Водные ресурсы – это природные ресурсы воды , потенциально полезные для человека [1] , например, в качестве источника питьевого водоснабжения или оросительной воды . 97% воды на Земле — соленая вода и только три процента — пресная вода ; чуть более двух третей этого количества заморожено в ледниках и полярных ледяных шапках . [2] Оставшаяся незамерзшая пресная вода находится в основном в виде грунтовых вод, и лишь небольшая часть находится над землей или в воздухе. [3] Естественные источники пресной воды включают поверхностные , речные, подземные и замерзшие воды . Неприродные или искусственные источники пресной воды могут включать сточные воды, прошедшие очистку для повторного использования , и опресненную морскую 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 запасы подземных вод в мире неуклонно сокращаются. Истощение подземных вод (или овердрафт ) происходит, например, в Азии, Южной Америке и Северной Америке.
Распределение ресурсов пресной воды по типам [4]
Природные источники пресной воды включают поверхностные воды , подземные воды, подземные и замерзшие воды .
Поверхностные воды – это вода в реке, озере или водно-болотных угодьях с пресной водой . Поверхностные воды естественным образом пополняются за счет осадков и естественным образом теряются за счет сброса в океаны , испарения , эвапотранспирации и пополнения подземных вод . Единственным естественным вкладом в любую систему поверхностных вод 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 озер, водно-болотных угодий и искусственных водоемов , проницаемость почвы под этими водохранилищами, характеристики стока земли в водоразделе, время выпадения осадков и местные скорости испарения. Все эти факторы также влияют на пропорции потерь воды.
Люди часто увеличивают емкость хранилища, строя водохранилища, и уменьшают ее, осушая водно-болотные угодья. Люди часто увеличивают количество и скорость стока, мощая территории и направляя поток ручья.
Природные поверхностные воды можно увеличить 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 . [5]
Ледниковый сток считается поверхностными водами. Гималаи, которые часто называют «Крышей мира», содержат одни из самых обширных и суровых высокогорных территорий на Земле, а также самую большую площадь ледников и вечной мерзлоты за пределами полюсов. Отсюда вытекают десять крупнейших рек Азии, 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 потеплела примерно на 0,7 градуса по Цельсию за последние сто лет. [6]
Грунтовые воды – это вода , присутствующая под поверхностью Земли в порах горных пород и почвы , а также в трещинах горных пород . Около 30 процентов всей доступной пресной воды в мире составляют грунтовые воды. [7] Единица горной породы или рыхлое месторождение называется водоносным горизонтом , если она может дать полезное количество воды. Глубина, на которой поры почвы или трещины и пустоты в породе полностью насыщаются водой, называется уровнем грунтовых вод . Подземные воды пополняются с поверхности; он может естественным образом вытекать с поверхности из источников и выходов , а также образовывать оазисы или водно-болотные угодья . Грунтовые воды также часто извлекаются для сельскохозяйственных , муниципальных и промышленных целей путем строительства и эксплуатации добывающих скважин . Изучением распределения и движения подземных вод занимается гидрогеология , называемая также гидрологией подземных вод .
Обычно под грунтовыми водами понимают воду, текущую через неглубокие водоносные горизонты , но в техническом смысле они также могут содержать почвенную влагу , вечную мерзлоту (мерзлый грунт), неподвижную воду в коренных породах с очень низкой проницаемостью и глубокие геотермальные или нефтяные пластовые воды. Предполагается, что подземные воды обеспечивают смазку , которая может повлиять на движение разломов . Вполне вероятно, что большая часть недр Земли содержит некоторое количество воды, которая в некоторых случаях может быть смешана с другими жидкостями.На всем протяжении реки общий объем воды, транспортируемой вниз по течению, часто представляет собой комбинацию видимого свободного потока воды вместе со значительным вкладом, протекающим через камни и отложения, которые подстилают реку и ее пойму, называемую гипорейной зоной . Для многих рек в крупных долинах этот невидимый компонент стока может значительно превышать видимый сток. Гипорейная зона часто образует динамическую границу раздела между поверхностными и грунтовыми водами из водоносных горизонтов, обеспечивая обмен потоками между реками и водоносными горизонтами, которые могут быть полностью заряжены или истощены. Это особенно важно в карстовых районах, где часто встречаются выбоины и подземные реки.
