной воды, которые необходимы всему человечеству, животным и растениям. Оказывается, что запас водных ресурсов на планете - это только 2,5% воды нужного объема.

Водные ресурсы Земли состоят из:

• вод поверхностного типа (океаны, моря, озера, реки, болота) - самый ценный источник пресной воды, но все дело в том, что данные объекты распределены по поверхности Земли достаточно неравномерно. Так, в экваториальном поясе, а также в северной части умеренного пояса вода находиться в переизбытке (25 тыс. м³ в год на одного человека). А тропические континенты, что состоят из 1/3 суши, очень остро ощущают дефицит водных запасов. Исходя из такой ситуации, сельское хозяйство у них развивается только при условии искусственного орошения;
• подземных вод;
• водоемов созданных искусственно человеком;
• ледников и снежников (замерзшая вода ледников Антарктиды, Арктики и снежные вершины гор). Здесь содержится самая большая часть пресной воды. Однако эти запасы практически недоступны для использования. Если все ледники распределить по Земле, то этот лед укроет землю шаром высотой 53 см, а растопив его - мы тем самым поднимаем уровень Мирового океана на 64 метра;
• влаги, что содержится в растениях и животных;
• парообразном состоянии атмосферы.

1.3. Дефицит водных ресурсов.

Еще сравнительно недавно вода, как и воздух, считалась одним из бесплатных даров природы, только в районах искусственного орошения она всегда имела высокую цену. В последнее время отношение к водным ресурсам суши изменилось. Это объясняется тем, что ресурсы пресной воды составляют лишь 2,5% общего объема гидросферы. В абсолютном исчислении это огромная величина (30-35 млн м³), которая превышает нынешние потребности человечества более чем в 10 тыс. раз! Однако подавляющая часть пресных вод как бы законсервирована в ледниках Антарктиды, Гренландии, во льдах Арктики, в горных ледниках и образует своего рода "неприкосновенный запас", пока еще не доступный для использования.

Водные ресурсы суши распределены следующим образом:

• 96,5% - соленые воды Мирового океана;
• 1% - соленые подземные воды;
• 2,5% - ресурсы пресной воды.

Пресная вода:

• 68,7 - ледники;
• 30,9% - подземные воды.

Данные таблицы (см.Приложение п.2) позволяют сделать интересные выводы. Видно, что наибольшими ресурсами пресной воды обладает Азия, а наименьшими - Австралия и Океания, тогда как по удельной обеспеченности ими они меняются своими местами. Все дело в численности населения, которое в Азии уже достигло 3,7 млрд. человек, а в Австралии едва превышает 30 млн. Если сбросить со счетов Австралию, то наиболее обеспеченным пресной водой регионом мира окажется Южная Америка. И не случайно, ведь именно здесь находится Амазонка - самая полноводная река мира.

Еще больше различаются по запасам и обеспеченности пресной водой отдельные страны (см.Приложение п.3). В ней также показатель ресурсов не совпадает с показателем удельной обеспеченности, причем в каждом отдельном случае такое различие можно объяснить. Например, в Китае и Индии - огромное население, следовательно, - низкая обеспеченность на душу населения. Но в мире есть и еще менее обеспеченные пресной водой страны, где на душу населения приходится менее 1 тыс. м³ воды (т.е. такое количество, которое житель крупного европейского или американского города потребляет примерно за двое суток). Наиболее яркие примеры подобного рода можно найти в присахарской части Африки (Алжир - 520 м³, Тунис - 440 м³, Ливия - 110 м³) и в районе Аравийского полуострова (Саудовская Аравия - 250 м³, Кувейт - 100 м³).

Эти отдельные примеры интересны тем, что позволяют сделать важные выводы. По подсчетам ООН, уже сейчас более 1,2 млрд. людей живут в условиях постоянной нехватки пресной воды, около 2 млрд. страдают от нее регулярно (в засушливые сезоны и т.п.). По прогнозам, к середине третьего десятилетия XXI века численность людей, живущих при постоянном дефиците воды, превысит 4 млрд. человек. Подобные сценарии представляются весьма правдивыми. Ситуация по мере увеличения промышленных потребностей в воде и ускорения глобальных изменений климата, ведущих к опустыниванию и глобальному потеплению, будет только усугубляться. Недостаток воды вскоре может привести к развитию и ухудшению уже существующих глобальных проблем. А когда дефицит перейдёт определённый порог, и люди наконец поймут всю ценность пресных ресурсов, можно ожидать политической нестабильности, вооружённых конфликтов между государствами и дальнейшего возрастания количества проблем в развитии экономик стран мира. На сегодняшний день существуют политические решения, направленные на сокращение потерь воды, совершенствование методов управления водными ресурсами и уменьшение потребностей населения в ней. Во многих странах уже приняты законы по сохранению и рациональному использованию питьевых ресурсов, однако, эти реформы все еще не дают ощутимых результатов.

