Распределение ресурсов пресной воды по типу [1]
Водные ресурсы — это природные водные ресурсы , которые потенциально полезны для человека, например, в качестве источника питьевой воды или воды для орошения . Эти ресурсы могут быть как пресной водой из природных источников, так и водой, полученной искусственно из других источников, например, из очищенной воды ( сточных вод ) или опресненной воды ( морской воды ). 97% воды на Земле — это соленая вода , и только три процента — пресная вода ; чуть более двух третей из них заморожено в ледниках и полярных ледяных шапках . [2] Оставшаяся незамерзшая пресная вода находится в основном в виде грунтовых вод, и лишь небольшая ее часть находится над землей или в воздухе. [3] Естественные источники пресной воды включают поверхностные воды , подземные воды, грунтовые воды и замерзшую воду . Люди используют водные ресурсы для сельскохозяйственной , промышленной и бытовой деятельности.
Водные ресурсы находятся под угрозой из-за множества проблем. Существует нехватка воды , загрязнение воды , водные конфликты и изменение климата . Пресная вода в принципе является возобновляемым ресурсом . Однако мировые запасы грунтовых вод неуклонно сокращаются. Истощение грунтовых вод (или чрезмерный забор ) происходит, например, в Азии, Южной Америке и Северной Америке.
Природные источники пресной воды включают поверхностные воды , подземные воды, грунтовые воды и замерзшую воду .
Поверхностная вода — это вода в реке, озере или пресноводном водно- болотном угодье . Поверхностная вода естественным образом пополняется осадками и естественным образом теряется через сброс в океаны , испарение , эвапотранспирацию и пополнение грунтовых вод . Единственным естественным входом в любую поверхностную водную систему являются осадки в пределах ее водораздела . Общее количество воды в этой системе в любой момент времени также зависит от многих других факторов. Эти факторы включают в себя емкость хранения в озерах, водно-болотных угодьях и искусственных водохранилищах , проницаемость почвы под этими водохранилищами, характеристики стока земли в водоразделе, время выпадения осадков и локальные скорости испарения. Все эти факторы также влияют на пропорции потери воды.
Люди часто увеличивают емкость хранилища, строя водохранилища и уменьшают ее, осушая водно-болотные угодья. Люди часто увеличивают объемы и скорости стока, мощая территории и направляя потоки.
Природные поверхностные воды можно пополнить за счет импорта поверхностных вод из другого водораздела через канал или трубопровод .
По оценкам, Бразилия обладает крупнейшими запасами пресной воды в мире, за ней следуют Россия и Канада . [4]
Ледниковый сток считается поверхностной водой. Гималаи, которые часто называют «Крышей мира», содержат некоторые из самых обширных и суровых высокогорных районов на Земле, а также самую большую площадь ледников и вечной мерзлоты за пределами полюсов. Десять крупнейших рек Азии берут начало оттуда, и от них зависят средства к существованию более миллиарда человек. Ситуация усложняется тем, что температура там растет быстрее, чем в среднем по миру. В Непале температура выросла на 0,6 градуса по Цельсию за последнее десятилетие, тогда как в глобальном масштабе Земля нагрелась примерно на 0,7 градуса по Цельсию за последние сто лет. [5]
Подземные воды — это вода, присутствующая под поверхностью Земли в порах горных пород и почвы , а также в трещинах скальных образований . Около 30 процентов всей легкодоступной пресной воды в мире — это подземные воды. [6] Единица горной породы или неконсолидированное месторождение называется водоносным горизонтом , когда оно может давать пригодное для использования количество воды. Глубина, на которой поры почвы или трещины и пустоты в горной породе полностью насыщаются водой, называется уровнем грунтовых вод . Подземные воды пополняются с поверхности; они могут естественным образом выходить с поверхности в виде источников и просачиваний и могут образовывать оазисы или водно-болотные угодья . Подземные воды также часто извлекаются для сельскохозяйственных , муниципальных и промышленных нужд путем строительства и эксплуатации скважин для добычи . Изучением распределения и движения подземных вод занимается гидрогеология , также называемая гидрологией подземных вод .
