Проблема питьевой воды

Введение

Вода является природным ресурсом, необходимым для существования не только человека, но и жизни на Земле в целом. Однако в настоящее время многие специалисты все чаще говорят о проблеме качества воды, в первую очередь о дефиците чистой питьевой воды.
Обострение проблемы питьевой воды определяется действием двух основных факторов. В первую очередь, это неуклонное увеличение численности населения планеты, что неизбежно сопровождается ростом промышленного и сельскохозяйственного водопотребления. Второй причиной возникновения дефицита воды является загрязнение пресноводных экосистем и вод Мирового океана. Бытовые и промышленные отходы не только загрязняют водоемы, но и значительно уменьшают способности гидросферы к самоочищению [1].
Проблему обеспечения населения водой в настоящее время можно расценивать как одну из наиболее актуальных проблем, стоящих перед человечеством. Так, согласно данным Комитета ООН по окружающей среде, сегодня почти треть населения земного шара уже страдает от дефицита пресной воды, а к середине XXI века практически все страны будут испытывать острый недостаток воды. Данная проблема затронет даже страны, которые обладают значительными запасами пресной воды, в том числе и Россию. Это повышает практическую значимость научного анализа данной проблемы в ее социальных, экономических и экологических аспектах.
В связи с этим целью настоящей работы является краткая характеристика современного состояния проблемы питьевой воды.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
- изучить отечественную и зарубежную литературу, посвященную проблеме питьевой воды;
- выявить основные факторы, обостряющие проблему питьевой воды;
- выделить основные направления решения проблемы питьевой воды.Проблема дефицита пресной воды

По информации ООН, сегодня в условиях постоянного дефицита пресной воды живет более 1,2 млрд человек, а около 2 млрд человек испытывают периодическую нехватку воды, например, в засушливые сезоны. Прогнозы с использованием современных математических моделей говорят о том, что проблема питьевой воды, несмотря на прилагаемые для ее решения усилия, в ближайшие десятилетия не потеряет своей актуальности. По данным экспертов ООН, в 2050 году постоянную нехватку водных ресурсов будет ощущать на себе от 2 до 7 миллиардов жителей планеты [2].
Даже Россия, располагающая значительными водными ресурсами, в ряде регионов уже сегодня испытывает дефицит в пресной воде, что обусловлено крайне неравномерным распределением водных ресурсов по территории страны. Наибольшая нагрузка, связанная с водопотреблением, приходится на южные регионы Российской Федерации, которые характеризуются наличием крупных промышленных и сельскохозяйственных объектов при высокой плотности населения [1].
Проблема нехватки питьевой воды усугубляется глобальным изменением климата, а также ростом потребности в продовольствии и средствах гигиены увеличивающегося населения Земли. Уже в настоящее время можно констатировать постоянное сокращение среднего объема расходуемой воды в расчете на одного жителя Земли. Так, за последние сорок лет это сокращение составило около 60%, что связано как с ростом численности населения Земли, так и с возрастанием темпов расходования воды.
Основным потребителем воды традиционно является сельское хозяйство, при этом его интенсивное развитие и освоение новых площадей сопровождается постоянным ростом расходования воды. В настоящее время на долю сельского хозяйства приходится более 85% от общего объема потребляемой воды. Производство 1 т зерна требует расхода около 1000 м3 воды. В свою очередь, постоянный рост населения требует повышения объемов производимого продовольствия, так что в ближайшее время сложно ожидать сокращение масштабов водопотребления.
Масштабным потребителем водных ресурсов остается промышленность. Для работы теплоэлектростанции мощностью 1 млн кВт необходимо более 1 км3 воды в год, для АЭС той же мощности – не менее 1,5 км3 воды в год. Средний расход воды на производство 1 т стали составляет около 20 м3, 1 т бумаги – 200 м3, 1 т химического волокна – более 4000 м3 [3].
Основными факторами, определяющими дефицит питьевой воды, можно считать климатические особенности региона, особенности рельефа и недостаток природных источников водоснабжения, а также высокую плотность населения. Перед дефицитом воды в определенной мере равны и бедные малонаселенные страны, и богатые развитые экономики. Но последствия проблемы питьевой воды для экономики и населения этих стран в значительной мере различаются. В последние годы самыми необеспеченными ресурсами пресной воды являются государства, располагающие ресурсами питьевой воды менее 1 тыс. м3 в год на душу населения: Египет, Израиль, Туркмения, Молдова, Пакистан, Алжир, Узбекистан, Марокко и некоторые другие государства [4].
В целом одним из самых вододефицитных в мире является регион Ближнего Востока и Северной Африки. 90 % территорий Ближнего Востока относятся к засушливым и сухим субгумидным почвам, с малым и незначительным содержанием источников пресной воды. На Ближнем Востоке и в Северной Африке проживает 5 % мирового населения, но на них приходится лишь 0,9 % мировых запасов воды. Недостаточно обеспечены водой и самые населенные страны мира, в том числе Китай и Индия. Согласно прогнозам, подобное положение сохранится и в будущем [4].
По данным ВОЗ, средняя обеспеченность сельского населения Африки питьевой водой составляет 50 %. В странах Африки, расположенных к югу от Сахары, питьевой водой обеспечено лишь 45 % сельского населения, в Центральной Африке – 33 %, в то время как в Северной Африке обеспеченность водой достигает 79 %, а в Южной – 72 % [5].
Сокращение водных ресурсов африканских рек, увеличение частоты и продолжительности засух связано не только с климатическими изменениями, но и с активной хозяйственной деятельностью человека, приводящей к сокращению стока рек в бассейны Нила и Замбези.
Дефицит питьевой воды в странах Азии имеет несколько иную природу. Азия – регион мира с самым значительным среднегодовым запасом ресурсов поверхностных вод, эта величина составляет немногим менее 9000 км3. Но на душу населения водных ресурсов в этом огромном регионе приходится меньше, чем на любом другом континенте – около 3 000 м3 в год. При этом распределение возобновляемых водных ресурсов поверхностных водных источников крайне неравномерно. Проблему дефицита воды в странах Азии усугубляет загрязнение водных источников [5].

Виды воды, ее состав и использование
Согласно Водному кодексу Российской Федерации водные объекты в зависимости от особенностей их режима, физико-географических, морфометрических и других особенностей подразделяются на:
1) поверхностные водные объекты;
2) подземные водные объекты [6].

Состав подземных вод
Подземная вода представляет собой очень сложную физико-химическую систему, меняющуюся в зависимости от состава, степени активности входящих в нее компонентов и термодинамических условий. Ионно-солевой комплекс подземных вод представлен микрокомпонентами, макрокомпонентами, радиоактивными элементами. Кроме того, почти в любой природной воде имеются органические вещества и микроорганизмы, растворенные в воде газ, а также коллоиды и механические примеси [7].
Отнесение к пресным водам обусловлено нормами ГОСТ. Слабосолоноватые воды могут использоваться для нецентрализованного водоснабжения, орошения; соленые – для оценки минеральных (лечебных) вод. Выделение подгрупп рассолов необходимо для правильной оценки термальных, промышленных подземных вод и вод нефтяных месторождений.
Основной химический состав подземных вод определяется содержанием наиболее распространенных трех анионов – HCO3-, SO42-, Сl- и трех катионов – Ca2+, Mg2+, Na+. Соотношение указанных шести элементов определяет основные свойства подземных вод – щелочность, соленость и жесткость. По анионам выделяют три типа воды:
1) гидрокарбонатные;
2) сульфатные;
3) хлоридные
и ряд промежуточных – гидрокарбонатно-сульфатные, сульфатнохлоридные, хлоридно-сульфатные и более сложного состава.
По соотношению c катионами они могут быть кальциевыми или магниевыми, или натриевыми, или смешанными кальциевомагниевыми, кальциево-магниево-натриевыми и др. При характеристике гидрохимических типов на первое место ставится преобладающий анион. Пресные воды в большинстве случаев гидрокарбонатно-кальциевые или гидрокарбонатно-кальциево-магниевые [7].