Глава 2. Источники пресной воды в водоресурсном потенциале России

2.1. Водный фонд Российской Федерации. Общая характеристика.

Понятие водного фонда отражено в п. 6 ст. 1 Водного кодекса Российской Федерации и представляет собой совокупность водных объектов в пределах территории государства. Водным объектом является природный или искусственный водоем, водоток либо иной объект, постоянное или временное сосредоточение вод, имеющие характерные формы и признаки водного режима.

Россия, занимая 1/6 всей земной суши с протяженностью 60 тыс. км водного побережья, омывается водами 12 морей, принадлежащих бассейнам Северного Ледовитого, Тихого и Атлантического океанов, а также внутриматерикового Каспийского моря, отличается обилием природных вод, хорошо развитой речной сетью и системой озер (см. Приложение п.4-5). На территории России насчитывается свыше 2,5 млн больших и малых рек, более 2,7 млн озер, сотни тысяч болот и других объектов водного фонда. В целом под водой (без болот) занято 72,2 млн га, из них 27,4 млн га (38,0%) включены в состав земель водного фонда, остальные земли под водой распределены между другими категориями. Значительная их доля приходится на лесной фонд, земли сельскохозяйственного назначения и земли запаса. Водный фонд по федеральным округам Российской Федерации представлен в таблице (см.Приложение п.6).

2.2. Водные ресурсы Российской Федерации.

Для исследования водных ресурсов нашей страны я использовала материалы ежегодного Государственного доклада о состоянии и использовании водных ресурсов Российской Федерации, подготовленный Министерством природных ресурсов и экологии Российской Федерации и опубликованный на официальном сайте Федерального агентства водных ресурсов& 23 декабря 2019 года.