Обычно грунтовые воды рассматриваются как вода, текущая через неглубокие водоносные горизонты, но, в техническом смысле, они также могут содержать почвенную влагу , вечную мерзлоту (замерзшую почву), неподвижную воду в очень низкой проницаемости коренных пород и глубокую геотермальную или нефтяную пластовую воду. Предполагается, что грунтовые воды обеспечивают смазку , которая может влиять на движение разломов . Вероятно, что большая часть недр Земли содержит некоторое количество воды, которая может быть смешана с другими жидкостями в некоторых случаях.На протяжении всего течения реки общий объем воды, транспортируемой вниз по течению, часто будет представлять собой комбинацию видимого свободного потока воды вместе со значительным вкладом, протекающим через скалы и отложения, которые лежат под рекой и ее поймой, называемой гипорейной зоной . Для многих рек в больших долинах этот невидимый компонент потока может значительно превышать видимый поток. Гипорейная зона часто образует динамический интерфейс между поверхностными водами и грунтовыми водами из водоносных горизонтов, обмениваясь потоком между реками и водоносными горизонтами, которые могут быть полностью заряжены или истощены. Это особенно важно в карстовых районах, где распространены выбоины и подземные реки.
Существует несколько искусственных источников пресной воды. Один из них — очищенные сточные воды ( регенерированная вода ). Другой — генераторы атмосферной воды . [7] [8] [9] Опресненная морская вода — еще один важный источник. Важно учитывать экономические и экологические побочные эффекты этих технологий. [10]
Рекультивация воды — это процесс преобразования городских сточных вод или канализационных и промышленных сточных вод в воду, которую можно повторно использовать для различных целей. Это также называется повторным использованием сточных вод, повторным использованием воды или рециркуляцией воды. Существует много типов повторного использования. Таким образом, воду можно повторно использовать в городах или для орошения в сельском хозяйстве. Другими типами повторного использования являются экологическое повторное использование, промышленное повторное использование и повторное использование для питьевой воды, независимо от того, запланировано это или нет. Повторное использование может включать орошение садов и сельскохозяйственных полей или пополнение поверхностных и грунтовых вод . Последнее также известно как пополнение грунтовых вод . Повторно используемая вода также служит различным нуждам в жилых помещениях, таким как смыв туалетов , на предприятиях и в промышленности. Можно очищать сточные воды для достижения стандартов питьевой воды . Впрыск регенерированной воды в систему распределения водоснабжения известен как прямое повторное использование питьевой воды. Питьевая регенерированная вода не является типичной. [11] Повторное использование очищенных городских сточных вод для орошения — это давно устоявшаяся практика. Это особенно актуально в засушливых странах. Повторное использование сточных вод как часть устойчивого управления водными ресурсами позволяет воде оставаться альтернативным источником воды для человеческой деятельности. Это может сократить дефицит . Это также снижает давление на грунтовые воды и другие естественные водоемы. [12]
Существует несколько технологий, используемых для очистки сточных вод для повторного использования. Сочетание этих технологий может соответствовать строгим стандартам очистки и гарантировать, что обработанная вода гигиенически безопасна, то есть свободна от патогенов . Ниже приведены некоторые из типичных технологий: озонирование , ультрафильтрация , аэробная очистка ( мембранный биореактор ), прямой осмос , обратный осмос и усовершенствованное окисление , [13] или активированный уголь . [14] Некоторые виды деятельности, требующие воды, не требуют высококачественной воды. В этом случае сточные воды можно использовать повторно с незначительной очисткой или без нее.