Использование подземных вод для водоснабжения
В настоящее время пресные подземные воды играют значительную роль в хозяйственно-питьевом водоснабжении населения многих стран. При этом отмечается тенденция к увеличению использования подземных вод для водоснабжения. Это объясняется тем общеизвестным фактом, что подземные воды, как источник водоснабжения, имеют ряд преимуществ по сравнению с поверхностными водами. Прежде всего, подземные воды, как правило, обладают лучшим качеством, более надежно защищены от загрязнения и заражения, меньше подвержены сезонным и многолетним колебаниям и в большинстве случаев их использование не требует дорогостоящих мероприятий по водоочистке [8].
В большинстве развитых и развивающихся стран мира подземные воды являются главным, а порой и единственным источником питьевой воды: 100% – в Австрии и Дании, более 90% – в Италии, 88% –в Венгрии, 70–80% – в Германии, Швейцарии и Польше, свыше 60% – в Греции, Бельгии и Голландии. Европейское общество в целом использует для этих целей почти 79% подземных вод. Полностью или почти полностью на подземных водах основано водоснабжение таких крупных городов Европы (с населением около миллиона человек и более), как Будапешт, Вена, Гамбург, Копенгаген, Мюнхен, Рим, а для таких городов, как Амстердам, Брюссель, Лиссабон, подземные воды покрывают более половины общей потребности в воде [8, 9].
Изучение особенностей использования подземных вод в водоснабжении населения России показывает, что их доля в настоящее время составляет 46% (41% в коммунальном и 83% в сельскохозяйственном водоснабжении). В то же время общие прогнозные ресурсы пресных и слабосолоноватых подземных вод страны составляют 870 млн. м3/сут. Разведанные эксплуатационные запасы пресных подземных вод, пригодных для питьевого водоснабжения, составляют 89,4 млн. м3/сут, а запасы подземных вод, утвержденные государственными органами по промышленным категориям и принятые к освоению, составляют 55,1 млн. м3 /сут. На рисунке 1 представлен общий отбор вод из подземных водных объектов на территории Российской Федерации [8].

Рисунок 1 - Распределение подземных вод по федеральным округам, тыс. м3/сут (%): а) добыча; б) извлечение

Состав поверхностных вод
Согласно Водному кодексу Российской Федерации к поверхностным водным объектам относятся:
1) моря или их отдельные части (проливы, заливы, в том числе бухты, лиманы и другие);
2) водотоки (реки, ручьи, каналы);
3) водоемы (озера, пруды, обводненные карьеры, водохранилища);
4) болота;
5) природные выходы подземных вод (родники, гейзеры);
6) ледники, снежники.
Поверхностные водные объекты состоят из поверхностных вод и покрытых ими земель в пределах береговой линии [6].
В гидрохимии традиционно принято рассматривать гидрохимический режим водного объекта по четырем составляющим: минерализации и ионному составу; органическому веществу; биогенным и литофильным элементам; газовому составу, взвешенным веществам и рН воды.
К основным особенностям рек, от которых зависят химический состав речной воды и ее гидрохимический режим, О. А. Алекин относит: 1) быструю смену воды в русле, в результате чего она взаимодействует с породами ограниченное время и испаряется незначительно; 2) формирование состава воды в самых поверхностных слоях земной коры; 3) сильную зависимость водного режима рек от климатических и погодных условий; 4) хорошее взаимодействие воды с атмосферой; 5) интенсивное воздействие на воду растительных и животных организмов [10].
По указанным выше причинам речные воды отличаются малой минерализацией, быстрой изменчивостью состава под воздействием гидрометеорологических условий и постоянным присутствием в воде газов атмосферного происхождения. В естественных условиях (при отсутствии в водосборном бассейне сильно растворимых минералов, болот, торфяников, различных антропогенных воздействий) речные воды являются пресными и служат одним из основных источников питьевого водоснабжения населения [10].
По величине минерализации (мг/л) воды рек делят на следующие 4 ступени: 1) малой минерализации (до 200); 2) средней минерализации (200–500); 3) повышенной минерализации (500–1000); 4) высокоминерализованные (свыше 1000). Большинство рек имеет малую и среднюю величину минерализации. Химический состав воды рек качественно более или менее однообразен и представлен в основном ионами: HCO3-, SO42-, Сl-, Ca2+, Mg2+, Na+. Однако соотношение этих ионов весьма различно. Следует отметить, что химический состав рек, как в отношении общей минерализации воды, так и по соотношению ионов по сравнению с другими водоемами в высшей степени динамичен

. Его легкая изменяемость во времени зависит от характера питания реки, которое за счет воздействия атмосферных осадков и сравнительно небольшой массы воды не является постоянным в течение года [10].
Главная особенность водоемов – способность в большей или меньшей степени накапливать вещества. По своему положению в рельефе суши и в системе материкового стока водоемы являются аккумуляторами минеральных и органических веществ, циркулирующих в пределах водосбора. Все изменения, происходящие на водосборе, отражаются на процессах накопления веществ в воде этих природных объектов.
Озера имеют неодинаковую минерализацию, что во многом определяется наличием или отсутствием стока. Как правило, химический состав воды озер, имеющих сток, тесно связан с составом воды притоков и подземных вод, питающих озеро. Так же, как и в реках, преобладающими ионами здесь являются HCO3- , Ca2+, Mg2+ и в меньшей степени – SO42-, Сl-, Na+, K+. Абсолютное содержание биогенных элементов в воде озер невелико и практически мало влияет на величину общей минерализации. Для химического состава воды и всего гидрохимического режима озера существенное значение имеют его размеры – площадь, глубина и объем. В больших озерах, аккумулирующих маломинерализованные паводковые воды, чаще всего минерализация бывает меньше, чем в небольших. Кроме того, от размера озера зависит прогреваемость воды, что, в свою очередь, определяет интенсивность биологических процессов. В малых, хорошо прогреваемых озерах с умеренной минерализацией и достаточным количеством питательных солей создаются оптимальные условия для развития живых организмов, и их гидрохимический режим в сильной степени связан с протекающими в них биологическими процессами (биологическим фактором), тогда как в больших озерах и озерах с высоким содержанием солей основными факторами являются физические и физико-химические процессы. Большое влияние на химический состав воды оказывает величина стока. Он создается в том случае, если озеро находится в зоне избыточного увлажнения и объем притока в озеро превышает испарение с его поверхности. Минерализация воды при этом обычно составляет не более 200–300 мг/л. При превышении испарения над притоком, что наблюдается в условиях недостаточного увлажнения, сток отсутствует и в озере происходит аккумуляция соей, вносимых притоками. Величина минерализации воды будет зависеть от интенсивности испарения, соотношения объема притока и размера озера, состава воды притока [10].

Использование поверхностных вод
Поверхностные воды идут на хозяйственно-питьевые и коммунально-бытовые нужды, водоснабжение пищевых производств; нужды рыбного хозяйства; рекреационного водопользования; водопользования других производств.
Для удовлетворения питьевых и хозяйственных нужд населения и отраслей экономики России из поверхностных и подземных источников ежегодно забирается в пределах 2 % возобновляемых ресурсов речного стока и подземных вод.
Основной объем водопользования в России в настоящее время, как и в предыдущие периоды, сконцентрирован в бассейне Каспийского моря. В частности, на этот бассейн в 2009 г. приходилось почти 41% (30,7 млрд м3) забора воды из всех природных источников, свыше 42% (24,4 млрд м3) использования свежей воды и около 36% (17,7 млрд м3) учтенного водоотведения в поверхностные водные объекты страны. В 2015 г. эти величины составляли соответственно 40% (27,6 млрд м3), 39% (21,2 млрд м3) и 36% (15,3 млрд м3), а в 2016 г. – 38,5% (26, млрд м3), свыше 38% (21,0) и более 34% (14,7 млрд м3). В 2017 г. суммарный забор воды в рассматриваемом регионе был на уровне 25,3 млрд м3 (37% от общероссийского объема), прямоточное водопотребление, то есть использование свежей воды – 19,9 млрд м3 (37%) и учтенное водоотведение в природные водоемы – 13,9 млрд м3 (почти 33% от общероссийской величины) [11].
В таблице 1 приведена характеристика водопользования по бассейнам отдельных рек, в таблице 2 - основные показатели использования воды по отдельным видам экономической деятельности в Российской Федерации, млн м3 [11].


Таблица 1 - Характеристика водопользования по бассейнам отдельных рек, млн м3

Таблица 2 - Основные показатели использования воды по отдельным видам экономической деятельности в Российской Федерации, млн м3


Проблема загрязнения водоемов

Динамика развития проблемы питьевой воды во многом определяется не только сокращением водных запасов, но и их загрязнением. Каждый год в мире загрязняется от 12 до 17 тыс. км3 поверхностных вод, то есть порядка половины доступной пресной воды [3].
Основные загрязнители гидросферы можно разделить на три основные группы: химические, физические и биологические загрязнители.
Химическое загрязнение воды является наиболее распространенным и стойким. В настоящее время более 400 видов веществ рассматриваются как потенциальные загрязнители вод. Среди них первоочередное значение имеют нефть и нефтепродукты, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), пестициды, тяжелые металлы, диоксины и другие соединения.
В настоящее время все источники загрязнения гидросферы можно условно разделить на четыре основные группы:
1. Атмосферные водяные пары, приносящие в водоемы разнообразные загрязнители промышленного происхождения. Водяные пары при взаимодействии с оксидами азота и серы в атмосфере образуют кислотные дожди, составляющие которых, в конечном итоге, попадают в водоемы. Аналогичным образом выпавшие атмосферные осадки и талые воды, поступая в гидросферу, приносят смытые с поверхностных слоев почвы химические загрязнители (нефтепродукты, фенолы, кислоты и др.).
2. Городские сточные воды содержат, в первую очередь, бытовые стоки с повышенными концентрациями органических веществ, моющих средств (детергентов), микроорганизмов, в том числе патогенных.
3. Промышленные сточные воды, состав которых в значительной степени зависит от характера производства. Наиболее активными потребителями (и, соответственно, загрязнителями) воды являются предприятия черной металлургии, химической, лесохимической, нефтеперерабатывающей промышленности и энергетики.
4. Сельскохозяйственные стоки в большом количестве содержат смытые в процессе эрозии частицы почвы, удобрения, пестициды, помет сельскохозяйственных животных [3].
В мировом масштабе в качестве основного загрязнителя гидросферы сегодня выступают предприятия нефтедобычи и нефтепереработки. Нефть и нефтепродукты попадают в водную среду в результате добычи нефти, ее транспортировки, переработки и использования. Однако наиболее массивным источником их поступления в океан являются балластные воды, сбрасываемые с танкеров и иных судов.
Среди компонентов городских сточных вод особое место по своему отрицательному воздействию на водную среду занимают детергенты, или поверхностно активные вещества (ПАВ), которые являются основным компонентом любого синтетического моющего средства. Именно ПАВ в процессе стирки способствуют удалению грязевых частиц от очищаемой поверхности. В составе сточных вод присутствуют ПАВ трех основных видов: катионные, анионные и неионогенные. Среди них наибольшую опасность представляют анионные ПАВ, которые способны вызывать аллергию, а также нарушения работы системы иммунитета у человека.
В настоящее время ПАВ являются одними из наиболее распространенных загрязнителей гидросферы. Они плохо поддаются очистке, поэтому вместе со сточными водами в водоемы попадает не менее половины от начального количества ПАВ. ПАВ снижают качество подземных питьевых вод, негативно действуют на представителей водных биоценозов. На поверхности водоемов ПАВ образуют толстые слои пены (до 1 м толщиной), которая затрудняет процесс аэрации (обогащения воды кислородом), что приводит к снижению биохимической очистительной способности водоемов. Помимо этого, загрязнение воды ПАВ приводит к существенному усилению коррозии в ней металлов. Легко проникая сквозь грунты, ПАВ могут попасть в питьевую воду через очистные сооружения водопроводов.
В современных условиях одним из наиболее значительных источников загрязнения водных ресурсов также становится сельскохозяйственное производство, которое является источником удобрений, в большом количестве попадающих в водоемы [3].

Требования к питьевой воде
Питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и иметь благоприятные органолептические свойства. Качество питьевой воды должно соответствовать гигиеническим нормативам перед ее поступлением в распределительную сеть, а также в точках водоразбора наружной и внутренней водопроводной сети [12].
Безопасность питьевой воды в эпидемическом отношении определяется ее соответствием нормативам по микробиологическим и паразитологическим показателям.
Безвредность питьевой воды по химическому составу определяется ее соответствием нормативам по:
обобщенным показателям и содержанию вредных химических веществ, наиболее часто встречающихся в природных водах на территории Российской Федерации, а также веществ антропогенного происхождения, получивших глобальное распространение;
содержанию вредных химических веществ, поступающих и образующихся в воде в процессе ее обработки в системе водоснабжения/
По органолептическим показателям питьевая вода должна быть прозрачна, бесцветна, не иметь неприятного запаха и вкуса, поверхностной пленки. Величина сухого остатка не должна превосходить 1 г/л, общая жесткость − 7,0 мг-экв/л, содержание железа − 0,3 мг/л. Содержание отдельных растворенных веществ не должно превышать предельных значений, допустимых нормами [12].
Проблема безопасности питьевой воды

Использование загрязненной воды влечет за собой множественные негативные последствия для здоровья человека, включая снижение общей продолжительности жизни. По оценке медиков, исключение из рациона загрязненной воды, способно привести к увеличению продолжительности жизни в среднем в два раза.
Более 80% болезней и смертельных исходов в странах развивающегося мира связаны с употреблением некачественной воды. Каждые восемь секунд в мире от болезней, связанных с водой, гибнет ребенок [2].
Особую опасность для здоровья человека представляет биологическое загрязнение питьевой воды, то есть попадание в воду патогенных бактерий, вирусов и простейших или резкое возрастание их количества. Хотя успехи медицины и эпидемиологии в последнее время являются несомненными и привели к резкому ограничению распространения инфекционных заболеваний, эпидемиологическая роль воды в передаче кишечных инфекций сегодня еще сохраняет свою высокую актуальность [13].
В настоящее время чаще всего регистрируются случаи заражения через системы водопотребления инфекционными заболеваниями, возбудителями которых являются сальмонеллы, кишечная палочка, золотистый стафилококк. В питьевой воде ненадлежащего качества могут присутствовать возбудители и других инфекционных и паразитарных заболеваний, например, холеры, брюшного тифа, дизентерии, амебиаза, туляремии, лептоспирозов, вирусного гепатита А, вирусного гастроэнтерита, полиомиелита, лямблиоза и других [3].
Еще более серьезной проблемой современности являются заболевания, развивающиеся при употреблении питьевой воды, загрязненной опасными и вредными химическими соединениями, в первую очередь, имеющими техногенное происхождение. Следует отметить, что в отличие от возбудителей инфекционных заболеваний, только немногие химические загрязнители воды могут вызвать острые нарушения здоровья. Подобные случаи могут иметь место только при экстремальном загрязнении систем водоснабжения при авариях. Однако даже небольшое повышение концентрации большинства химических соединений при постоянном использовании такой воды может стать причиной развития патологических изменений в организме человека. Особое внимание следует уделять веществам, которые обладают кумулятивным действием (фтор, стронций, уран, молибден, кадмий, ртуть и др.). Необходимо обратить внимание, что применение дезинфицирующих средств для обеззараживания воды очень часто приводит к образованию побочных химических соединений, некоторые из которых представляют потенциальную опасность для человека [14].
В 2015 году, согласно оценкам экспертов ООН, 663 млн человек по-прежнему использовали неулучшенные источники питьевой воды, включая незащищенные открытые колодцы, родники и открытые водоемы. Почти половина людей, пользующихся неулучшенными источниками воды, проживают в странах Африки к югу от Сахары, а одна пятая — в Южной Азии [5].
Эти данные подтверждаются и данными ВОЗ, согласно которым сегодня большая часть населения в сельских районах развивающихся стран не обеспечивается безопасной для здоровья водой. Доля населения, использующего воду надлежащего качества, составляет в Йемене только 36 %, в Афганистане – 31 %, в Эфиопии – 11 % [5].
В условиях жаркого климата, отсутствия канализации и низкого уровня санитарного просвещения населения это приводит к резкому ухудшению эпидемиологической обстановки.
По мнению эпидемиологов, подавляющий процент заболеваемости населения (около 80 % болезней) в развивающихся странах определяется именно качеством потребляемой воды