Водные ресурсы России

Водные ресурсы- вóды в жидком, твердом и газообразном состоянии и их распределение на Земле. Они находятся в естественных водоемах на поверхности (в океанах, реках, озерах и болотах); в недрах (подземные воды); во всех растениях и животных; а также в искусственных водоемах (водохранилищах, каналах и пр.).

Вода – единственное вещество, которое в природе присутствует в жидком, твердом и газообразном состояниях. Значение жидкой воды существенно меняется в зависимости от местонахождения и возможностей применения. Пресная вода шире используется, чем соленая. Свыше 97% всей воды сосредоточено в океанах и внутренних морях. Еще ок. 2% приходится на долю пресных вод, заключенных в покровных и горных ледниках, и лишь менее 1% – на долю пресных вод озер и рек, подземных и грунтовых.

Вода, самое распространенное соединение на Земле, обладает уникальными химическими и физическими свойствами. Поскольку она легко растворяет минеральные соли, живые организмы вместе с ней поглощают питательные вещества без каких-либо существенных изменений собственного химического состава. Таким образом, вода необходима для нормальной жизнедеятельности всех живых организмов. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Ее молекулярный вес всего 18, а точка кипения достигает 100° C при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. На бóльших высотах, где давление ниже, чем на уровне моря, вода закипает при более низких температурах. Когда вода замерзает, ее объем увеличивается более чем на 11%, и расширяющийся лед может разрывать водопроводные трубы и мостовые и разрушать скальные породы, превращая их в рыхлый грунт. По плотности лед уступает жидкой воде, что и объясняет его плавучесть.

Вода также обладает уникальными термическими свойствами. Когда ее температура понижается до 0° C и она замерзает, то из каждого грамма воды высвобождается 79 кал. При ночных заморозках фермеры иногда опрыскивают сады водой для защиты бутонов от повреждения морозом. При конденсации водяного пара каждый его грамм отдает 540 кал. Эта теплота может быть использована в отопительных системах. Благодаря высокой теплоемкости вода поглощает большое количество теплоты без изменения температуры.

Молекулы воды сцепляются посредством «водородных (или межмолекулярных) связей», когда кислород одной молекулы воды соединяется с водородом другой молекулы. Вода также притягивается к другим водород- и кислородсодержащим соединениям (т.н. молекулярное притяжение). Уникальные свойства воды определяются прочностью водородных связей. Силы сцепления и молекулярного притяжения позволяют ей преодолевать силу тяжести и вследствие капиллярности подниматься вверх по мелким порам (например, в сухой почве).

Использование водных ресурсов

Оборотные и замкнутые водохозяйственные системы

Интенсивное развитие промышленности и сельскохозяйственного производства, повышение уровня благоустройства городов и населенных пунктов, значительный прирост населения обусловили в последние десятилетия дефицит и резкое ухудшение качества водных ресурсов практически во всех регионах России.

Одним от основных путей удовлетворения потребностей общества в воде является инженерное воспроизводство водных ресурсов, т.е. их восстановление и приумножение не только в количественном, но и в качественном отношении.

Перспективы рационального воспроизводства технологического расхода воды связаны с созданием на предприятиях систем повторно-последовательного, оборотного и замкнутого водоснабжения. В их основу положено удивительное свойство воды, позволяющее ей не изменять своей физической сущности после участия в производственных процессах.

Промышленность России характеризуется высоким уровнем развития систем оборотного водоснабжения, за счет которых экономия свежей воды, расходуемой на производственные нужды, составляет в среднем 78%. Лучшие показатели использования оборотных систем имеют предприятия газовой (97%), нефтеперерабатывающей (95%) отраслей, черной металлургии (94%), химической и нефтехимической (91%) промышленности, машиностроения (85%).

Максимальные расходы воды в системах оборотного и повторно-последовательного водоснабжения характерны для Уральского, Центрального, Поволжского и Западно-Сибирского экономических районов. В целом по России соотношение объемов использования свежей и оборотной воды составляет соответственно 35,5 и 64,5%.

Широкое внедрение совершенных водооборотных систем (вплоть до замкнутых) способно не только решить проблему водообеспечения потребителей, но и сохранить природные водоисточники в экологически чистом состоянии.