Опреснение — это процесс, который удаляет минеральные компоненты из соленой воды . В более общем смысле опреснение — это удаление солей и минералов из вещества. [15] Одним из примеров является опреснение почвы . Это важно для сельского хозяйства. Можно опреснять соленую воду, особенно морскую , для получения воды для потребления человеком или орошения. Побочным продуктом процесса опреснения является рассол . [16] Многие морские суда и подводные лодки используют опреснение. Современный интерес к опреснению в основном сосредоточен на экономически эффективном обеспечении пресной водой для использования человеком. Наряду с переработанными сточными водами , это один из немногих водных ресурсов, не зависящих от осадков. [17]
Из-за потребления энергии опреснение морской воды, как правило, обходится дороже, чем пресная вода из поверхностных или грунтовых вод , рециркуляция воды и сохранение воды ; однако эти альтернативы не всегда доступны, а истощение запасов является критической проблемой во всем мире. [18] [19] [20] Процессы опреснения используют либо термические методы (в случае дистилляции ), либо мембранные методы (например, в случае обратного осмоса ). [21] [22] : 24
Исследователи предложили использовать метод захвата воздуха над океанами, который «значительно увеличит запасы пресной воды за счет захвата влажного воздуха над океанами» для решения нынешней и, особенно, будущей проблемы нехватки/небезопасности воды. [24] [23]
Исследование 2021 года предложило гипотетические портативные устройства для сбора атмосферной воды на солнечных батареях . Однако такая автономная генерация может иногда «подрывать усилия по развитию постоянной трубопроводной инфраструктуры » среди других проблем. [25] [26] [27]
Общее количество воды, доступной в любой момент времени, является важным фактором. Некоторые пользователи воды имеют непостоянную потребность в воде. Например, многим фермам требуется большое количество воды весной и совсем не требуется вода зимой. Другие пользователи имеют постоянную потребность в воде, например, электростанция , которой требуется вода для охлаждения. В долгосрочной перспективе средняя скорость осадков в пределах водосбора является верхней границей среднего потребления естественной поверхностной воды из этого водосбора.
Ирригация (также называемая поливом растений) — это практика применения контролируемого количества воды на землю для выращивания сельскохозяйственных культур , ландшафтных растений и газонов . Ирригация была ключевым аспектом сельского хозяйства на протяжении более 5000 лет и была разработана многими культурами по всему миру. Ирригация помогает выращивать сельскохозяйственные культуры, поддерживать ландшафты и восстанавливать нарушенные почвы в засушливых районах и в периоды осадков ниже среднего. В дополнение к этим целям орошение также используется для защиты сельскохозяйственных культур от заморозков [28] , подавления роста сорняков на зерновых полях и предотвращения уплотнения почвы . Оно также используется для охлаждения скота , уменьшения пыли , утилизации сточных вод и поддержки горнодобывающих работ. Дренаж , который включает удаление поверхностных и подземных вод из заданного места, часто изучается в сочетании с орошением.
Существует несколько методов орошения, которые различаются по способу подачи воды растениям. Поверхностное орошение , также известное как гравитационное орошение, является старейшей формой орошения и используется уже тысячи лет. При дождевании вода подается по трубам в одно или несколько центральных мест на поле и распределяется с помощью напорных водораспределительных устройств высокого давления. Микроорошение — это система, которая распределяет воду под низким давлением по трубопроводной сети и подает ее в виде небольшого сброса к каждому растению. Микроорошение использует меньшее давление и расход воды, чем дождевание. Капельное орошение доставляет воду непосредственно в корневую зону растений. Подпочвенное орошение использовалось для полевых культур в районах с высоким уровнем грунтовых вод в течение многих лет. Оно заключается в искусственном повышении уровня грунтовых вод для увлажнения почвы под корневой зоной растений.
