1.9: Вода

ВСТУП

Вода є великою речовиною на землі і охоплює 71 відсоток земної поверхні. Вода Землі складається з трьох відсотків прісної води і 97 відсотків морської води. Всі живі організми вимагають води для того, щоб жити. Насправді вони в основному складаються з води. Вода також важлива з інших причин: як агент ерозії вона змінює морфологію землі; вона діє як буфер проти екстремальних змін клімату, коли вона присутня у великій водоймі, і допомагає змивати та розбавляти забруднюючі речовини в навколишньому середовищі.

Фізичні характеристики води впливають на спосіб життя на землі. Унікальними характеристиками води є:

1. Вода є рідиною кімнатної температури і в відносно широкому діапазоні температур (0 -100° C). Цей широкий діапазон охоплює середню річну температуру більшості біологічних середовищ.
2. Відносно велика кількість енергії потрібно для підвищення температури води (тобто вона має високу теплоємність). В результаті цієї властивості великі водойми виступають в ролі буферів від екстремальних коливань клімату, вода робить як відмінний промисловий теплоносій, і вона допомагає захистити живі організми від різких температурних перепадів навколишнього середовища.
3. Вода має дуже високу теплоту випаровування. Випаровування води допомагає розподіляти тепло по всьому світу; воно забезпечує організм засобами для розсіювання небажаного тепла.
4. Вода є хорошим розчинником і забезпечує хороше середовище для хімічних реакцій, в тому числі і біологічно важливих. Вода переносить поживні речовини до клітин організму і вимиває продукти життєдіяльності, і це дозволяє потік іонів, необхідних для м'язових і нервових функцій у тварин.
5. Рідка вода має дуже високий поверхневий натяг, сила утримує поверхню рідини разом. Це, поряд з його здатністю прилипати до поверхонь, дозволяє вгору транспортувати воду в рослині і грунті шляхом капілярної дії.
6. Тверда вода (лід) має меншу щільність, ніж рідка вода на поверхні землі. Якби лід був щільнішим за рідку воду, він би тонув, а не плавав, а водойми в холодному кліматі врешті-решт замерзли б тверді, вбиваючи організми, що живуть в них.

Прісноводна вода становить лише близько трьох відсотків загального водопостачання землі і зустрічається як поверхневі води, так і підземні води. Поверхневі води починаються як опади. Та частина опадів, яка не проникає в грунт, називається стоком. Стік впадає в струмки і озера.

Дренажний басейн, з якого стікає вода, називається вододілом. Опади, які проникають в землю і потрапляють в пастку в тріщини і пори грунту і породи, називають грунтовими водами. Якщо грунтові води зупиняються непроникним бар'єром з гірських порід, він може накопичуватися до тих пір, поки пориста область не стане насиченою. Вершина цього скупчення відома як рівень води. Пористі шари піску і породи, через які протікають грунтові води, називають водоносними горизонтами.

Більшість прісноводних вод замкнені в заморожених льодовиках або глибоких підземних водах, де вона не придатна для використання більшістю живих організмів. Таким чином, лише крихітна частина загального запасу води на землі є придатною для використання прісною водою. Тим не менш, наявної кількості достатньо для підтримки життя через природний кругообіг води. У водному циклі вода постійно накопичується, стає очищеною, перерозподіляється. На жаль, у міру збільшення людського населення по всьому світу їх діяльність загрожує перевантаженням природного циклу та погіршенням якості доступної води.

ВИКОРИСТАННЯ ВОДИ В СІЛЬСЬКОМУ ГОСПОДАРСТВІ

Сільське господарство є єдиним найбільшим споживачем води у світі. Велика частина цієї води використовується для поливу сільськогосподарських культур. Зрошення - це процес транспортування води з однієї ділянки в іншу з метою вирощування сільськогосподарських культур. Вода, яка використовується для поливу, зазвичай надходить з річок або з грунтових вод, що перекачуються з свердловин. Основна причина зрошення культур полягає в тому, що він підвищує врожайність. Це також дозволяє вирощувати маргінальні землі в посушливих регіонах, які, як правило, не підтримують сільськогосподарські культури. Існує кілька методів поливу: повеневий полив, полив борозни, крапельний полив і центральний стрижневий полив.