В последние годы из-за экономической дестабилизации, приведшей к падению выпуска промышленной продукции, снижению продуктивности сельского хозяйства и сокращению орошаемых площадей, в России наметилось уменьшение объемов водопотребления (за 1991 -1995 гг. пресной воды - на 20,6%, морской - на 13,4%). Изменилась и структура использования пресной воды: водопотребление на производственные нужды сократилось на 4% (с 53% в 1991 г до 49% в 1995 г), на орошение и обводнение - на 3% (с 19 до 16%),в то же время доля хозяйственно-питьевого водоснабжения возросла на 4% (с 16 до 20%).

К 1997 г. объем использования пресной воды составил в России 75780,4 млн. м3/год, морской - 4975,9 млн. м3/год.

Коммунальное водоснабжение

Коммунальное хозяйство России обеспечивает потребность в воде городского населения, коммунальных, транспортных и прочих непромышленных предприятий, а также расходы воды на благоустройство населенных пунктов, полив улиц и тушение пожаров.

Отличительная особенность коммунального хозяйства - постоянство водопотребления и жесткие требования, предъявляемые к качеству воды.

Основной объем (84-86%) потребляемой воды используется для хозяйственно-питьевых нужд населения, в среднем по России удельное водопотребление на одного городского жителя составляет 367-369 л/сут.

Около 99% городов, 82% поселков городского типа, 19,5% населенных пунктов в сельской местности обеспечены централизованным водоснабжением. Благоустройство городского жилого фонда в среднем по стране характеризуется следующими показателями обеспеченность центральным водопроводом - 83,8%, канализацией - 81,4% центральным отоплением - 84,7%, ванными и душем - 76,7%, горячим водоснабжением - 70,8% (данные за 1996 год).

В поверхностные водные объекты предприятиями отрасли отводится около 13 км 3/год сточных вод, по разным причинам в структуре сбрасываемых вод преобладают недостаточно очищенные. В целом по стране через системы очистных сооружении предварительно пропускается около 70% всей подаваемой воды.

Из-за неблагополучного состояния источников питьевого водоснабжения и несовершенства системы водоподготовки не теряет своей остроты проблема качества воды. Стандартные сооружения очистки, включающие двухступенчатую схему осветления, обесцвечивания и обеззараживания не справляются с возрастающими нагрузками новых загрязнителей (тяжелых металлов; пестицидов, галогенсодержащих соединений, фенолов, формальдегидов). Хлорирование воды, содержащей органические вещества, накапливающиеся в водных источниках, приводит к ее вторичному загрязнению и образованию канцерогенных хлорорганических соединений.

Около 70% промышленных предприятий сбрасывают в коммунальную канализацию сточные воды, в которых, в частности, содержатся соли тяжелых металлов и ядовитые вещества. Осадок, образующийся при очистке таких сточных вод, не может быть использован в сельском хозяйстве, что создает проблемы с его утилизацией.

Промышленное водоснабжение

Промышленное водоснабжение, обеспечивающее функционирование технологических процессов, является ведущим направлением водопользования. Системы промышленного водоснабжения включают в себя гидротехнические сооружения по забору технической воды и доставке се предприятиям, а также системы водоподготовки.

Промышленный потенциал каждого экономического района Российской Федерации представлен практически всеми основными отраслями. Есть и такие районы, где преимущественно сконцентрированы совершенно определенные отрасли промышленности. Например, 46% объема производства легкой промышленности сосредоточено в Центральном экономическом районе, на долю Уральского экономического района приходится около 70% продукции черной и цветной металлургии, на долю Западно-Сибирского - 46% топливной промышленности.

Объемы водопотребления зависят от структуры промышленных предприятий, уровня технологии, выполняемых мероприятий по экономии воды. Наиболее водоемкими отраслями являются теплоэнергетика, черная и цветная металлургия, машиностроение, нефтехимическая и деревообрабатывающая промышленность. На долю самой водоемкой отрасли - электроэнергетики - приходится около 68% суммарного потребления свежей и 51% - оборотной воды.

Так как большинство промышленных объектов сосредоточено в крупных городах, в России преимущественное развитие получили объединенные промышленно-коммунальные системы водоснабжения, что, в свою очередь, приводит к неоправданно высоким расходам на промышленные нужды воды питьевого качества (до 30-40% суточной подачи городских водопроводов).

Предприятия промышленности являются основным источником загрязнения поверхностных вод, ежегодно сбрасывая большое количество отработанных сточных вод (в 1996 г. - 35,5 км'). Особенно разнообразны по своим свойствам и химическому составу сточные воды химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной и угольной промышленности. Несмотря на достаточную мощность очистных сооружений, только 83-85% отводимых сточных вод соответствуют нормативным требованиям. В структуре отводимых вод, содержащих загрязняющие вещества выше нормативного уровня, сброс без очистки составляет в настоящее время 23% (в 1991 г- 28%), остальные воды сбрасываются недостаточно очищенными.

Сельскохозяйственное водоснабжение

В сельской местности водоснабжение осуществляется главным образом по локальным системам и путем индивидуального обеспечения водопользователей. Системы локального водоснабжения в очень сильной степени зависят от качества воды в источниках и, в случае необходимости, оборудуются специальными сооружениями. В районах с высокой плотностью сельского населения применяются групповые системы.

Для нужд отрасли из природных водных источников забирается около 28% суммарного объема изъятия воды.

Среди сельскохозяйственных отраслей основным потребителем свежей воды н крупным загрязнителем поверхностных водоемов, сбрасывающим через коллекторно-дренажную сеть неочищенные сточные воды, является орошаемое земледелие. Серьезную опасность для поверхностных водоемов представляет вынос с сельскохозяйственных полей удобрений и ядохимикатов.

Другим крупным водопотребителем и мощным источником загрязнения поверхностных и подземных вод являются животноводческие комплексы по выращиванию крупного рогатого скота, свиней, птицы. Очистка животноводческих сточных вод связана с большими трудностями, поскольку перед сбросом в водные объекты их необходимо длительное время выдерживать в прудах-накопителях.

Водный транспорт

Водный транспорт является едва ли не самым древним водопользователем. По внутренним водным путям России (рекам, озерам, водохранилищам, каналам), имеющим общую протяженность свыше 400 тыс. км, перевозится до 50 млн. т грузов.

При использовании рек и других водных объектов для судоходства необходимо поддерживать на них гарантированные глубины, режим стока и прочие условия, обеспечивающие бесперебойную работу водного транспорта в навигационный период.

В ряде случаев интересы водного транспорта вступают в противоречия с интересами других водопользователей и водопотребителей, таких как водоснабжение, орошение, гидроэнергетика. Например, гидростроительство, с одной стороны, позволяет увеличить глубину и ширину водного пути, ликвидировать пороги, а с другой - вносит серьезные осложнения в работу водного транспорта за счет сокращения продолжительности навигационного периода, резких суточных и недельных колебаний расходов и уровней воды в нижних бьефах гидростанций.

Водный транспорт, не предъявляя высоких требований к качеству воды, является одним из значительных источников загрязнения водных объектов нефтепродуктами и взвешенными веществами.

Весьма неблагоприятное воздействие на экологическое состояние водоемов оказывает лесосплав, изменяя естественное состояние русел, засоряя водные объекты затопленной древесиной, разрушая нерестовые участки.

Рыбное хозяйство

Рыбное хозяйство непосредственно связано с использованием водных ресурсов и предъявляет очень высокие требования к их режиму, количественному и качественному состоянию. Для успешного воспроизводства и нормального развития рыбы необходимы чистая вода с достаточным количеством растворенного кислорода и отсутствием вредных примесей, соответствующая температура и обеспеченность кормами. Нормативы качества воды для рыбохозяйственных объектов более строгие, чем для источников питьевого водоснабжения.

В России около 30% уловов во внутренних морях и водоемах приходится на долю пресноводных рыб (щуки, леща, судака, плотвы, окуня, сазана, сига, севрюги, белуги, семги, кеты, горбуши). В последние годы отмечается сокращение уловов, что обусловлено уменьшением продуктивности рыбохозяйственных объектов в результате интенсивного антропогенного воздействия.

Увеличение воспроизводства рыбы осуществляется за счет искусственного рыборазведения на рыбоводных заводах, в нерестово-выростных хозяйствах, рыбопитомниках. Весьма перспективным направлением является выращивание рыб в водоемах-охладителях тепловых электростанций.

Рекреации

Водные объекты - излюбленное место для отдыха, спорта, оздоровления людей. Практически все рекреационные учреждения и сооружения размещены либо на берегах водоемов, либо вблизи них. В последние годы масштабы рекреационной деятельности на водных объектах постоянно растут, чему способствует увеличение численности городского населения и совершенствование транспортных коммуникаций.

В Российской Федерации на берегах водоемов расположено около 60% всех санаториев, свыше 80% учреждений отдыха. 60% туристических баз и 90% рекреационных объектов для самого массового в стране пригородного отдыха

Состояние водных ресурсов в мире

По материалам 3 Всемирного водного форума Киото, март 2003г.

Наша организация "Зеленый Парус" участвовала в 3 Всемирном водном форуме с проектом "Река и дети"

Общее количество воды на Земле составляет около 1400 млн. куб.км.

Из этого общего количества 97,5 % приходится на соленую воду Мирового океана.

Пригодной для использования человеком является чуть более 2 % всей воды, или около 39500 куб.км. Из этой воды около:

• 69 % приходится на воду в виде снега и льда Антарктики и Гренландии,

• около 30 % приходится на подземные воды и

• только 0,12 % на поверхностные воды рек и озер.

• Пригодной для непосредственного использования является 9000 куб.км,

• потребляется 4000 куб.км.

Географическое распределение потребления воды:

• Азия: 55 % всей воды

• Северная Америка: 19 %

• Европа: 9,2 %

• Африка: 4,7 %

• Южная Америка: 3,3 %

• Остальной мир: 8,8 %

По секторам:

• Сельское хозяйство: 70 %, но при этом 800 млн. человек остаются голодными

• Промышленность: 22 %

• На домашнее хозяйство: 8 %.

Душевое потребление воды в день:

• 600 л в Северной Америке и Японии

• 250-350 л в Европе

• 10-20 л в странах около Сахары

Среднемировой годовой забор воды из рек и подземных источников составляет 600 куб.м на человека, из которых 50 куб.м является питьевой водой или 137 л на человека в день.

Вода и санитарные условия

• 1,4 млрд. человек в мире не имеют доступа к безопасной питьевой воде (это более 1/3 всего человечества)

• 2,4 млрд. чел. не обеспечены санитарными условиями. Из них по регионам:

• 2 % в Европе

• 13 % в Африке

• 80 % в Азии

• 5 % в Латинской Америке и Карибском бассейне.

• Водный дефицит испытывают 250 млн. человек в 26 странах.

2,2 млн человек в мире ежегодно умирают от болезней, связанных с недостатком воды

6000 детей ежедневно умирают от болезней, связанных с недостатком воды и отсутствием санитарных условий

250 млн человек ежегодно страдают от таких болезней

40 % человечества живет в регионах, испытывающих высокий уровень водного стресса

К 2025 году около 5,5 млрд человек может испытывать такой водный стресс

За прошедшие 100 лет потребление воды увеличилось в 6 раз, а прирост населения увеличился в 2 раза.

Водные экосистемы очень сильно деградируют.

Почти половина ветландов (области с повышенным увлажнением - болота, побережья) были потеряны, более 20 % видов из 10000 пресноводных видов исчезли.

В таких областях как США, Китай и Индия подземные воды потребляются быстрее, чем успевают пополниться.

Ресурсы пресных вод России

Данные о суммарных ресурсах и запасах пресных вод России приведены в таблице.

Ресурсы	Среднемноголетний объем, км3/год	Статические запасы, км3
Статические запасы, км3	4270	-
Озера	532	26068
Болота	1000	3000
Ледники	110	39890
Подземные воды	787,5	28000
Всего	4915	96958

Регулирование стока

Территориальная неравномерность, большая внутригодовая и многолетняя изменчивость речного стока затрудняют обеспечение населения и экономики России необходимым количеством воды. Эта проблема решается за счет регулирования стока рек водохранилищами. Причем наиболее эффективное и многоцелевое использование водных ресурсов достигается в каскадно расположенных водохранилищах, образующих единую водохозяйственную систему. Примером могут служить Волжско-Камский и Ангаро-Енисейский каскады.

Сегодня Россия имеет 103 крупнейших водохранилища, каждое объемом свыше 100 млн. м3. Суммарная площадь их водной поверхности составляет 101155,7 тыс. км2, полезный объем 338649,2 млн. м3. Кроме них для различных видов водопользования построено большое число водохранилищ с полезным объемом от 1 до 100 млн. м3, а также малые водохранилища и пруды с полезным объемом менее 1 млн. 3'.

Основная цель создания водохранилищ - планируемые изменения в природе. К ним относятся: выравнивание естественной неравномерности стока между сезонами года и годами различной водности, между днями недели и часами суток в интересах гидроэнергетики, ирригации, водоснабжения, рыбного хозяйства; вовлечение в хозяйственное использование непродуктивных земель и создание на них более продуктивной водной среды для развития рыбоводства; улучшение природных условий прилегающих территорий.

С помощью водохранилищ были созданы водные транспортные пути на главных судоходных реках России, таких как Волга, Кама, Дон, Енисей.

Из водохранилищ осуществляется хозяйственно-питьевое водоснабжение большинства крупных городов - Москвы. Екатеринбурга, Челябинска, Нижнего Тагила и многих других.

Водохранилища эффективно используются и для защиты от наводнений, например, Зейское и Бурейское на Дальнем Востоке, Краснодарское на Северном Кавказе.

Вместе с тем при строительстве и эксплуатации водохранилищ возникают неизбежные отрицательные последствия: затопление земель, повышение уровня грунтовых вод и заболачивание, изменение качества воды вследствие замедления стока, избыточное развитие сине-зеленых водорослей (так называемое "цветение" воды).

При создании водохранилищ в равнинных условиях образуются обширные мелководья, что особенно характерно для Волжского каскада. Чтобы вернуть затопленные земли для дальнейшего сельскохозяйственного использования, их отделяют от основной акватории дамбами или системой польдеров. Для снижения того отрицательного влияния, которое водохранилища, особенно малые, оказывают на новые берега, широко используют метод намыва берегоукрепительных пляжей. Территориальное перераспределение стока

Важным направлением водохозяйственной деятельности является строительство и эксплуатация крупных гидротехнических систем, позволяющих перераспределять речной сток из регионов, имеющих избыток водных ресурсов, в районы с их дефицитом. В настоящее время в России действует 34 системы подобного рода с суммарной протяженностью около 3 тыс. км. Ими перераспределяется около 15 км3 воды в год.

Для улучшения водообеспечения безводных сельскохозяйственных районов широко используются групповые водоводы. Их протяженность составляет от нескольких десятков до нескольких сотен километров.

Наиболее крупными каналами для перераспределения речного стока являются: на реке Кубани - Большой Ставропольский, пропускная способность которого 180 м3/с, и Кубанский оросительный (210 м3/с); на реке Дон - Донской (250 м3/с); на Волге - канал им. Москвы (125 м3/с).

ПЛОТИНА, массивная перемычка, возводимая для удержания водного потока, основное гидротехническое сооружение при использовании и регулировании водных ресурсов. Уже в доисторические времена в Египте, Месопотамии и других районах обитания человека строились простейшие плотины в виде насыпей из земли и камней. На протяжении многих веков устройство плотин определялось соображениями, почерпнутыми только из практического опыта, и лишь в 1853 французский инженер Де Сазилли теоретически обосновал их конструктивные принципы.

Водосливные плотины возводятся, чтобы повысить уровень воды в реке или отвести водоток, что обычно необходимо при строительстве электростанций, для обеспечения судоходства или орошения земель. Глухими плотинами (без пропуска воды) перегораживают водоток и создают водохранилища, предназначенные для обеспечения городов водой или электроэнергией либо для ирригационных целей и т.п. У многих плотин этого типа верхняя часть устраивается так, что при необходимости может служить водосбросом. Плотина противодействует напору воды либо собственным весом (гравитационные плотины), либо своей конструкцией, силовые элементы которой обеспечивают устойчивость всего сооружения (арочные, контрфорсные плотины). Гравитационные плотины делают в виде каменной кладки, бетонных заграждений, земляного или скального (щебневого) заполнителя; другие плотины строят из бетона, железобетона, стальных конструкций или лесоматериалов.

Территориальное перераспределение стока

Важным направлением водохозяйственной деятельности является строительство и эксплуатация крупных гидротехнических систем, позволяющих перераспределять речной сток из регионов, имеющих избыток водных ресурсов, в районы с их дефицитом. В настоящее время в России действует 34 системы подобного рода с суммарной протяженностью около 3 тыс. км. Ими перераспределяется около 15 км³ воды в год.