Вода для орошения может поступать из грунтовых вод (извлекаемых из источников или с помощью скважин ), из поверхностных вод (изымаемых из рек , озер или водохранилищ ) или из нетрадиционных источников, таких как очищенные сточные воды , опресненная вода , дренажная вода или сбор тумана . Орошение может быть дополнительным к осадкам , что распространено во многих частях мира, как богарное земледелие , или это может быть полное орошение, когда урожай редко зависит от какого-либо вклада от осадков. Полное орошение встречается реже и происходит только в засушливых ландшафтах с очень низким количеством осадков или когда урожай выращивается в полузасушливых районах вне дождливых сезонов.По оценкам, 22% мировой воды используется в промышленности . [29] Основные промышленные потребители включают гидроэлектростанции , теплоэлектростанции , которые используют воду для охлаждения , рудо- и нефтеперерабатывающие заводы , которые используют воду в химических процессах , и производственные предприятия, которые используют воду в качестве растворителя . Водозабор может быть очень высоким для некоторых отраслей промышленности, но потребление, как правило, намного ниже, чем в сельском хозяйстве.
Вода используется в возобновляемой энергетике . Гидроэлектростанции получают энергию от силы воды, текущей вниз по склону, приводя в движение турбину, соединенную с генератором. Эта гидроэлектроэнергия является недорогим, не загрязняющим окружающую среду возобновляемым источником энергии. Важно отметить, что гидроэлектроэнергия также может использоваться для отслеживания нагрузки в отличие от большинства возобновляемых источников энергии, которые являются прерывистыми . В конечном счете, энергия на гидроэлектростанции поступает от солнца. Тепло от солнца испаряет воду, которая конденсируется в виде дождя на больших высотах и стекает вниз по склону. Существуют также гидроаккумулирующие электростанции, которые используют электроэнергию сети для перекачивания воды вверх по склону, когда спрос низкий, и используют накопленную воду для производства электроэнергии, когда спрос высокий.
Тепловые электростанции с градирнями имеют высокое потребление, почти равное их отбору, поскольку большая часть отбираемой воды испаряется в процессе охлаждения. Отбор, однако, ниже, чем в прямоточных системах охлаждения.
Вода также используется во многих крупномасштабных промышленных процессах, таких как производство термоэлектрической энергии, переработка нефти, производство удобрений и других химических установок , а также добыча природного газа из сланцевой породы . Сброс неочищенной воды из промышленных источников является загрязнением . Загрязнение включает в себя сбрасываемые растворенные вещества и повышенную температуру воды ( тепловое загрязнение ).
По оценкам, 8% мирового потребления воды приходится на бытовые нужды. [29] К ним относятся питьевая вода , купание , приготовление пищи , смыв туалета , уборка, стирка и садоводство . Основные потребности в воде для бытовых нужд были оценены Питером Глейком примерно в 50 литров на человека в день, без учета воды для сада.
Питьевая вода — это вода достаточно высокого качества, чтобы ее можно было потреблять или использовать без риска немедленного или долгосрочного вреда. Такую воду обычно называют питьевой водой. В большинстве развитых стран вся вода, поставляемая в бытовые, торговые и промышленные помещения, соответствует стандарту питьевой воды, хотя только очень небольшая ее часть фактически потребляется или используется для приготовления пищи.
844 миллиона человек по-прежнему не имели даже элементарного доступа к питьевой воде в 2017 году. [30] : 3 Из них 159 миллионов человек во всем мире пьют воду непосредственно из поверхностных источников, таких как озера и ручьи. [30] : 3 Каждый восьмой человек в мире не имеет доступа к безопасной воде. [31] [32]
Мировой запас грунтовых вод неуклонно сокращается. Истощение грунтовых вод (или перерасход ) происходит, например, в Азии, Южной Америке и Северной Америке. Пока неясно, насколько естественное возобновление уравновешивает это использование, и находятся ли экосистемы под угрозой. [49]
Управление водными ресурсами — это деятельность по планированию, разработке, распределению и управлению оптимальным использованием водных ресурсов. Это аспект управления водным циклом . Сфера управления водными ресурсами должна будет продолжать адаптироваться к текущим и будущим проблемам, с которыми сталкивается распределение воды. С ростом неопределенности глобального изменения климата и долгосрочных последствий прошлых действий по управлению принятие решений станет еще более сложным. Вполне вероятно, что продолжающееся изменение климата приведет к ситуациям, с которыми раньше не сталкивались. В результате альтернативные стратегии управления, включая подходы с участием и адаптивный потенциал, все чаще используются для укрепления принятия решений по водным ресурсам.