Повеневий полив передбачає затоплення площі посівів, розташованої на загальному рівнинній землі. Цей метод гравітаційного потоку води відносно простий у реалізації, особливо якщо використовується природне затоплення рівнин річок, і тому є економічно вигідним. Однак значна частина води, що використовується при повеневому зрошенні, втрачається або випаровуванням, або просочуванням в грунт, що прилягає до передбачуваної зони зрошення. Оскільки сільськогосподарські угіддя повинні бути рівними для поливу паводків, зрошення паводків є практичним лише в певних районах (наприклад, заплави річок та придонних угідь). Крім того, оскільки земля повністю затоплена, солі з зрошувальної води можуть накопичуватися в грунті, що в кінцевому підсумку робить її неродючою.

Зрошення борозни передбачає також самопливне протікання води на відносно рівній землі. Однак при такому вигляді поливу водний потік обмежується борознами або канавами між рядами культур. Це дозволяє краще контролювати воду і, отже, потрібно менше води і менше витрачається даремно. Оскільки вода може доставлятися в борозни з труб, земля не повинна бути повністю рівною. Однак зрошення борозни передбачає більш високі експлуатаційні витрати, ніж полив повені через збільшення робочої сили та необхідного обладнання. Вона теж передбачає великі випаровування втрат.

Крапельний полив передбачає доставку невеликої кількості води безпосередньо до окремих рослин. Вода виділяється через перфоровані трубки, встановлені над або під землею біля коренів окремих рослин. Цей метод спочатку був розроблений в Ізраїлі для використання в посушливих регіонах, що мають обмежену кількість води, доступної для зрошення. Він високоефективний, з невеликими витратами води. Деякі недоліки крапельного поливу полягають у великих витратах на монтаж і обслуговування системи. Тому він практичний лише для використання на високоцінних товарних культурах.

Центр-поворотні спринклерні системи подають воду до посівів з спринклерів, встановлених на довгій стрілі, яка обертається навколо центральної опори. Вода перекачується в шкворн з сусіднього зрошувального колодязя. Ця система має ту перевагу, що вона дуже мобільна і може бути переміщена з одного поля в інше в міру необхідності. Його також можна використовувати на нерівних посівних угіддях, оскільки рухома стріла може повторювати контури землі. Центральні поворотні системи широко використовуються в західних рівнинних і південно-західних регіонах США. При правильному управлінні правильно спроектовані системи можуть бути майже такими ж ефективними, як і системи крапельного поливу. Центр-шарнірні системи мають високі початкові витрати і вимагають прилеглого зрошувального колодязя, здатного забезпечити досить високий потік. Постійний полив колодязною водою також може привести до засолення грунту.

ПОБУТОВОГО ТА ПРОМИСЛОВОГО ВОДОКОРИСТУВАННЯ

Вода важлива для всіх видів промисловості (тобто, обробної, транспортної та гірничодобувної промисловості). Виробничі майданчики часто розташовуються поблизу джерел води. Серед інших властивостей вода є відмінним і недорогим розчинником і теплоносієм. Багато вироблених рідких продуктів мають воду в якості основного інгредієнта. Хімічні розчини, що застосовуються в промислових і гірничих процесах, зазвичай мають водну основу. Виробниче обладнання охолоджується водою і очищається водою. Вода навіть використовується як засіб транспортування вантажів з одного місця в інше при виробництві. Атомні електростанції використовують воду для помірного та охолодження активної зони реактора, а також для виробництва електроенергії. Промисловість буквально зайшла б у глухий кут без води.

Люди використовують воду для побутових цілей, таких як особиста гігієна, приготування їжі, прибирання та садівництво. Розвинені країни, особливо США, як правило, використовують велику кількість води для побутових цілей.