Есть несколько искусственных источников пресной воды. Один из них – очищенные сточные воды ( регенерированная вода ). Другой — генераторы атмосферной воды . [8] [9] [10] Еще одним важным источником является опресненная морская вода . Важно учитывать экономические и экологические побочные эффекты этих технологий. [11]
Рекультивация воды – это процесс преобразования городских сточных вод или сточных вод, а также 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 можно повторно использовать воду в городах или для орошения в сельском хозяйстве. Другими типами повторного использования являются повторное использование в окружающей среде, промышленное повторное использование и повторное использование питьевой воды, запланированное или нет. Повторное использование может включать орошение садов и сельскохозяйственных полей или пополнение поверхностных и грунтовых вод . Последнее также известно как пополнение подземных вод . Повторно используемая вода также служит различным потребностям в жилых домах, например, для смыва туалетов , на предприятиях и в промышленности. Возможна очистка сточных вод до стандартов питьевой воды . Впрыскивание очищенной воды в систему водоснабжения известно как прямое повторное использование питьевой воды. Питьевая очищенная вода нетипична. [12] Повторное использование очищенных городских сточных вод для орошения является давней практикой. Особенно это касается засушливых стран. Повторное использование сточных вод как часть устойчивого управления водными ресурсами позволяет воде оставаться альтернативным источником воды для человеческой деятельности. Это может уменьшить дефицит . Это также снижает нагрузку на грунтовые воды и другие природные водоемы. [13]
Существует несколько технологий очистки сточных вод для повторного использования. Сочетание этих технологий может соответствовать строгим стандартам очистки и гарантировать, что обработанная вода является гигиенически безопасной, то есть свободной от патогенов . Ниже приведены некоторые типичные технологии: озонирование , ультрафильтрация , аэробная обработка ( мембранный биореактор ), прямой осмос , обратный осмос и предварительное окисление [ 14] или активированный уголь . [15] Некоторые водопотребляющие виды деятельности не требуют воды высокого качества. В этом случае сточные воды можно использовать повторно практически без очистки или без нее.Опреснение – это процесс удаления минеральных компонентов из соленой воды . В более общем смысле опреснение — это удаление солей и минералов из вещества. [16] Одним из примеров является опреснение почвы . Это важно для сельского хозяйства. Можно опреснять соленую воду , особенно морскую , для производства воды для потребления человеком или орошения . Побочным продуктом процесса опреснения является рассол . [17] Многие морские корабли 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, независимых от осадков. [18]
Из-за энергопотребления опреснение морской воды обычно обходится дороже, чем пресная вода из поверхностных или подземных вод , рециркуляция воды и водосбережение ; однако эти альтернативы не всегда доступны, и истощение запасов является критической проблемой во всем мире. [19] [20] В процессах опреснения используются либо термические методы (в случае дистилляции ), либо мембранные методы (например, в случае обратного осмоса ) типов энергии. [21] [22] : 24
Исследователи предложили «значительно увеличить пресную воду за счет захвата влажного воздуха над океанами», чтобы решить проблему нынешней и, особенно, будущей нехватки воды и отсутствия безопасности. [24] [23]
В исследовании по оценке потенциала были предложены гипотетические портативные устройства для сбора атмосферной воды на солнечной энергии , которые находятся в стадии разработки, а также критерии проектирования. Было обнаружено, что они могут помочь миллиарду человек получить доступ к безопасной питьевой воде , хотя такое автономное производство воды может иногда «подрывать усилия по развитию постоянной трубопроводной инфраструктуры » среди других проблем. [25] [26] [27]
Общее количество воды, доступное в любой момент времени, является важным фактором. Некоторые водопользователи испытывают периодическую потребность в воде. Например, многим фермам весной требуется большое количество воды, а зимой ее вообще не требуется. Другие пользователи имеют постоянную потребность в воде, например, электростанция , которой требуется вода для охлаждения. В долгосрочной перспективе средняя норма осадков на водосборе является верхней границей среднего потребления природных поверхностных вод из этого водосбора.
Орошение (также называемое 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 развита во многих культурах по всему миру. Орошение помогает выращивать сельскохозяйственные культуры, поддерживать ландшафты и восстанавливать нарушенные почвы в засушливых районах и в периоды, когда количество осадков ниже среднего. В дополнение к этим применениям орошение также используется для защиты посевов от мороза , [28] подавления роста сорняков на зерновых полях и предотвращения уплотнения почвы . Он также используется для охлаждения скота , снижения уровня пыли , удаления сточных вод и поддержки горнодобывающих работ. Дренаж , который предполагает отвод поверхностных и подземных вод из определенного места, часто изучается в сочетании с ирригацией.
Существует несколько способов полива, которые отличаются способом подачи воды к растениям. Поверхностное орошение , также известное как гравитационное орошение, является старейшей формой орошения и используется уже тысячи лет. При спринклерном орошении вода подается по трубопроводу в одно или несколько центральных мест на поле и распределяется с помощью верхних водяных устройств высокого давления. Микроорошение – это система, которая распределяет воду под низким давлением по трубопроводной сети и подает ее небольшими порциями к каждому растению. Микроорошение требует меньшего давления и расхода воды, чем спринклерное орошение. Капельное орошение подает воду непосредственно в корневую зону растений. Субирригация уже много лет используется при возделывании полевых культур в районах с высоким уровнем грунтовых вод. Он предполагает искусственное повышение уровня грунтовых вод для увлажнения почвы ниже корневой зоны растений.
Вода для орошения может поступать из грунтовых вод (извлеченных из родников или с помощью колодцев ), из поверхностных вод (забранных из рек , озер или водохранилищ ) или из нетрадиционных источников, таких как очищенные сточные воды , опресненная вода , дренажные воды или сбор тумана . Орошение может быть дополнением к осадкам , что распространено во многих частях мира как неорошаемое земледелие , или это может быть полное орошение, когда урожай редко зависит от какого-либо вклада осадков. Полное орошение встречается реже и происходит только в засушливых ландшафтах с очень небольшим количеством осадков или когда сельскохозяйственные культуры выращиваются в полузасушливых районах вне сезона дождей.По оценкам, 22% воды в мире используется в промышленности . [29] Основные промышленные пользователи включают плотины гидроэлектростанций , теплоэлектростанции , которые используют воду для охлаждения , рудные и нефтеперерабатывающие заводы , которые используют воду в химических процессах , и производственные предприятия, которые используют воду в качестве растворителя . Забор воды может быть очень высоким для некоторых отраслей промышленности, но потребление, как правило, намного ниже, чем в сельском хозяйстве.
Вода используется в производстве возобновляемой энергии . Гидроэлектростанция получает энергию за счет силы воды, текущей вниз по склону и приводящей в движение турбину, соединенную с генератором. Эта гидроэлектроэнергия является дешевым, экологически чистым и возобновляемым источником энергии. Примечательно, что гидроэлектроэнергия также может использоваться для отслеживания нагрузки, в отличие от большинства возобновляемых источников энергии, которые работают прерывисто . В конечном счете, энергия на гидроэлектростанции обеспечивается солнцем. Солнечное тепло испаряет воду, которая на больших высотах конденсируется в виде дождя и стекает вниз по склону. Также существуют гидроаккумулирующие электростанции, которые используют сетевое электричество для перекачки воды в гору, когда спрос низкий, и используют накопленную воду для производства электроэнергии, когда спрос высок.
Теплоэлектростанции, использующие градирни, имеют высокий расход, практически равный их забору, поскольку большая часть забираемой воды испаряется в процессе охлаждения. Отвод, однако, ниже, чем в прямоточных системах охлаждения.
Вода также используется во многих крупномасштабных промышленных процессах, таких как производство термоэлектрической энергии, нефтепереработка, производство удобрений и других химических предприятий , а также добыча природного газа из сланцевых пород . Сброс неочищенной воды промышленных предприятий является загрязнением . Загрязнение включает выбросы растворенных веществ и повышенную температуру воды ( термическое загрязнение ).
По оценкам, 8% воды в мире используется для бытовых целей. [29] К ним относятся питьевая вода , купание , приготовление пищи , смыв в туалете , уборка, стирка и работа в саду . Базовая потребность в бытовой воде оценивается Питером Глейком примерно в 50 литров на человека в день, не считая воды для садов.
Питьевая вода – это вода достаточно высокого качества, чтобы ее можно было употреблять или использовать без риска немедленного или долгосрочного вреда. Такую воду принято называть питьевой. В большинстве развитых стран вода, подаваемая в бытовые, торговые и промышленные предприятия, соответствует стандарту питьевой воды, хотя на самом деле лишь очень небольшая ее часть потребляется или используется при приготовлении пищи.
В 2017 году 844 миллиона человек все еще не имели даже базового доступа к питьевой воде. [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]
Мировые запасы подземных вод неуклонно сокращаются. Истощение подземных вод (или овердрафт ) происходит, например, в Азии, Южной Америке и Северной Америке. До сих пор неясно, насколько естественное возобновление компенсирует это использование и находятся ли экосистемы под угрозой. [49]
Управление водными ресурсами – это деятельность по планированию, развитию, распределению и управлению оптимальным использованием водных ресурсов. Это аспект управления водным циклом . Область управления водными ресурсами должна будет продолжать адаптироваться к текущим и будущим проблемам, связанным с распределением воды. Учитывая растущую неопределенность глобального изменения климата и долгосрочные последствия прошлых действий управления, принятие таких решений станет еще более трудным. Вполне вероятно, что продолжающееся изменение климата приведет к ситуациям, с которыми еще не сталкивались. В результате альтернативные стратегии управления, включая подходы, основанные на участии и адаптивном потенциале, все чаще используются для усиления процесса 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 уделять приоритетное внимание вопросам устойчивости, справедливости и оптимизации факторов (именно в таком порядке!), чтобы достичь приемлемых результатов. Одной из самых больших проблем, связанных с водными ресурсами в будущем, является устойчивость текущего и будущего распределения водных ресурсов.
Цель 6 устойчивого развития имеет задачу, связанную с управлением водными ресурсами: «Задача 6.5: К 2030 году внедрить комплексное управление водными ресурсами на всех уровнях, в том числе посредством трансграничного сотрудничества, где это необходимо». [51] [52]
В настоящее время доступно лишь около 0,08 процента всей пресной воды в мире. И существует постоянно растущий спрос на напитки , производство , отдых и сельское хозяйство . Из-за небольшого процента доступной воды оптимизация запасов пресной воды, оставшейся от природных ресурсов, становится все более сложной задачей во всем мире.
Большие 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 на основе Дублинских принципов 1992 года (см. ниже).
Устойчивое управление водными ресурсами требует целостного подхода, основанного на принципах интегрированного управления водными ресурсами , первоначально сформулированных в 1992 году на конференциях в Дублине (январь) и Рио (июль). Четыре Дублинских принципа, провозглашенные в Дублинском заявлении :
Реализация этих принципов направляла реформу национального законодательства по управлению водными ресурсами во всем мире с 1992 года.