В идеале планирование управления водными ресурсами учитывает все конкурирующие потребности в воде и стремится распределять воду на справедливой основе для удовлетворения всех видов использования и потребностей. Как и в случае с другими видами управления ресурсами , на практике это редко возможно, поэтому лица, принимающие решения, должны отдавать приоритет вопросам устойчивости, справедливости и оптимизации факторов (именно в таком порядке!) для достижения приемлемых результатов. Одной из самых больших проблем для водных ресурсов в будущем является устойчивость текущего и будущего распределения водных ресурсов.
Цель устойчивого развития 6 содержит задачу, связанную с управлением водными ресурсами: «Задача 6.5: К 2030 году обеспечить комплексное управление водными ресурсами на всех уровнях, в том числе посредством трансграничного сотрудничества по мере необходимости». [51] [52]
В настоящее время доступно только около 0,08 процента всей пресной воды в мире. И спрос на нее для питья , производства , отдыха и сельского хозяйства постоянно растет . Из-за небольшого процента доступной воды оптимизация пресной воды, которую мы имеем из природных ресурсов, становится все более сложной задачей во всем мире.
Значительные усилия в управлении водными ресурсами направлены на оптимизацию использования воды и минимизацию экологического воздействия водопользования на природную среду. Наблюдение за водой как неотъемлемой частью экосистемы основано на комплексном управлении водными ресурсами , основанном на Дублинских принципах 1992 года (см. ниже).
Устойчивое управление водными ресурсами требует целостного подхода, основанного на принципах комплексного управления водными ресурсами , первоначально сформулированных в 1992 году на конференциях в Дублине (январь) и Рио (июль). Четыре Дублинских принципа, обнародованные в Дублинском заявлении, следующие:
Реализация этих принципов легла в основу реформы национального законодательства по управлению водными ресурсами во всем мире с 1992 года.
Дополнительные проблемы устойчивого и справедливого управления водными ресурсами включают тот факт, что многие водные объекты находятся на трансграничном уровне, который может быть международным (см. Водный конфликт ) или внутринациональным (см. Бассейн Мюррея-Дарлинга ).
Интегрированное управление водными ресурсами (ИУВР) было определено Глобальным водным партнерством (ГВП) как «процесс, который способствует скоординированному развитию и управлению водными, земельными и связанными с ними ресурсами с целью максимизации результирующего экономического и социального благосостояния справедливым образом, не ставя под угрозу устойчивость жизненно важных экосистем ». [53]
Некоторые ученые говорят, что ИУВР дополняет водную безопасность , поскольку водная безопасность — это цель или пункт назначения, в то время как ИУВР — это процесс, необходимый для достижения этой цели. [54]
ИУВР — это парадигма, которая возникла на международных конференциях в конце 1900-х и начале 2000-х годов, хотя институты совместного управления водными ресурсами существовали на протяжении столетий. [55] Обсуждения целостного способа управления водными ресурсами начались уже в 1950-х годах, что привело к Водной конференции Организации Объединенных Наций 1977 года. [56] Развитие ИУВР было особенно рекомендовано в заключительном заявлении министров на Международной конференции по водным ресурсам и окружающей среде в 1992 году, известном как Дублинское заявление . Эта концепция направлена на содействие изменениям в практиках, которые считаются основополагающими для улучшения управления водными ресурсами . ИУВР было темой второго Всемирного водного форума , в котором приняла участие более разнообразная группа заинтересованных сторон, чем на предыдущих конференциях, и который внес вклад в создание ГВП. [55]
В определении Международной водной ассоциации ИУВР основывается на трех принципах, которые вместе образуют общую структуру: [57]