Общий объём статических водных ресурсов России оценивается приблизительно в 88,9 тыс. км³ пресной воды, из них значительная часть сосредоточена в подземных водах, озёрах и ледниках. Среднемноголетние возобновляемые водные ресурсы по новым современным данным оцениваются в 4258,6 км³ /год, из которых основная масса сформирована на территории страны, а чуть более 200 - это приток с сопредельных территорий. В указанные величины, естественно, включаются и подземные воды, дренируемые речными системами. Представление о суммарной величине поверхностных и подземных вод России, а также ориентировочных периодах их возобновления дает таблица (см.Приложение п.7). Из таблицы следует, что наиболее быстро возобновляются запасы в руслах рек. При этом доля рек (их статических водных ресурсов) России от мирового уровня составляет более 20%, пресноводных озер - около 30%, болот и переувлажненных территорий - свыше одной четверти. Запасы подземных вод составляют менее 1% мирового объема. Запасы воды в многолетней мерзлоте и подземных льдах в России по имеющимся авторитетным оценкам несколько превышают 5% мирового объема. Вода в российских ледниках занимает менее 0,1% от общемировой величины этой группы водных ресурсов (подавляющая часть ледников сконцентрирована в Антарктиде и Гренландии). Среднее многолетнее значение речного стока на территории России находится на уровне порядка 4,2-4,3 тыс. км³ в год (10% мирового речного стока, второе место в мире после Бразилии). В расчете на душу населения в нашей стране приходится около 30 тыс. м³ речного стока в год. Среднемноголетний (возобновляющийся) сток из озер превышает 530 км³ /год. Примерно 3 тыс. км³ /год воды, сконцентрированной в болотах, обеспечивают ежегодный сток (расход) порядка 1000 км³ . На территории страны на 01.01.2019 г. разведано 18067 месторождений (участков) подземных вод, из которых 12209 находятся в эксплуатации. Общее количество оцененных запасов подземных вод пригодных для хозяйственно-питьевого, производственно-технического и сельскохозяйственного водоснабжения, орошения земель и обводнения пастбищ составляет 82119 тыс. м³ /сут. Прогнозные ресурсы подземных вод по данным Государственного мониторинга состояния недр оцениваются почти в 317 км³ /год. Большое количество пресной воды сосредоточено в подземных льдах и многолетней мерзлоте, оценивающийся приблизительно в 16 тыс. км³. Еще 15 тыс. км³ воды сконцентрировано в ледниках. Таким образом, Россия стабильно входит в группу стран мира, наиболее обеспеченных водными ресурсами, как по общим запасам, так и в расчете на 1 жителя. Однако, располагая столь значительными водными ресурсами и используя ежегодно в среднем не более 2% речного стока, Россия в целом ряде регионов испытывает дефицит в воде. И главная причина в этом - крайне неравномерное распределение водных ресурсов по территории страны, которые не согласуются с потребностями в них, очень большой их временной изменчивостью (особенно в южных районах), высокой степенью загрязнения. Например, по величине местных водных ресурсов Южный ФО и Дальневосточный ФО различаются более чем в 10 раз (таблица 1.3). Очень хорошо обеспечены водными ресурсами Дальневосточный и Сибирский ФО, несколько менее - Уральский и Северо-Западный; ограниченные водные ресурсы имеют наиболее густонаселенные округа - Приволжский, Центральный, Крымский и Северо-Кавказский. Наибольшие суммарные водные ресурсы имеют Красноярский край и Республика Саха (Якутия) (соответственно 930 и 881 км³ /год), наименьшие - Республики Крым, Калмыкия, Ингушетия, Белгородская, Курганская и Курская области: соответственно 1,0; 1,1; 1,7; 2,7; 3,5 и 3,8 км³ /год. Около 15 субъектов Российской Федерации имеют водные ресурсы меньше 10 км³/год. Один из природных факторов - неравномерное распределение стока по территории: 84% ресурсов поверхностных вод приходится на бассейны Северного Ледовитого (3030 км³/год) и Тихого океанов (950 км³ /год). В них впадают крупнейшие реки: Енисей, Лена, Обь и Амур, которые дают 44% объема стока всех рек. На Южные и Юго-западные районы (бассейны Черного и Азовского морей, Арало-Каспийская низменность), где сосредоточено 75% населения и 80% промышленности и сельскохозяйственного производства, приходится всего 750 км³ , или 16% ресурсов поверхностных вод. На европейской территории страны сток рек южного склона (Волга, Урал, Днепр, Дон, Кубань, Кура, Терек и др.) составляет 605 км³, или 50% от речного стока этой части России. Другим природным фактором, вызывающим возникновение водных проблем, является неравномерное распределение стока по сезонам года. На большинстве рек Европейской части России, Западной и Восточной Сибири, а также Дальнего Востока свыше 2/3 стока проходит за 2-3 месяца весеннего половодья. Значительны колебания речного стока в бассейнах отдельных рек от года к году. Это особенно сильно сказывается в засушливых районах страны, где сток рек в маловодные годы может составлять всего 3-4% от стока в средний по водности год и 1% от стока в многоводный год. Кроме того, как многоводные, так и маловодные годы имеют тенденцию группироваться, то есть повторяются несколько лет подряд. И если многоводные годы обычно бывают в течение 2-3 лет, то маловодные нередко следуют друг за другом в течение 6-7 лет, а в отдельных случаях маловодья наблюдались на протяжении 15-20 лет.

За последние годы водные проблемы существенно обострились в связи с антропогенными изменениями речного стока и бесхозяйственностью. В наиболее обжитых районах страны не осталось крупных рек, не нарушенных хозяйственной деятельностью, причем как на водосборах, так и в руслах самих рек.

В своем недавнем интервью ТАСС спецпредставитель президента России по вопросам природоохранной деятельности Сергей Иванов, говоря о том, что большинство регионов мира испытывают дефицит чистой пресной воды, сказал: «Слава богу, в России воды много. У нас только два региона испытывают проблемы с водоснабжением - Крым и Калмыкия. Дефицит чистой воды не относится к острым актуальным проблемам. Более того, периодически ведутся разговоры о том, чтобы поставлять пресную воду из России в другие страны. Так, СМИ писали, что намерение покупать байкальскую воду высказывал Китай». Также, Сергей Иванов высказал определенную уверенность в том, что «когда-нибудь Россия будет экспортировать пресную воду в больших объемах».

См. продолжение статьи