Вода, яка використовується для особистої гігієни, припадає на основну частину побутового водокористування. Наприклад, вода, яка використовується за один день в раковині, душових та туалетах в Лос-Анджелесі, заповнила б великий футбольний стадіон. Людям потрібен надійний запас питної води; інакше можуть виникнути серйозні проблеми зі здоров'ям, пов'язані з захворюваннями, що передаються водою. Це вимагає встановлення та обслуговування муніципальних водоочисних споруд у великих населених пунктах.

Багато чистої води витрачається даремно в промисловому та побутовому використанні. У Сполучених Штатах це пов'язано, головним чином, з низькою вартістю води. Забезпечення достатньої кількості чистої води у великих районах населення стає все більш зростаючою проблемою. Заходи щодо збереження можуть мінімізувати проблему: перепланування виробничих процесів для використання меншої кількості води; використання рослинності для озеленення в посушливих регіонах, які потребують меншої кількості води; використання водозберігаючих душових та туалетів та повторне використання сірої води для цілей зрошення.

КОНТРОЛЬ ВОДНИХ РЕСУРСІВ

Як домогосподарства, так і промисловість залежать від надійних поставок чистої води. Тому управління та охорона водних ресурсів має важливе значення. Побудова гребель через поточні річки або потоки та злиття води у водосховищах - популярний спосіб контролю водних ресурсів. Греблі мають ряд переваг: вони дозволяють тривалий час зберігати воду для сільськогосподарського, промислового та побутового використання; вони можуть забезпечити виробництво гідроелектроенергії та боротьбу з повенями нижче за течією. Однак греблі порушують екосистеми, вони часто витісняють людські популяції і знищують хороші сільськогосподарські угіддя, і з часом вони заповнюються мулом.

Люди часто потрапляють у природний водний цикл, збираючи воду в рукотворних водоймах або копаючи свердловини для видалення підземних вод. Вода з цих джерел направляється в річки, техногенні канали або трубопроводи і транспортується до міст або сільськогосподарських угідь. Таке відведення водних ресурсів може серйозно вплинути на регіони, з яких береться вода.

Наприклад, Каліфорнійський регіон Долини Оуенс став пустелею після того, як водні проекти відвели більшу частину стоку Сьєрра-Невади в столичну область Лос-Анджелеса. Це піднімає питання про те, хто володіє (або має права на) водні ресурси.

Водні права зазвичай встановлюються законодавством. На сході США «Доктрина прибережних прав» є основою прав користування. Той, чия земля знаходиться поруч з поточним потоком, може використовувати воду до тих пір, поки деякі залишаються для людей нижче за течією. Речі обробляються по-різному в західних Сполучених Штатах, де використовується підхід «перший прийшов, перший подається», відомий як "Принцип попереднього асигнування" використовується. Використовуючи воду з потоку, початковий користувач встановлює законне право на постійне використання спочатку взятого обсягу води. На жаль, коли води в потоці недостатньо, страждають користувачі нижче за течією.

Справа річки Колорадо підкреслює проблему водних прав. Федеральний уряд побудував серію гребель вздовж річки Колорадо, яка осушує величезну територію південно-західної частини США і північної Мексики. Метою проекту було забезпечення водою міст і селищ у цій посушливій місцевості та зрошення сільськогосподарських культур. Однак, оскільки з цих гребель вилучалося все більше води, менше води було доступно нижче за течією. Лише обмежений обсяг води досяг мексиканського кордону, і це було солоним і непридатним для використання. Уряд Мексики скаржився, що їхній країні відмовляють у використанні води, яка частково була їхньою, і в результаті була побудована установка для опріснення, щоб забезпечити потік корисної води.

Загальне право, як правило, надає власникам права власності на підземні води під їх землею. Однак проблема може виникнути в ситуації, коли кілька власників нерухомості замикаються в один і той же джерело грунтових вод. Водоносний горизонт Огаллала, який простягається від Вайомінга до Техасу, широко використовується фермерами для зрошення. Однак таке використання призводить до виснаження підземних вод, так як водоносний шар має дуже повільну швидкість підживлення. У таких випадках, як цей, необхідний загальний план водокористування для збереження водних ресурсів для подальшого використання.