В 2002 году развитие ИУВР обсуждалось на Всемирном саммите по устойчивому развитию, состоявшемся в Йоханнесбурге, целью которого было поощрение внедрения ИУВР на глобальном уровне. [58] Третий Всемирный водный форум рекомендовал ИУВР и обсуждал обмен информацией, участие заинтересованных сторон, а также гендерную и классовую динамику. [55]
С точки зрения эксплуатации подходы ИУВР включают применение знаний из различных дисциплин, а также идей различных заинтересованных сторон для разработки и внедрения эффективных, справедливых и устойчивых решений проблем водных ресурсов и развития. Таким образом, ИУВР является всеобъемлющим, коллективным инструментом планирования и внедрения для управления и развития водных ресурсов таким образом, чтобы сбалансировать социальные и экономические потребности и обеспечить защиту экосистем для будущих поколений. Кроме того, в свете содействия достижению целей устойчивого развития (ЦУР) [59] , ИУВР развивается в более устойчивый подход, поскольку он рассматривает подход Nexus, который является межсекторальным управлением водными ресурсами. Подход Nexus основан на признании того, что «вода, энергия и продовольствие тесно связаны через глобальные и локальные водные, углеродные и энергетические циклы или цепочки».
Подход ИУВР направлен на избежание фрагментарного подхода к управлению водными ресурсами путем рассмотрения следующих аспектов: Благоприятная среда, роль учреждений, инструменты управления. Некоторые из сквозных условий, которые также важно учитывать при внедрении ИУВР: Политическая воля и приверженность, развитие потенциала, адекватные инвестиции, финансовая стабильность и устойчивое возмещение затрат, мониторинг и оценка. Не существует единой правильной административной модели. Искусство ИУВР заключается в выборе, корректировке и применении правильного сочетания этих инструментов для данной ситуации. Практики ИУВР зависят от контекста; на операционном уровне задача состоит в том, чтобы воплотить согласованные принципы в конкретные действия.
Интегрированное управление городскими водными ресурсами (IUWM) — это практика управления пресной водой , сточными водами и ливневыми водами как компонентами плана управления бассейном . Он основывается на существующих соображениях водоснабжения и санитарии в пределах городского поселения путем включения управления городскими водными ресурсами в сферу охвата всего речного бассейна. [60] IUWM обычно рассматривается как стратегия достижения целей Water Sensitive Urban Design . IUWM стремится изменить влияние городского развития на естественный водный цикл , основываясь на предпосылке, что путем управления городским водным циклом в целом можно достичь более эффективного использования ресурсов, обеспечивая не только экономические выгоды, но и улучшенные социальные и экологические результаты. Один из подходов заключается в создании внутреннего городского цикла водного цикла посредством внедрения стратегий повторного использования. Разработка этого городского цикла водного цикла требует понимания как естественного, до развития, водного баланса, так и водного баланса после развития. Учет потоков в системах до и после развития является важным шагом на пути к ограничению городского воздействия на естественный водный цикл. [61]
IUWM в городской системе водоснабжения также может быть проведена путем оценки эффективности любых новых стратегий вмешательства путем разработки целостного подхода, который охватывает различные элементы системы и критерии, включая критерии типа устойчивости , в которых интеграция компонентов системы водоснабжения, включая подсистемы водоснабжения , сточных вод и ливневых вод , будет выгодной. [62] Моделирование потоков типа метаболизма в городской системе водоснабжения также может быть полезным для анализа процессов в городском водном цикле IUWM. [62] [63]Управление водными ресурсами и руководство ими осуществляется по-разному в разных странах. Например, в Соединенных Штатах Геологическая служба США ( USGS) и ее партнеры контролируют водные ресурсы, проводят исследования и информируют общественность о качестве подземных вод. [64] Водные ресурсы в конкретных странах описаны ниже:
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )