Водні ресурси. Частина 1

Загальні відомості та основні поняття

Усі води (водні об'єкти) на території України, як зазначено у Водному кодексі України, є водним фондом країни. До цього фонду належать: 1) поверхневі води: природні водойми (озера), водотоки (річки, струмки), штучні водойми (водосховища, ставки і канали), інші водні об'єкти; 2) підземні води та джерела;                3) внутрішні морські води та територіальне море.

Відповідно до ст. 5 Водного кодексу України, водні об'єкти поділяють на водні об'єкти загальнодержавного і місцевого значення.

До водних об'єктів загальнодержавного значення належать:

1) внутрішні морські води і територіальне море;

2) підземні води, які є джерелом централізованого водопостачання;

3) поверхневі води (озера, водосховища, річки, канали, а також притоки всіх порядків), які розташовуються і використовуються на території більш як однієї області;

4) водні об'єкти у межах природно-заповідного фонду загальнодержавного значення, а також віднесені до категорії лікувальних.

До водних об'єктів місцевого значення належать:

1) поверхневі води, що розташовуються і використовуються в межах однієї області і які не віднесені до об'єктів загальнодержавного значення;

2) підземні води, які не можуть бути джерелом централізованого водопостачання.

Води річок, озер, каналів, водосховищ, морів і океанів, води підземні, ґрунтові, льодовиків, водяна пара атмосфери, які придатні для використання в народному господарстві, є водними ресурсами.

Оскільки об'єм підземної води, що використовується, і води, що є в озерах, відносно незначний, то до водних ресурсів великих територій і держав включають лише величину стоку річок за рік. Для окремих регіонів та економічних районів водні ресурси оцінюють з урахуванням запасів підземних вод і вод, акумульованих в озерах.

Варто зробити деякі застереження щодо запасів підземних вод. У гідрогеології розрізняють терміни «запаси» і «ресурси». Під терміном ресурси розуміють ту кількість підземних вод і підземного стоку, яка забезпечується живленням у процесі колообігу води, що відбувається на земній кулі (природні ресурси підземних вод), а термін запаси застосовують для характеристики загального об'єму підземних вод у земній корі в межах району, що розглядається. Експлуатаційними ресурсами підземних вод називають витрату підземних вод, яка може забезпечити водоспоживання протягом необмежено тривалого часу при дотриманні норм стосовно якості води. Внаслідок того, що при відкачуванні знижується рівень підземних вод, посилюється фільтрація води з інших водоносних горизонтів, зменшується випаровування з поверхні ґрунтових вод та ін., експлуатаційні ресурси підземних вод перевищують природні ресурси.

Крім понять водний фонд і водні ресурси, слід чітко усвідомити наступні поняття, які вживатимуться далі.

Басейн річки (озера) – частина суші, з якої відбувається природний стік води в річку (річкову систему). Басейн річки (озера) складається з поверхневого та підземного водозборів. Ототожнення розмірів басейну річки і поверхневого водозбору може мати певні похибки для малих річок і для більших річок з певними геологічними умовами, які забезпечують міжбасейновий водообмін.

Внутрішні морські води – морські води, звернені в бік берегів від вихідних ліній, прийнятих для відліку ширини територіального моря.

Води територіальні – частка морської акваторії, яка перебуває під юрисдикцією прибережної держави.

Територіальне море – прибережні морські води завширшки 12 морських миль, які відраховують відповідно до норм міжнародного права і законодавства України.

Води транскордонні – водні об'єкти, які утворюють або перетинають кордони двох чи більше країн.

Водойма – безстічний або зі сповільненим стоком поверхневий водний об'єкт (озеро, водосховище, ставок, копань).

Водокористування – термін має три формулювання, значення яких залежить від контексту:

1. Використання води без вилучення її з річки чи водойми. До водокористувачів належать гідроенергетика, водний транспорт, рибне господарство, рекреації тощо. Водокористування не можна розглядати у відриві від водоспоживання.

2. Використання водних об'єктів для задоволення будь-яких потреб населення та економіки.

3. Сукупність усіх форм і видів використання водних ресурсів у загальній системі природокористування.

Землі водного фонду – землі, охоплені морями, річками, озерами, водосховищами, іншими водоймами, болотами, а також островами; прибережними захисними смугами вздовж морів, річок і навколо водойм; гідротехнічними, іншими водогосподарськими спорудами та каналами, а також землі, виділені під смуги відведення для них; берегові смуги водних шляхів.

1.2. Розподіл води на Землі

Вода – найпоширеніша речовина у природі. Вона перебуває у вільному стані (океани, моря, озера, ріки, льодовики), міститься в мінералах, гірських породах, ґрунті та входить до складу живих організмів (50-90 % їхньої маси, а в тілі медузи і огірка – близько 98 %). Планета Земля містить близько 16 млрд км³ води, що становить 0,25 % її маси. Основна частина води знаходиться в глибинних зонах (мантії) Землі. За місцем розміщення воду поділяють на атмосферну, поверхневу та підземну.

Усі водні джерела (океани, моря, ріки, озера, водоймища, льодовики, болота, атмосферні та підземні води) входять до складу Світового океану й утворюють гідросферу планети Земля. Більша частина поверхні планети (близько 71 %) вкрита водами Світового океану. Загальний об'єм води в ньому становить 1338000 тис. км³ – близько 94 % усієї води планети.

Показники водних ресурсів земної кулі наведені в таблиці 1.1. Практичний інтерес для задоволення потреб людей становлять води річок. Їхній одномоментний об'єм дуже малий, однак у колообігу вологи він відтворюється протягом року в середньому приблизно 23 рази і в зв'язку з цим оцінюється у 47 тис. км³ на рік, або при вираженні через шар стоку – 315 мм і через модуль стоку – 10 л/с з 1 км². Величина річкового стоку істотно змінюється по території: від 10-20 мм/рік в аридних районах до 9000 мм/рік і більше в окремих дуже зволожених районах.

Таблиця 1.1

Об'єм води та активність водообміну різних частин

гідросфери земної кулі

 

Під час оцінювання водних ресурсів басейнів річок, окремих територій слід враховувати, що річкові водні ресурси складаються з двох нерівноцінних, різних за походженням частин: підземної і поверхневої. Перша постійна, стабільна і тому, як правило, не потребує регулювання. Разом з тим вона в цілому характеризує відновлювальні запаси підземних вод зони активного водообміну. Глибинні підземні води, що містяться нижче рівня дренування річками, беруть незначну участь у сучасному колообігу води, мають застійний характер і тому найчастіше мінералізовані, іноді сильно. Поверхнева частина річкового стоку дуже мінлива і для використання, як правило, потребує регулювання.

Валове зволоження територій загалом характеризує річний відновлюваний запас ґрунтової вологи.

Теоретично водні ресурси невичерпні, оскільки вони відновлюються в процесі колообігу. Ще не так давно вважалося, що води на землі так багато, що, за винятком окремих посушливих районів, людям не слід турбуватись про її нестачу. Однак це не так. Через значне зростання потреби у воді дедалі частіше виникає проблема із її забезпеченням, особливо чистою водою.

1.3. Колообіг води

 

Вода в природі перебуває у безперервному русі, бере участь у геологічному та біологічному колообігах речовин. Колообіг води у природі – це безперервний процес руху та обміну водою між складовими гідросфери під впливом тепла і гравітаційних сил. Під дією теплової радіації сонця вода випаровується з поверхні океанів, морів, річок, озер, водосховищ, ставків та суші і надходить до атмосфери. В атмосфері водяна пара конденсується з утворенням хмар. Крім того, водяна пара охолоджується, конденсується і під дією гравітаційних сил випадає у вигляді опадів – дощу, снігу, граду. Отже, вода переходить з одного агрегатного стану (газуватого) в інший (рідкий або твердий) і перерозподіляється на поверхні Землі, сприяючи руху поверхневих і підземних вод і навіть течіям в океанах та морях.

У колообігу беруть участь усі води гідросфери, які тісно пов'язані між собою. Однак швидкість переміщення окремих видів води (океанічної, атмосферної, льодовикової, ґрунтової, озерної, біологічної) неоднакова. Тому тривалість їх поновлення дуже різниться і коливається в широких межах (табл. 1.2) – від кількох годин для біологічної води до десятків тисячоліть для підземних вод.

З даних табл. 1.2 випливає, що найшвидше поновлюються біологічні води. Внаслідок транспірації рослин до атмосфери надходить більша частина ґрунтової вологи. Атмосферна волога утворюється за рахунок випаровування з поверхні водойм, поновлюючись у середньому кожні 8 діб.

Запаси води в руслах річок у середньому повністю поновлюються впродовж 16 діб, і для окремих континентів тривалість періоду поновлення коливається в межах 9-16 діб. Із прісних вод найповільніший обмін характерний для льодовиків гірських районів і полярних материків. Поновлення запасів води в гірських льодовиках відбувається за рахунок опадів, а витрачання – у результаті танення і випаровування. Найбільша кількість прісної води зосереджена в льодяній кризі Антарктиди. Витрачання акумульованої у кризі води відбувається надзвичайно повільно через випаровування і сповзання криги в океан.

 

Таблиця 1.2

Тривалість періодів поновлення запасів

води на Землі

За інтенсивністю обміну води з іншими складовими гідросфери у товщі земної кори розрізняють кілька зон. Зона активного водообміну розміщена до глибини 0,3-0,5 км. Вода в цій зоні контактує з поверхневими водоймами – річками, озерами, водосховищами, ставками, болотами – і, звичайно, є прісною.

На великих глибинах розміщена зона пасивного водообміну. Тривалість поновлення вод тут досягає мільйонів років, а їхня мінералізація становить понад 3,5 г/л. За складом це переважно хлоридні води, подібні до морської води. У світових запасах прісної води частка підземних та ґрунтових вод становить близько 22 %.

1.4. Формування ресурсів прісних вод

 

Прісна вода становить незначну частину гідросфери (менш як 4 %). Основна маса прісної води (до 77 %) знаходиться в сніго-льодовиковому покриві. Розподіл води в гідросфері досить нерівномірний. Найбільші запаси прісної води зосереджені в сніго-льодовикових покривах Антарктиди, Гренландії та Арктики. Вода в льодовиках перебуває в твердому стані й характеризується найменшим умістом солей серед відомих водних джерел у природі. Максимальна мінералізація льодовикової води становить 3 мг/л. Людство, розглядаючи водний баланс майбутнього, з надією дивиться на цю величезну «комору» прісної води, де зосереджено до 77 % усіх запасів прісної води нашої планети. Вже існують проекти буксирування айсбергів з льодовиків Антарктиди до Австралії, Південної Америки та інших регіонів. За вартістю вода з льодовиків не перевищуватиме вартості підземних або прісних вод.

Усі інші складові гідросфери, крім вод Світового океану, підземних і снігольодовикових утворів, є малими складовими гідросфери і становлять незначну частку світових запасів прісної води. Найбільша кількість прісної води міститься у ставках та озерах (близько 0,28 · 10¹⁵ т), яких на Землі налічуються мільйони. Деякі з озер мають дуже великі розміри і досить глибокі. Найбільше прісної води міститься в озері Байкал у Росії, яке має глибину 1620 м.

Озера різняться як за складом, так і за концентрацією розчинених у їхніх водах речовин. За своїм складом вони наближаються до підземних вод. У посушливих і пустельних зонах Землі переважають солоні й солонуваті озера. Наприклад, в озері Вікторія вміст солей в 11 разів більший, ніж в океанічних водах.

Болота є проміжною ланкою біосфери між озерами і підземними водами. Значна їх кількість знаходиться в помірних і високих широтах. У них нагромаджується болотний торф, до складу якого входить вуглець. До боліт належать і перезволожені ґрунти, які здебільшого поширені в тропічних районах. У них торф не нагромаджується, оскільки органічні речовини розкладаються повністю. Загальна площа боліт і перезволожених ґрунтів становить близько 3 млн км². У прибережних морських районах вода в болотах буває солоною чи солонуватою. Масу прісної озерної і болотної води оцінюють у 0,35 % загальної прісної води на Землі.

Ґрунтові води за інтенсивністю обміну з поверхневими водами та атмосферою подібні до поверхневих вод, за дією капілярних   сил – до підземних вод, а за вмістом різних речовин (газів, органічних сполук і організмів) – це середовище, в якому інтенсивно відбуваються біогеохімічні процеси. Останні забезпечують родючість ґрунтів.

Річки і струмки – джерела прісної води, яка відтворюється в них найшвидше порівняно з іншими складовими біосфери. Маючи невелику миттєву масу (близько 1,2·10¹² т), вони впродовж року доставляють води у 37-38 разів більше (близько 4,5·10¹³ т), ніж містять самі водойми. Середня мінералізація цих вод ~ 90 мг/л. Солоні річки трапляються дуже рідко. Це здебільшого річки, які живляться солоними підземними водами або мають у своїх руслах поклади солі.

1.5. Поверхневі і підземні води

 

Крім вод Світового океану найбільше води знаходиться в літосфері – підземні води гідросфери (ґрунтові, підґрунтові, міжпластові безнапірні й напірні води, води тріщин карстових порожнин). Підземні води становлять 60 млн км³, або 4,12 % загального об'єму, і знаходяться на різних глибинах (до кількох кілометрів). Проте в зоні активного водообміну їх міститься менш як 4 млн км³. У льодовиках знаходиться 24 млн км³ води, в озерах і водосховищах – 280 тис. км³, у ґрунтах – 85 тис. км³, в атмосфері – 14 тис. км³. Вода, що знаходиться в руслах річок, становить лише 1,2 тис. км³.

До поверхневих вод належать води океанів, морів, озер, річок, боліт, струмків і штучних озер. Океани, моря та деякі озера мають солону воду. В річках, більшості озер, ставках, штучних водосховищах, болотах і струмках міститься прісна вода. Останню, як правило, використовують для господарського водозабезпечення. Отже, на Землі більшість вод (майже 1,5 млрд км³) містить значну кількість розчинених солей. До них належать води океанів, морів, деяких озер і більшість підземних вод поза зоною активного водообміну.

Підземна вода може перебувати у вільному, пароподібному і фізично зв’язаному стані. До фізично зв'язаної води зазвичай належить міцно зв’язана гігроскопічна вода, яка утримується молекулярними силами на поверхні часточок породи. На великих глибинах за високого тиску, який досягає сотень мегапаскалів, вода витискується з породи і переходить у вільний стан. До фізично зв'язаної води належить також капілярна вода, яка під дією капілярних сил переміщується в тонких порах і шпаринах.

Підземні води заповнюють пори, тріщини й пустоти, тісно контактують з ґрунтом і породами земної кори. Для них характерне пошарове розміщення водоносних горизонтів (рис. 1.1), що відокремлені водонепроникними пластами породи, слабкий зв'язок з атмосферою, незначний розвиток біологічних процесів, бідність форм життя, підвищені температура і тиск. Усе це сприяє меншому забрудненню вод нечистотами та мікроорганізмами, завдяки чому вони за якістю наближені до питних вод. Знаходячись на значних і різних глибинах, вони характеризуються стабільним хімічним складом.

Рис. 1.1. Схема залягання підземних вод:

1 – верховодка; 2 – міжпластові безнапірні води; 3 – ґрунтові води; 4 – міжпластові напірні води

 

За глибиною залягання підземні води поділяють на три зони. Верхня зона, глибина якої здебільшого становить 2 - 6 м (див. рис. 1.1), але може досягти 20-60 (середня частина України) і навіть  300 м (південна частина України), має активний водообмін, зазнає дії фільтраційних атмосферних опадів та деякою мірою атмосферного повітря. Мінералізація води коливається в межах 100-1000 мг/дм³. Середня зона розміщена на глибині 300-600, інколи – 2000 м. Цю воду використовують для бальнеологічних цілей. Нижня зона залягає на глибині кількох кілометрів. У цій зоні практично немає водообміну і містяться високомінералізовані води хлорнатрієво-кальцієвого складу, інколи зі значним умістом сірководню, брому та рідкісних елементів. Ці води використовують у промисловості для добування йоду, брому та рідкісних елементів. 

Із господарсько-питною метою використовують здебільшого воду верхньої зони. Якість води залежить від типів ґрунтів і порід, розміщених нижче. Зі збільшенням глибини залягання води зменшується число мікроорганізмів і на глибині 6 м і більше воно дорівнює нулю. Шар ґрунту завтовшки 3,5-4 м на полях фільтрації затримує до 90 % мікроорганізмів.