Яков Леопольдович Хромченко
О питьевой воде
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
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.
II.3. О загрязнениях природных пресных водоисточников
Даже самая тщательная оценка запасов пресных вод может оказаться недостоверной, если не учитывать характер и степень их загрязнений.
Ежегодно в поверхностные водные объекты России сбрасывается до 52 км3 сточных вод, из которых примерно 63 % составляют сбросы промышленных предприятий и 25 % – сбросы бытовых сточных вод. Общий ущерб от загрязнения природных водных объектов для населения и отраслей экономики оценивается в 70 млрд рублей в год.
Объем водоотведения (канализования) составляет в среднем 65 % от объема забора воды из природных водоисточников. Мощность очистных сооружений покрывает потребность в очистке сточных вод, но тем не менее до нормативного уровня очищается только 10 % стоков. Это объясняется тем, что очистка часто осуществляется по традиционным схемам и на устаревшем технологическом оборудовании, методы очистки не соответствуют категории сбрасываемых сточных вод, многие сооружения не имеют узлов доочистки и проч.
Таким образом, при рассмотрении источников загрязнения природных водоемов, к первичным следует отнести антропогенные (греч. άνθρωπος – «человек»; лат. antropos; anthropos) загрязнения, то есть загрязнения, возникающие в результате биологического существования и/или хозяйственной деятельности человека, в том числе:
✓ сброс неочищенных сточных вод, как бытовых, так и производственных;
✓ смыв с почв (в случае смыва с почв сельхозугодий в природные водоемы могут поступать химические удобрения, ядохимикаты и проч.);
✓ проникновение загрязняющих веществ из подземных вод (нефтепродукты, ионы металлов, радионуклиды и т. д.);
✓ попадание из атмосферы. С атмосферными осадками в природные водоемы часто поступают оксиды серы и азота, присутствующие в заводских выбросах и вызывающие закисление почвы. При этом восстановленный азот усиливает эвтрофикацию водоемов.
В результате могут резко изменяться:
• физические свойства воды:
– температура, прозрачность, окраска;
– появляются привкусы и запахи;
– на поверхности водоемов возникают плавающие субстанции;
– на дне водоемов образуется осадок;
• химический состав воды:
– увеличивается содержание органических и неорганических примесей, в том числе появляются (образуются) токсичные вещества;
– уменьшается содержание кислорода;
– изменяется рН среды и проч.;
• качественный и количественный бактериальный состав:
– появляются болезнетворные микроорганизмы.
Кроме того, в настоящее время часто имеет место:
• радиоактивное загрязнение воды, источниками которого можно считать:
– испытания ядерного оружия;
– сбросы радиоактивных отходов;
– крупные аварии (судов с атомными реакторами, ЧАЭС);
– захоронения на дне океанов и морей радиоактивных отходов.
Так, в частности, французские и английские атомные заводы заразили значительную часть Северной Атлантики, а три отечественных атомных подземных реактора, а также производство Красноярск-26, засорили реку Енисей, откуда R-загрязнения транспортируются прямо в океан.
Идет загрязнение мировых вод радионуклидами. В особенности сильным загрязнениям подвергаются акватории арктических морей, в том числе самыми опасными радионуклидами: цезий-137, церий-144, стронций-90, ниобий-95, иттрий-91. Все они обладают высокой биоаккумулирующей способностью, переходят по пищевым цепочкам и концентрируются в морских организмах.
Сбросы в океан превращают его в мертвый. Необходимы экстраординарные и неотложные меры по его спасению. Следует помнить, что океан – это главное богатство человечества, его биологические и минеральные ресурсы.
Кроме перечисленного можно еще выделить такой значимый загрязнитель, как электроэнергетика – крупнейший потребитель пресной и морской воды.
В частности, водохранилища, возникшие в результате сооружения плотин ГЭС, обусловливают:
– затопление земель и населенных пунктов;
– засоление или заболачивание почв;
– развитие новых видов водной флоры и фауны и проч.
Таким образом, под воздействием указанных факторов природные воды нередко становятся непригодными для питьевого, а иногда для рекреационного или даже технического водопользования, теряют рыбохозяйственное значение.
Загрязняющие вещества природных вод создают весьма устойчивые структуры, сильно осложняя очистку воды, периодически делая ее невозможной (по крайней мере, за вменяемые средства).
Что касается химических загрязняющих веществ, то ошибочно рассматривать эти примеси в воде как механические включения. Например, как гречку, попавшую в манку, легко разделяемые на ситах. В одной телевизионной рекламе разноцветные кубики, шарики и пирамидки, символизирующие загрязнения воды, стремительно проносились через условный фильтр, полностью задерживаясь на нем. Очень наглядно, но не очень верно.
Как мы обсуждали, вода, даже в чистом виде, представляет собой ассоциаты (кластеры, агрегаты) молекул, увязанные в полужесткую структуру, которая удерживается различными, в основном водородными связями.
Химические загрязняющие вещества не пребывают в воде «в свободном полете», а вступают с ассоциатами воды в сложные взаимодействия с образованием всевозможных гидратов и аквакомплексов. И свойства этих аквакомплексов уже достаточно далеки от первоначальных свойств исходных примесей, взятых в чистом виде.
В свою очередь, примеси воды многосложно взаимодействуют друг с другом, а с учетом высокой реакционной и каталитической активности воды, мы в конечном счете имеем дело с различными продуктами трансформации и превращения первоначальных загрязняющих веществ.
Воду, таким образом, следует рассматривать как весьма сложную и стабильную систему.
Дополнительную устойчивость этой системе придает наличие в природной воде различных буферных систем – карбонатной, фосфатной, гуматной и проч.
Известный опыт наглядно иллюстрирует, что такое устойчивая система.
Был взят 1 л мочи человека. В результате ее испарения остался сухой остаток. Предполагалось, что так же, в обратном порядке, растворив этот сухой остаток в одном литре воды, можно перевести его назад в истинный раствор. В результате для полного растворения этого осадка потребовалось целых 15(!) литров воды.
Не менее устойчивой внутренней структурой обладает и природная вода.
Санитарно-гигиенические риски присутствия в воде различных загрязняющих веществ приведены в таблице 3 (составлена кафедрой экологии человека и гигиены окружающей среды, Первый МГМУ им. И. М. Сеченова).
Таковы последствия присутствия в природной/питьевой воде тех или иных загрязняющих веществ для здоровья человека.
А принимая во внимание, что, например, Гигиенические нормативы ГН 2.1.5.-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования» содержат 1345 загрязняющих веществ, а СанПиН 2.1.4.1074–01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения…» включает также порядка полутора тысяч таких показателей качества, то приведенная таблица отнюдь не исчерпывает гигиенической оценки степени риска опасности потребления той или иной воды.
Действующие сегодня в РФ перечни химических веществ, нормируемых в воде, не включают многие современные загрязнители. Кроме того, эти перечни далеко не всегда учитывают, присутствует ли токсичные элементы в воде в ионном виде или в составе молекулы органического вещества. Часто не учитывают и валентность нормируемых элементов.
Хотя известно, например, что смертельно опасная сулема (HgCl2) и относительно безопасная, даже лечебная каломель (Hg2Cl2) отличаются только валентностью ртути.
Но речь об этом пойдет позже, когда мы будем обсуждать нормативную базу питьевого водоснабжения РФ.
Таблица 3
Санитарно-токсикологическая характеристика химических загрязнений питьевой воды
Наряду с этими соединениями ученые-гигиенисты отмечают наличие загрязняющих веществ в водных объектах, которые оказывают на организм специфическое «отложенное» воздействие. А именно: токсические эффекты проявляются не сразу, а в отдаленные от экспозиции периоды жизни. Причем часто речь идет о годах и даже десятилетиях. Еще серьезнее для общества проявление неблагоприятных эффектов в последующих поколениях.
По данным разных авторов, ниже представлен [22] перечень групп веществ, обладающих отдаленными эффектами токсического действия:
– эмбриотоксическим (способность отрицательно воздействовать на развивающиеся эмбрионы):
▪ непредельные углеводороды,
▪ ароматические углеводороды,
▪ амиды кислот,
▪ полихлорированные соединения,
▪ оксисоединения,
▪ некоторые антибиотики,
▪ цитостатики;
– мутагенным (способность вызывать изменения генетического материала клетки):
▪ алкилирующие агенты (иприты, эфиры серной и алкансульфоновых кислот, эпоксиды, этиленимин, азо- и диазосоединения, лактоны и др.),
▪ нитросоединения (нитриты, нитрозамины, нитрозамиды, нитрозогуанины, нитрофураны),
▪ гидроксиламин и его соли,
▪ перекиси (третбутилперацетат и др.),
▪ альдегиды (формальдегид и др.),
▪ соли металлов переменной валентности (марганец, алюминий),
▪ соли мышьяка,
▪ акридиновые красители (профлавин, акридиновый и оранжевый);
– бластомогенным (приводящим к развитию рака):
▪ ПАУ,
▪ алкилирующие агенты,
▪ оксисоединения,
▪ нитрозамины,
▪ афлатоксины,
▪ гетероциклические соединения,
▪ стероиды,
▪ ароматические амины,
▪ некоторые металлы и металлоиды,
▪ алифатические соединения,
▪ моноциклические соединения;
– тератогенным (способность вызывать нарушения процесса эмбриогенеза, приводящие к возникновению врожденных уродств (аномалий развития) у людей или животных):
▪ соединения серы (сероуглерод, сероводород, диоксид серы),
▪ ароматические углеводороды,
▪ амиды (диэтиламид, метилформамид и др.),
▪ имины,
▪ ди- и трихлорфеноксиуксусные кислоты и их производные,
▪ металлы и их соединения (ртуть, теллур, литий, кадмий, свинец и др.),
▪ фосфорорганические соединения (хлорофос, метафос и др.),
▪ хлорорганические соединения (хлороформ, хлоропрен и др.),
▪ карбаматы (севин, беллат, цинеб, манеб, ранерод).
Это в части химических загрязняющих веществ.
А что касается микробиологических загрязнений, то к основным инфекционным заболеваниям, передаваемым через воду, относят:
▪ кишечные инфекции бактериальной природы (холера, брюшной тиф, паратифы А и В, дизентерия, различные энтериты и энтероколиты);
▪ вирусные заболевания (инфекционный гепатит, вызываемый вирусом типа А (болезнь Боткина), полиомиелит, аденовирусные и энтеровирусные инфекции);
▪ бактериальные зоонозные инфекции (туляремия, бруцеллез, туберкулез, сибирская язва);
▪ протозойные инвазии (заболевания, вызванные простейшими: лямблиоз, дизентерийная амеба);
▪ глистные инвазии, вызываемые геогельминтами, развивающимися без участия промежуточного хозяина (аскаридоз, анкилостомоз, стронгилоидоз), и биогельминтами, проходящими личиночную стадию развития в промежуточных хозяевах – домашних животных, моллюсках, ракообразных и рыбах (бычий цепень, свиной цепень, описторхоз и др.).