Методические особенности изучения темы "Гидросфера" в курсе дисциплин естественно-научного цикла

Судить о качестве воды и ее соответствии или несоответствии установленным нормам можно только на основании максимально полного химического и бактериологического анализа. Только на основе анализа можно делать окончательный вывод о той проблеме или комплексе проблем, с которыми придется иметь дело.

Основные неприятности с водой, с которыми приходится сталкиваться пользователям, следующие. >Наличие в воде нерастворенных механических частиц, песка, взвесей, ржавчины, а также коллоидных веществ. Их присутствие в воде приводит к ускоренному абразивному износу сантехники и труб, а также к их засорению.

Присутствие в воде растворенного железа и марганца. Такая вода первоначально прозрачна, но при отстаивании или нагреве приобретает желтовато-бурую окраску, что является причиной ржавых подтеков на сантехнике. При повышенном содержании железа вода также приобретает характерный «железистый» привкус.

Жесткость, которая определяется количеством растворенных в воде солей кальция и магния. При их высоком содержании возможны выпадение осадка и появление белесых разводов на поверхности ванны, мойки и т.д. Соли кальция и магния, называемые также солями жесткости, являются причиной возникновения всем хорошо известной накипи.

Сравнительно безобидная в чайнике, накипь, откладываясь на стенках водонагревательных устройств (бойлеров, колонок и т.п.), а также на стенках труб в линии горячей воды, нарушает процесс теплообмена. Это приводит к перегреву нагревательных элементов, перерасходу электроэнергии и газа. Отложение накипи является причиной до 90 % аварий водонагревателей.

Наличие в воде неприятного привкуса, запаха и цветности. На эти три параметра, которые принято называть органолептическими показателями, могут оказывать влияние находящиеся в воде органические вещества, остаточный хлор, сероводород.

Бактериологическая загрязненность. Вызвана наличием в воде различных микробов или бактерий. Некоторые из них могут представлять непосредственную угрозу здоровью и жизни человека, но даже сравнительно безопасные бактерии в процессе своей жизнедеятельности выделяют органические вещества, которые не только влияют на органолептические показатели воды, но и, вступая в химические реакции (например, с хлором), способны создавать ядовитые и канцерогенные соединения.

Естественно, что приведенный выше список не исчерпывает всего многообразия проблем, возникающих с водой, однако знакомит нас с основными из них.

Особая тема: пресная вода и ее дефицит

Проблемы, связанные с водой как важнейшим природным ресурсом, обусловлены не только неравномерным характером распределения речного стока по отдельным регионам и странам, но и ростом населения Земли и, следовательно, ростом потребления пресной воды населением, промышленностью, сельским хозяйством и сопровождающим его антропогенным и техногенным загрязнением всех компонентов гидросферы. Это привело к серьезной мировой экологической проблеме – дефициту чистой пресной воды.

Общие объемы водопотребления

Объем мирового потребления пресной воды за последнее столетие увеличился на порядок, причем наибольший рост приходится на последнюю четверть столетия. В настоящее время ежегодное мировое потребление пресной воды составляет 5-6 тыс. км3, или более 10 % ресурсов пресной воды на Земле. В Российской Федерации в последние пять лет годовое потребление составляет 90-100 км3, или порядка 2 % мирового водопотребления. Напряженность с пресной водой возникает, прежде всего, в тех регионах и странах, где скорость потребления пресной воды выше скорости возобновления ее запасов. В ряде регионов России забор воды из водоисточников в средний по водности год достигает 50 % от ресурсов пресной воды данного региона и даже больше. Обобщенная структура водопотребления в России такова: промышленность – 54 %; сельское хозяйство – 23 %; коммунально-бытовое хозяйство – 23 %.

Пресную воду используют на промышленных предприятиях, много ее потребляет сельскохозяйственное производство, вода питьевого качества расходуется на коммунально-бытовые нужды населения. Потребление пресной воды в мире и в России показано на диаграмме (рис. 2).

2.6.2 Водопотребление промышленными предприятиями

Расход воды на нужды промышленного производства очень велик. Вода – компонент большинства промышленных технологий и энергетических установок. Например, для выплавки 1 т чугуна, переработки его в сталь и прокат потребляется до 300 м3 воды, а для получения цветных металлов – еще больше (например, для получения 1 т меди – 500 м3, 1 т никеля – почти 4000 м3 чистой пресной воды).

Высока водоемкость отраслей химической промышленности, производящих каучук, капрон и другие синтетические материалы.

Добыча нефти и подавляющее большинство нефтехимических процессов ее переработки связаны с использованием больших объемов воды. Известно, что всего 30 % нефти поступает в скважины самотеком, дальнейшая добыча возможна лишь при закачивании в соседнюю скважину пара или воды. Объем воды, используемой при российской технологии нефтедобычи, очень велик: более 1000 млн. м3 в год. Одновременно происходит значительное загрязнение поверхностных водоемов из-за сброса предприятиями нефтедобычи сточных вод, более половины которых не очищены. На нефтеперерабатывающих заводах, работающих по старой технологии, расходуется до 10-15 м3 воды на 1 т перерабатываемой нефти. По мере совершенствования технологических процессов этот расход воды сокращается: на заводах, построенных в 60-е гг., он достигает 1 м3/т, а на современных предприятиях – 0,5-0,8 м3/т.

Очень водоемки технологические процессы в угольной промышленности – гидродобыча угля в гидрошахтах и гидромеханизированные вскрышки на разрезах, а также мокрое обогащение угля на обогатительных фабриках. Средний объем водопотребления объектами угольной промышленности в России составляет более 3000 млн. м3 в год, при этом предприятия отрасли сбрасывают в поверхностные водоемы загрязненную воду (81 % всех промышленных сточных вод, требующих очистки) с большим содержанием вредных, в том числе и канцерогенных, веществ и элементов. Отметим, что сброс в поверхностные водоемы шахтных вод, которые также загрязнены, вообще не предусматривает их очистки.

Велик расход воды непосредственно на электроэнергетических установках – ТЭС и АЭС: в среднем для получения 1 кВт × ч электроэнергии требуется до 200 м3 воды. Объемы используемой воды можно рассчитать, зная цифровое значение вырабатываемой в стране электроэнергии (например, ежегодная выработка электроэнергии в России составляет около 1000 мдрд кВт×ч). В целом расход воды при работе тепловых и атомных электростанций соответствует стокам крупных рек.

Водопотребление в сельском хозяйстве

Крупный потребитель пресной воды – сельское хозяйство. Орошение – одно из средств увеличения объема сельскохозяйственной продукции, поскольку для выращивания зеленой массы, цветения и плодоношения растениям требуется очень много воды. Так, для получения 1 кг зеленой массы растение расходует на транспирацию от 200 до 1000 м3 воды. Для орошения 1 га зерновых полей в среднем необходимо около 1000 м3 воды, 1 га рисовых полей – от 8000 до 12000 м3 воды. В связи с ростом населения в тех регионах, в которых рис – основная сельскохозяйственная культура, там расширяются площади орошаемых земель. В настоящее время во всем мире орошается почти 300 млн. га земли и 60 % мирового водозабора затрачивается на орошение.