Лекция 2

Круговорот воды на Земле, водные ресурсы.

2.1. Распространение воды на Земле

Вода является одним из самых распространенных в природе веществ. Она может находиться в свободном состоянии, образуя поверхностные водотоки и водоемы, существенную часть подземных вод, ледники, снежный покров и подземный лед, а также содержится в атмосфере во всех трех фазово-агрегатных состояниях.

Значительная часть воды в земной коре является связанной и входит непосредственно в состав минералов (химически связанная) или образует мельчайшие скопления на частицах горных пород, удерживаемые силами молекулярного притяжения.

Наконец, в глубоких частях литосферы при высоких температурах (t > 374° для воды) вода переходит в надкритическое состояние, для которого характерна крайняя неоднородность водородных связей и увеличение степени диссоциации молекул воды на отдельные ионы.

Все воды Земли образуют единую гидросферу планеты. Границы ее выделяются условно, поскольку изменение содержания воды в литосфере и атмосфере по мере удаления от поверхности Земли происходит постепенно.

Количество воды в атмосфере невелико и составляет лишь тысячную долю процента от запаса воды на Земле. Вода на поверхности Земли распределена крайне неравномерно и в значительной своей части является соленой. Доминирующий объем воды на Земле в целом связан с Мировым океаном (96.5 %), лишь 2.5 % этого запаса приходится на долю пресных вод.

Из пресных вод около 70 % аккумулируются во льдах и постоянно залегающем снежном покрове. Почти 90 % объема воды в ледниках приурочено к Антарктиде.

Общие запасы воды в озерах составляют около 176 тыс. км³. Существенно меньшей величиной, составляющей 2.1 тыс. км³, характеризуются запасы воды в руслах рек.

Вода в земной коре наиболее разнообразна по видам и состоянию, встречается как в свободном, так и в связанном виде в газообразном, жидком и твердом состоянии.

Распределение воды в вертикальном разрезе, как по объему, так и по видам и состоянию весьма неоднородно, и определяется степенью скважности пород (пористостью, трещиноватостью) и изменением термодинамических и физико-химических условий с глубиной.

В разрезе литосферы могут быть выделены две зоны.

Верхняя зона охватывает около 80 % разреза и содержит всю массу жидких вод и воды в твердом состоянии, а также все виды связанной воды. Мощность верхней зоны на территории континентов около 20-25 км. В пределах океанов она не превышает нескольких километров.

Нижняя зона отличается преимущественно распространением воды в надкритическом состоянии. Эта вода характеризуется меньшей вязкостью и большей миграционной способностью.

Общее количество воды в подземной гидросфере 0.9 млрд. км³, что составляет 2/3 запасов воды в Мировом океане.

Запасы пресных подземных вод до глубины порядка 500-600 м составляют 10.5 млн. км³. Ниже этих глубин развиты, как правило, соленые воды и рассолы.

2.2. Круговорот воды

Целесообразно различать два основных типа круговорота воды: гидрологический и геологический.

В гидрологическом круговороте условным началом круговорота является испарение воды с поверхностей морей и океанов, континентов и островов. Часть водяного пара, образовавшегося над океаном, конденсируясь, выпадает в виде осадков над самим океаном, завершая так называемый малый гидрологический круговорот. Другая же часть переносится воздушными течениями на сушу, давая начало большому круговороту, обусловленному водообменом между океаном и сушей. Более трети океанической влаги, поступающей на континент, переносится над ним транзитом и вновь возвращается в океан. Остальная же влага при благоприятных условиях образует осадки, которые, достигнув поверхности Земли, начинают стекать по склонам, концентрируясь в реках, просачиваясь в горные породы, пополняя запасы подземных вод, увеличивают объемы льда в ледниках.

В пределах большого круговорота выделяется внутриконтинентальный круговорот, обусловленный испарением с суши. Влага, испарившаяся над континентом, в значительной мере возвращается на его поверхность в виде осадков континентального происхождения.

Геологический круговорот воды связан с процессами седиментогенеза, диагенеза и другими преобразованиями осадка в стадии литификации.

Подземные воды, образовавшиеся в процессе осадконакопления или отжатые из пород в процессе их литификации, называются седиментогенными.

Подземные воды, образовавшиеся из связанной воды горных пород в процессе их метаморфизма, называются метаморфогенными.

Подземные воды, образовавшиеся в процессе дегидратации мантии называются, ювенильными.

С точки зрения общего водного баланса земного шара геологический круговорот воды, по-видимому, не имеет большого значения.

2.3. Основные элементы баланса природных вод

Рассмотрение водного баланса участка суши или водного объекта, как правило, начинается с характеристики атмосферных осадков – основного источника пополнения природных вод. Количество осадков, выпавших за тот или иной период времени, обычно выражается высотой воды (в мм), который образовался бы на поверхности земли при отсутствии испарения, стока и инфильтрации.

Атмосферные осадки определяют приходную часть водного баланса территории, обуславливают формирование основного объема речного стока и преобладающего питания подземных вод.

Помимо годовой величины осадков, обычно используемой при составлении водного баланса, очень большое значение при его изучении принадлежит внутригодовому ходу осадков и видам их выпадения. Так, зимние осадки, выпадающие в виде снега и образующие устойчивый снежный покров, способствуют значительному накоплению влаги на поверхности земли при весьма ограниченном ее расходовании. С переходом температуры к устойчивым положительным значениям начинается интенсивное расходование запасов воды, аккумулированных в снеге, на формирование поверхностного стока и инфильтрацию. Преимущественная часть осадков летнего периода выпадает в виде ливней – кратковременных, обильных дождей или продолжительных дождей меньшей интенсивности.

Дополнительным источником увлажнения являются конденсационные осадки, которые при благоприятных условиях могут составлять 10-20 % годовой суммы осадков (районы резкого колебания температуры).

Испарение – важный расходный элемент баланса природных вод.

Различают несколько видов испарения с суши: с открытой водной поверхности рек, озер, водохранилищ, с почвы, с поверхности подземных вод.

В отличие от испарения с водной поверхности испарение с почвы и горных пород лимитируется наличием в них воды и зависит от степени водонасыщенности (аридные районы – испарение низкое).

Годовое распределение испарения зависит также от широты местности. В высоких широтах в течение 5-6 месяцев испарение мало, а период от весны к лету сопровождается резким и кратковременным его увеличением. В умеренных широтах продолжительность периода испарения увеличивается до 9-10 месяцев, и годовой ход испарения становится более плавным. Для характеристики условий увлажнения часто используется соотношение между количеством осадков и испаряемостью за тот же период – коэффициент увлажненности. Сопоставимость величины испаряемости и осадков свидетельствует об условиях достаточного или избыточного увлажнения.