Відведення води

Вода необхідна для всього життя, а також для людського сільського господарства і промисловості. Великі зусилля та витрати пішли на відведення води від того місця, де це відбувається природним шляхом, туди, де це потрібно людям. Масштабний перерозподіл такого життєво важливого ресурсу має наслідки як для людей, так і для навколишнього середовища. Три проекти, узагальнені нижче, ілюструють витрати та вигоди та складні питання, пов'язані з відведенням води.

Проект диверсії гарнізону

Метою проекту «Відведення гарнізону» було відведення води від річки Міссурі до Червоної річки в Північній Дакоті, по дорозі зрошуючи понад мільйон акрів прерій, залучаючи нових жителів та промисловості та надаючи можливості для відпочинку.

Будівництво почалося в 1940-х роках, і хоча було витрачено 600 мільйонів доларів, побудовано лише 120 миль каналів і кілька насосних станцій. Проект не був завершений через фінансові проблеми та широкі заперечення екологів, сусідніх держав та Канади. Деякі заперечують проти затоплення рідкісних прерійних місць проживання. Багато хто стурбований тим, що переміщення води з одного вододілу в інший також перенесе немісцеві та інвазивні види, які можуть атакувати місцеві організми, спустошувати місця існування та завдати економічної шкоди рибальству та іншим галузям промисловості. Оскільки витрати на будівництво та технічне обслуговування зросли, платники податків висловили стурбованість тим, що надмірні державні гроші витрачаються на проект з обмеженими громадськими вигодами.

Проект водопостачання Меламчі

Долина Катманду в Непалі - важливий міський центр з недостатнім запасом води. Один мільйон людей отримує водопровідну воду всього кілька годин на день. Водосховища підземних вод осушуються, а якість води досить низька. Проект водопостачання Меламчі відведе воду в Катманду через 28-кілометровий тунель від річки Меламчі в сусідній долині. Очікується, що коштуватиме півмільярда доларів, проект включатиме вдосконалені водоочисні та розподільні споруди.

Хоча проблеми з водою в долині Катманду є серйозними, проект є суперечливим. Прихильники кажуть, що це покращить здоров'я та гігієну населення та стимулює місцеву економіку, не завдаючи шкоди екосистемі річки Меламчі. Противники припускають, що екологічні гарантії є неадекватними і що ряд людей будуть переміщені. Можливо, їх найбільше заперечення полягає в тому, що проект приватизує водопостачання та підніме витрати за межі досяжності бідних. Вони стверджують, що більш дешеві та ефективніші альтернативи були проігноровані за наполяганням міжнародних банків, а заборгованість за кредитами проектів скалічить економіку.

Проект відведення води з півдня на північ

Багато великих міст Китаю страждають від сильного дефіциту води, особливо в північній частині країни. Надмірне використання та промислові скиди спричинили сильне забруднення води. Проект «Відведення води з півдня на північ» призначений для переміщення величезної кількості води з річок на півдні Китаю на суху, але густонаселену північну половину країни. Нові споруди по боротьбі з забрудненням та очисні споруди, які будуть побудовані одночасно, повинні покращити якість води по всій країні.

Відведення буде здійснено шляхом створення трьох річок, побудованих людиною, кожна довжиною понад 1000 км. Вони разом будуть направляти майже 50 мільярдів кубометрів води щорічно, створюючи найбільший проект відведення води в історії. Очікується, що будівництво займе 10 років і обійдеться в 60 мільярдів доларів, але після 2 років роботи диверсія вже перевищує бюджет.

Такий масовий зсув водних ресурсів матиме великі екологічні наслідки по всій системі. Рівень води в річках і болотах різко знизиться на півдні і підніметься на півночі. Люди і дика природа будуть переміщені по течіях нових річок.

Незважаючи на приголомшливі масштаби, одного проекту «Південь на північ» буде недостатньо для вирішення дефіциту води. Китаю все ще потрібно буде збільшити програми збереження води, зробити промисловості та сільське господарство більш ефективними водними, а також підвищити обізнаність громадськості про сталу водну практику.