Для улучшения водообеспечения безводных сельскохозяйственных районов широко используются групповые водоводы. Их протяженность составляет от нескольких десятков до нескольких сотен километров.

Наиболее крупными каналами для перераспределения речного стока являются: на реке Кубани - Большой Ставропольский, пропускная способность которого 180 м³/с, и Кубанский оросительный (210 м³/с); на реке Дон - Донской (250 м³/с); на Волге - канал им. Москвы (125 м³/с).

Глубоководные каналы

Такие каналы бывают двух типов: первые представляют собой кратчайший путь для кораблей между двумя океанами или иными водными бассейнами, вторые позволяют океанским судам подходить к портам, расположенным вдали от морских побережий.

К важнейшим глубоководным каналам относятся Панамский (между Атлантическим и Тихим океанами), Суэцкий (между Средиземным и Красным морями) и Кильский (между Балтийским и Северным морями). Если бы не было этих каналов, то грузы приходилось бы перевозить кружным морским путем либо с перевалкой на наземный транспорт, что требует больших затрат времени, труда и средств.

Некоторые судоходные каналы строились не только в целях развития торговых путей, но и для быстрой переброски из одного бассейна в другой военных кораблей, вследствие чего эти каналы приобрели стратегическое значение.

Большинство глубоководных каналов строилось в 19 и начале 20 в., и лишь редкие из них способны пропускать самые крупные современные суда. Шлюзы каналов узки или коротки для таких судов, или при полной загрузке судов большого водоизмещения, сами каналы недостаточно глубоки.

Суэцкий канал длиной 161 км был открыт для судоходства в 1869, Кильский (98,7 км) - в 1895, Панамский (81,6 км) - в 1914, Беломорско-Балтийский (227 км) - в 1933.

Мелководные каналы

Большинство судоходных каналов мира составляют каналы, по которым могут проходить лишь суда с малой осадкой. Мелководными каналами обычно соединяются реки и озера, а их сеть образует систему водных путей внутри региона. Особенно важна транспортировка по этим путям для стран Европы - России, Польши, Германии, Франции, Нидерландов и Бельгии.

Обводные каналы и реки, превращенные в каналы

Некоторые каналы прокладывали параллельно рекам и озерам. Каналы такого типа называются обходными или обводными. Например, в Нидерландах существует Юлиана-канал, проложенный вдоль русла реки Маас между городами Маастрихт и Маасбрахт, в России - Старо- и Новоладожский каналы вдоль южного берега Ладожского озера.

Обводные каналы обычно строились в обход несудоходных участков рек. Однако возможности современной техники позволяют так управлять режимом рек, что они становятся подобны каналам. На реках возводятся плотины с многокамерными судоходными шлюзами, что превращает эти реки в судоходные каналы. В США именно так преобразованы река Огайо и верховье реки Миссисипи, в России - среднее и нижнее течение р. Москвы, которая стала частью водного пути до Оки и Волги.

Шлюзы

Наиболее интересным по принципам работы и эксплуатационным особенностям гидротехническим узлом судоходного канала является шлюз - водонепроницаемая камера, в которой судно поднимается или опускается до тех пор, пока уровень воды в шлюзе не сравняется с уровнем того участка канала, куда направляется судно. Канал может состоять из нескольких участков с различными уровнями воды в них, и на каждом перепаде устраивают один или несколько шлюзов. Лишь немногие экономически важные каналы соединяют реки или иные водоемы с одинаковым уровнем воды в них, и рельеф их местности таков, что уровень воды на всем протяжении этих каналов одинаков, поэтому там не нужны шлюзы. Таковы Суэцкий и Кильский каналы.

Уровень воды в шлюзе изменяют, прогоняя ее насосами по водопроводным галереям в днище или стенках шлюза, либо она поступает через них самотеком. Когда судно направляется из верхнего бьефа в нижний, вода в шлюзе поднимается до уровня в верхнем бьефе, чтобы судно могло войти в шлюз. В каждом торце шлюзовой камеры расположен водонепроницаемый гидротехнический затвор, обычно представляющий собой ворота из двух створок, которые, поворачиваясь, смыкаются под тупым углом, смотрящим в сторону верхнего бьефа. Верхние ворота открываются, судно входит в шлюз, и ворота за ним плотно закрываются, опять образуя водонепроницаемый затвор. Затем вода из шлюза отводится до уровня в нижнем бьефе, после чего нижние ворота открываются и судно выходит из шлюза. Когда судно движется вверх, все происходит в обратном порядке. Обычно вода для повышения уровня в шлюзе поступает через водопроводные галереи из верхнего бьефа, а для понижения уровня в шлюзе - сливается через аналогичные галереи в нижний бьеф.

Когда были изобретены шлюзы - точно не известно, но, вероятно, это произошло в 14 или 15 в. В 1481 два монаха-доминиканца из Витербо (Италия) предложили схему шлюзовой камеры с затворами, а Леонардо да Винчи (1452-1519) спроектировал 6 шлюзов, создав систему каналов Милана. До этого (и долгое время после этого) на многих каналах суда поднимались или опускались по наклонной плоскости на канатах; однако таким способом можно было перетаскивать лишь небольшие суда. Историческая роль шлюзов обусловлена именно тем, что с их помощью можно проводить крупные суда по каналам с перепадом уровня воды.

Шлюзы - необходимые сооружения в современных каналах, но они доставляют много хлопот обслуживающему персоналу и раздражают тех, кто вынужден проходить через них. Они не только удорожают строительство и эксплуатацию, но и замедляют движение судов. На большинстве судоходных каналов (даже мелководных) обычно шлюзуют по одному судну. Поэтому перед шлюзом, как правило, выстраивается длинная очередь судов, хотя на некоторых каналах шлюзы расположены цугом и этим сокращается время ожидания прохода через них. Откосы и ложе каналов обычно укрепляют для предотвращения разрушения и уплотняют во избежание фильтрации воды.

Стратификация озерных вод

В некоторых озерах, особенно в мелководных или подверженных воздействию сильных ветров, вообще отсутствует заметная стратификация воды. Это означает, что водные массы более или менее постоянно перемешиваются под действием ветра и довольно однородны по всем параметрам. Однако для большинства глубоких озер и тех, которые находятся в ветровой тени, характерна отчетливая стратификация водной толщи по физическим свойствам, в результате которого менее плотные воды располагаются над более плотными. Такая стратификация существенно отражается на химическом составе и биологии озер.

При взаимодействии солнечной энергии с водой последняя приобретает уникальное свойство: ее плотность достигает максимальной величины (1,0) при температуре ок. 4° С, постепенно уменьшаясь как при повышении, так и при понижении температуры. В озерах солнечный свет используется растениями для фотосинтеза, а животными - чтобы видеть под водой. Свет влияет также на вертикальные миграции некоторых организмов, но главный результат воздействия солнечной энергии - нагревание воды. Приток энергии от Солнца значителен. Приход солнечной энергии в течение одного летнего дня может достигать 500 кал на 1 см² поверхности озера. Часть этой энергии отражается от зеркала озера, часть рассеивается водной поверхностью в пространство, а часть поглощается водой и превращается в тепловую энергию. Эта тепловая энергия частично излучается вновь в атмосферу или затрачивается на испарение.

Нагревается главным образом верхний слой воды толщиной несколько метров, поскольку радиация быстро поглощается по мере ее проникновения вглубь. Нагревание приводит к расширению воды в этом верхнем слое, отчего ее плотность уменьшается по сравнению с плотностью нижележащих холодных слоев. Нагретая вода скапливается поверх холодных и потому более плотных вод. Однако ранней весной, особенно в районах с умеренным климатом, температура воды в целом остается низкой, так что уменьшение плотности, обусловленное таким нагреванием, незначительно, и ветер перемешивает нагретую воду во всей ее толще. Позже, по мере возрастания прихода солнечной энергии, температура воды в озере в целом повышается, и снижение плотности на единицу приращения температуры становится больше, равно как увеличивается и объем нагретого приповерхностного слоя воды. В конечном счете ветер уже не способен перемешивать всю водную массу, и приход солнечной энергии сосредоточивается в нескольких верхних метрах воды.

В результате озерные воды оказываются разделенными на два горизонта: верхний, менее плотный, теплый - эпилимнион, и нижний, более плотный, холодный - гиполимнион. Промежуточный слой, в котором происходит быстрое понижение температуры с глубиной, называется металимнионом, или термоклином. Такая стратификация определяется скорее плотностью воды, чем ее температурой. Поскольку в тропических регионах, где температура воды в целом выше, изменения плотности намного больше и разность температур между эпилимнионом и гиполимнионом может быть значительно меньше, чем в районах с умеренным климатом. В любом случае, если плотность воды в эпилимнионе и гиполимнионе различается на величину от 0,001 до 0,003, достигается заметная устойчивая стратификация. Столь небольшие различия позволяют озерным водам противостоять перемешиванию даже под воздействием сильных ветров.

В конце лета, когда дни становятся короче, а поступление солнечной радиации уменьшается, верхний слой воды остывает, становится плотнее и вскоре вместе с нижележащими водами подвергается ветровому перемешиванию, из-за чего мощность эпилимниона увеличивается. Этот процесс продолжается до тех пор, пока температура воды по всей глубине озера в результате перемешивания не сравняется с температурой гиполимниона или не станет близкой к ней.

В тропических районах, где температуры постоянно выше 0° С, такого рода циркуляция озерных вод может продолжаться на протяжении всей зимы. Однако там, где зимние температуры воздуха опускаются ниже 0° С, озерные воды продолжают остывать и перемешиваться до установления температуры 4° С. Если в дальнейшем поверхностные воды охлаждаются ниже этой температуры, соответствующей максимальной плотности воды, они вновь становятся легче и остаются на поверхности, создавая в озере стратификацию, которая не только зависит от плотности, но и связана обратной зависимостью с температурой. Сковывание льдом водной поверхности оказывает стабилизирующее воздействие, и такая стратификация сохраняется на протяжении всей зимы, пока весной вновь не произойдет полное перемешивание озерных вод. Таким образом, обычно в годовом цикле озер выделяются периоды летней и зимней стратификации и весеннего и осеннего перемешивания озерных вод.

В большинстве озер в зависимости от климатических особенностей региона стратификация устанавливается один или два раза в год или же вообще не устанавливается на более или менее заметный срок. Однако стратификация других озер сохраняется постоянно, обычно вследствие того, что плотность глубинных вод повышается не за счет температурных различий, а скорее из-за более высокой концентрации растворенных химических соединений. Такие озера, в отличие от периодически полностью перемешиваемых, называются частично перемешиваемыми, поскольку в нижнем слое перемешивание не происходит. Такой же слой может существовать в очень глубоких озерах, как, например, Танганьика, где сезонная динамика температур воздуха протекает столь быстро, что вода в озере не успевает полностью перемешаться.

Свойство озер накапливать тепло в течение лета и отдавать его зимой может оказывать существенное смягчающее воздействие на местный климат. Это особенно справедливо для крупных озер, таких как Великие. Например, оз. Мичиган ежегодно поглощает и затем отдает более 50 ккал тепла на 1 см² своей поверхности.

Искусственные водоемы

Издревле человек селился у воды. Естественно, он изменял свою среду обитания, выпрямляя реки, прорывая новые каналы, создавая пруды и фонтаны.

Изумительными классическими фонтанами славится Петергоф. Современный городской дизайн предлагает новые формы фонтанов. Один из таких фонтанов нас удивил в Гетеборге (Швеция)

Яркими примерами рукотворной среды обитания являются города, расположенные на каналах - Венеция, Амстердам (видео - канал Амстердама), Санкт-Петербург.

Жизнь воды и жизнь ее обитателей в значительной мере скрыта от глаз человека. Поэтому во всем мире существуют аквариумы, океанариумы, в которых живут самые экзотические животные в условиях, доступных для наблюдения широкой публикой. Только в аквариумах мы, жители северного полушария, удаленные от тропических морей, можем увидеть экзотических медуз.

Тяга современного человека к природе находит отражение в том, что современные цивилизованные города притягивают диких птиц. Дикие утки обычными являются в Петербурге, лебеди живут в некоторых городских прудах. Мы наблюдали уток в фонтане в центре Парижа. Кроме огромных аквариумов, обычными являются аквариумы в домашних условиях, в учреждениях, школах, офисах, музеях. Наблюдения за обитателями аквариумов доставляет огромное наслаждение многим людям.

Наш "Зеленый Парус" побывал в некоторых зоопарках мира (Берлинский зоопарк, Гетеборгский музей естественной истории Universum). Кроме того, в самом "Зеленом Парусе" имеются аквариумы с различными обитателями. Мы предлагаем Вам вместе с нами подсмотреть за жизнью водных и околоводных обитателей.