Дополнительные проблемы на пути устойчивого и справедливого управления водными ресурсами включают тот факт, что многие водные объекты разделены через границы, которые могут быть международными (см. Водный конфликт ) или внутринациональными (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 соответствующими ресурсами, чтобы максимизировать результирующее экономическое и социальное благосостояние в условиях справедливого образом, не ставя под угрозу устойчивость жизненно важных экосистем ». [53]
Некоторые ученые говорят, что ИУВР дополняет водную безопасность, поскольку водная безопасность является целью или пунктом назначения, в то время как ИУВР является процессом, необходимым для достижения этой цели. [54]
ИУВР – это парадигма, возникшая на международных конференциях в конце 1900-х и начале 2000-х годов, хотя институты совместного управления водными ресурсами существовали на протяжении веков. [55] Дискуссии о целостном способе управления водными ресурсами начались еще в 1950-х годах, накануне Конференции ООН по водным ресурсам 1977 года. [56] Развитие ИУВР было особенно рекомендовано в заключительном заявлении министров на Международной конференции по воде и окружающей среде в 1992 году, известном как Дублинское заявление . Эта концепция направлена на содействие изменениям в практике, которая считается фундаментальной для улучшения управления водными ресурсами . ИУВР было темой второго Всемирного Водного Форума , на котором присутствовала более разнообразная группа заинтересованных сторон, чем на предыдущих конференциях, и который способствовал созданию ГВП. [55]
Согласно определению Международной водной ассоциации , ИУВР опирается на три принципа, которые вместе образуют общую основу: [57]
В 2002 году развитие ИУВР обсуждалось на Всемирном саммите по устойчивому развитию, состоявшемся в Йоханнесбурге, целью которого было стимулирование 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]
В практическом плане подходы ИУВР включают применение знаний из различных дисциплин, а также идей различных заинтересованных сторон для разработки и реализации эффективных, справедливых и устойчивых решений проблем водных ресурсов и развития. Таким образом, ИУВР является комплексным инструментом совместного планирования и реализации 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 вклада в достижение целей устойчивого развития (ЦУР) , [59] ИУВР развивается в более устойчивый подход, поскольку он рассматривает подход Nexus, который представляет собой межсекторальное управление водными ресурсами. Подход Nexus основан на признании того, что «вода, энергия и продовольствие тесно связаны между собой через глобальные и местные водные, углеродные и энергетические циклы или цепочки».
Подход ИУВР направлен на избежание фрагментированного подхода к управлению водными ресурсами путем рассмотрения следующих аспектов: Благоприятная среда, роли институтов, инструменты управления. Некоторыми из сквозных условий, которые также важно учитывать при реализации ИУВР, являются: политическая воля и приверженность, развитие потенциала, адекватные инвестиции, финансовая стабильность и устойчивое возмещение затрат, мониторинг и оценка. Не существует одной правильной административной модели. Искусство ИУВР заключается в выборе, корректировке и применении правильного сочетания этих инструментов для конкретной ситуации. Практика ИУВР зависит от контекста; на оперативном 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 по водоснабжению и санитарии в городском поселении путем включения управления городскими водными ресурсами в масштабы всего речного бассейна. [60] IUWM обычно рассматривается как стратегия достижения целей городского проектирования, чувствительного к воде . IUWM стремится изменить влияние городского развития на естественный водный цикл , основываясь на предпосылке, что путем управления городским водным циклом в целом; можно добиться более эффективного использования ресурсов, обеспечивая не только экономические выгоды, но и улучшая социальные и экологические результаты. Один из подходов заключается в создании внутреннего городского цикла водного цикла посредством реализации стратегий повторного использования. Разработка этого цикла городского водного цикла требует понимания как естественного водного баланса до застройки, так и водного баланса после застройки. Учет стоков в системах до и после застройки является важным шагом на пути к ограничению воздействия городов на естественный водный цикл. [61]
IUWM в городской системе водоснабжения также может проводиться путем оценки эффективности любых новых стратегий вмешательства путем разработки целостного подхода, который охватывает различные элементы и критерии системы, включая критерии устойчивости , в которых интеграция компонентов водной системы, включая водоснабжение , сточные воды и ливневые воды подсистемы будут иметь преимущество. [62] Моделирование потоков типа метаболизма в городской водной системе также может быть полезно для анализа процессов в городском водном цикле IUWM. [62] [63]В разных странах управление и руководство водными ресурсами осуществляется по-разному. Например, в США 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 ){{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )