Круговорот воды

Вода содержится в атмосфере, гидросфере, литосфере в твердом

(лед), жидком и парообразном (пар) состояниях. В жидкой фазе различа-

ют атмосферную (наземную, или поверхностную) и подземную воду. Во-

да является универсальным растворителем и имеет наибольшие величины

поверхностного натяжения, диэлектрической постоянной, теплоты паро-

образования и теплоты плавления.

Нагретая у экватора вода морскими течениями переносит тепло в по-

лярные области и регулирует таким образом температуру по всей планете.

Солнце за 1 мин испаряет с поверхности океанов около 1 млрд т во-

ды. Каждую минуту пар, вбирая колоссальное количество энергии Солн-

ца, отдает ее атмосфере Земли. За счет этой энергии дуют ветры, проис-

ходят бури и штормы.

Жизнь гидросферы во многом зависит от круговорота воды в приро-

де, который можно представить следующей зависимостью:

О = С + V ис + V ин,

где О − атмосферные осадки; С − сток; Vис − испарение; Vин − инфильт-

рация.

Атмосферные осадки разделяются на два типа:

1) осадки, выпадающие на поверхность из облаков в виде дождя, ту-

мана, снега, града, крупы;

2) осадки, образующиеся непосредственно на поверхности горных

пород вследствие понижения температуры воздуха до точки росы: роса,

иней, изморозь, гололед. Их общее количество ежегодно составляет

580 тыс. км3.

Систематические наблюдения за атмосферными осадками очень важ-

ны для сельского хозяйства. С помощью приборов они проводятся с сере-

дины ХIX в. В результате были установлены определенные закономерно-

сти, в частности чередование водообильных лет (дожди, наводнения)

с маловодными (засухи). Для определения атмосферных осадков приме-

няется специальный прибор – дождемер. Количество осадков измеряется

толщиной слоя воды (в мм) в год и изменяется в широких пределах. Мак-

симум осадков приурочен к экваториальной зоне и достигает 4 000 мм

в год. Некоторые районы Индии получают 12 000–14 000 мм в год. Ми-

нимальное количество осадков, в среднем до 100 мм в год, характерно для

пустынь Африки, Аравии и Австралии. Некоторые районы Чили получа-

ют только 1–17 мм. Неравномерно распределяются осадки и в течение го-

да. Так, в г. Черапунджи (Индия, штат Мегхалая) в июне 1958 г. за один

день выпало рекордное количество осадков – около 2 100 мм. Вместе

с тем в декабре и январе их совсем здесь не было.

Величина осадков сильно меняется и на территории России: на Чер-

номорском побережье Кавказа выпадает 120–3 000 мм, в Москве

500–600 мм. В нечерноземной зоне России годовое количество осадков в

среднем равно 400–600 мм, причем на питание подземных вод идет от

110 мм (верховья Волги и Западной Двины) до 20 мм (бассейн р. Нары, юго-

восток Рязанской области). На европейской части России выпадает 480–

500 мм осадков в год. Из них стекает 170–180 мм, остальная часть идет

на испарение и снова включается во влагооборот или остается в почве. Под-

считано, что влагооборот на юге России осуществляется 4 раза в год,

а в целом на всей территории европейской части России – 2,5 раза в год.

Сток – это количество воды, стекающей по дневной поверхности в

открытые водоемы и водотоки. Он составляет всего 6% общего количест-

ва выпадающих атмосферных осадков. Сток зависит от рельефа местно-

сти, состава горных пород и климатических условий. О величине стока Q

судят по расходу воды в заранее выбранных сечениях реки. Он определя-

ется по формуле

Q = FV,

где F – площадь водного сечения реки, м3/с; V – скорость течения реки, м/с.

Если бы процесс стока воды с континентов прекратился, то за один

год их поверхность покрылась бы слоем воды 28 см.

Различают сток поверхностный и подземный. Сток является одним из

важнейших элементов круговорота воды в природе. Некоторые факторы

речного стока: влияние озер и болот, леса, агротехнических и водных ме-

лиораций на режим стока – тесно связаны с подземными водами.

Суммарный сток рек бывшего СССР определялся цифрами 4 714–

4 750 км3/год, причем на долю подземного стока приходилось около

880 км3/год. Сток Дона составляет 30 км3/год, Кубани – 10…12 км3/год.

Очень интересны данные о стоке Волги. За период с 1890 по 1969 гг.

при среднем стоке в устье 243 км3/год он снизился на 45 км3/год,

а с 1977 г. стал возрастать. Уровень Каспийского моря в последние годы

стал подниматься: по сравнению с 1977 г. море «накопило» около 450 км3

воды. Очевидно, это связано с наблюдаемым в последние годы увеличе-

нием осадков.

Во время паводков увеличивается питание подземных вод за счет

рек. Обычно чем больше выпадает атмосферных осадков, тем меньше ис-

парение и больше сток. В ряде засушливых районов на юге России,

в Средней Азии осадков выпадает так мало, что реки летом не имеют сто-

ка и пересыхают. В связи с большим объемом орошения поверхностный

сток во многих районах бывшего СССР уменьшился. Многолетний сред-

ний речной сток в замкнутых речных бассейнах является функцией мно-

голетних величин осадков и испарения. Принято выделять средний (ус-

редненный), годовой, сезонный, максимальный и минимальный стоки.

Поверхностное питание основных рек СССР составляло 65–80%,

в том числе снеговое 50–60%, дождевое 15–20%, а питание подземными

водами также снегового и дождевого происхождения – 20 … 25%. В

дальнейшем эти данные были существенно уточнены (табл. 6).

В гидрологии подземные воды, участвующие в подземном стоке,

разделяют на воды верхних зон интенсивного водообмена, связанные с

дневной поверхностью (почвенные воды), и воды первого водоносного

горизонта. Эти воды объединяют в верхний почвенно-грунтовый сток.

Воды зоны интенсивного водообмена, т. е. грунтовые воды, связан-

ные с дневной поверхностью на ограниченнных площадях, но полностью

дренируемые вместе с частью напорных вод гидрографической сетью, со-

ставляют глубокий грунтовый и подземный стоки. Они имеют наиболее

важное значение с точки зрения оценки постоянных запасов подземных

вод для водоснабжения.

Материалы, полученные стоковыми станциями бывшего СССР, при-

ведены в табл. 2. Этот подземный сток в России весьма существен, в лес-

ной зоне он составляет 45–60% от общего стока.

Испарение – это переход вещества из жидкого или твердого со-

стояния в парообразное. Испарение – это количество воды, фактически

испаряющееся в единицу времени с поверхности Земли. В год с по-

верхности океана в тропиках испаряется слой воды толщиной в 1,5 м,

а в полярных странах – 0,5 м. Со всей поверхности нашей планеты еже-

годно испаряется в атмосферу 511 тыс. км3 воды, 74% ее возвращается

обратно в виде осадков.

Часто величину испарения определяют приближенно как разность

между количеством осадков Qос и величиной стока С. Всего в атмосфере

содержится 13 тыс. км3 воды, что в 11 раз больше, чем в реках. И этот

объем полностью обновляется каждые 9 суток, т. е. примерно 40 раз в год.

Следует различать испарение и испаряемость. Под испаряемостью

понимается способность водной поверхности испарять то или иное количе-

ство воды за единицу времени. Это максимально возможное испарение

с водной поверхности при существующих метеорологических условиях.

Обе эти величины – испарение и испаряемость – подвержены суточ-

ным и годовым колебаниям: днем и летом они больше, чем ночью и зи-

мой. Испарение следует учитывать при решении вопросов оросительных

и осушительных мелиораций. В тундре испарение составляет 70–120 мм,

а испаряемость – 200 … 300 мм, в степи соответственно 240–550 и 600–

1 100 мм, в пустыне – 50 … 100 и 1 500–2 000 мм. Годовое испарение и

испаряемость в засушливых районах больше количества годовых осадков.

Испарение влаги растениями называется транспирацией. При обра-

зовании 1 г растительной ткани испаряется 300–400 г воды. За вегетатив-

ный период травы и культурные растения испаряют с 1 га 229–254 мм,

пшеница – 200 … 300 мм, хвойные деревья – 102 … 154 мм, подсолнеч-

ник – менее 0,1 мм.

Инфильтрация представляет собой просачивание атмосферной и по-

верхностной воды под действием силы тяжести по порам и пустотам пород

в грунт до уровня грунтовых вод (УГВ). Только часть атмосферных осадков

достигает УГВ и идет на питание подземных вод. Так, в засушливом Север-

ном Кавказе на глубину 0,7 м проникает 299,7 мм атмосферных осадков,

а на 1,7 м – только 62,3 мм; в зоне избыточного увлажнения Белоруссии

на глубину 1 м проникает 593,7 мм, а на 2 м – 403,3 мм. Большое влияние

на инфильтрацию оказывает состав почв и подпочв (например, лесные поч-

вы хорошо впитывают воду).

Наиболее интенсивно этот процесс происходит в песчаных грунтах.

Так, в Нидерландах инфильтрация воды в дюны достигает 708 мм/год

(до 83% от атмосферных осадков). В магматических и метаморфических

породах этот процесс резко снижается: инфильтрация в эффузивных по-

родах Южной Африки составляет всего 25 мм/год.

Для определения водного баланса существуют специальные форму-

лы, предложенные разными исследователями. По М. А. Великанову,

уравнение общего водного баланса имеет вид, где левая часть обозначает

приход вод, а правая – расход:

N + K1 + Σy1 + Q1 = V + Σy2 + Q2 + (m – n),

где N – годовое количество осадков;

K1 – конденсация;

Σy1 – приток поверхностный и подземный;

V – испарение;

Σy2 – отток поверхностный и подземный;

m – приход (накопление) влаги;

n – расход запасов влаги.

Слагаемые водного баланса выражаются обычно в мм в год или в м3 на 1 га.

Вполне очевидно, что для подсчета баланса подземных вод какого-

либо участка необходимы длительные стационарные наблюдения за его

параметрами, т. е. атмосферными осадками, испарением, конденсацией,

подземным стоком и особенно инфильтрацией.

Рассмотренные процессы образуют неразрывную цепочку кругово-

рота воды в природе – непрерывное замкнутое движение воды, обуслов-

ленное солнечной энергией и действием силы тяжести.

Некоторые ученые считают, что вода в породах и минералах нахо-

дится в земной коре до глубины 4–5 км. На глубине около 5 км вода нахо-

дится в сверхкритическом состоянии, при котором резко возрастает рас-

творимость пород и их проницаемость. При этом движение растворов на

глубинах, превышающих 1 км, преобладает в направлении снизу вверх,

и лишь в верхней километровой зоне движение вод может быть направле-

но как снизу вверх, так и сверху вниз.

Так как вода содержится и в атмосфере, и в гидросфере, и в литосфе-

ре, и в биосфере в жидком, твердом и парообразном виде и является уни-

версальным растворителем, скорость передвижения воды из одной фазы

в другую, из одной сферы в другую зависит от многих причин.

Причинами непрерывного круговорота воды являются как энергия

Солнца, так и энергия, сосредоточенная внутри Земли. В соответствии с

причинами и скоростями движения воды в природе выделяют ряд круго-

воротов второго порядка.

Так, В. И. Вернадский выделял три круговорота: 1) большой гидро-

логический круговорот; 2) водообмен между подземными водами верхних

горизонтов и подземными водяными парами; 3) полузамкнутый водооб-

мен при геологических процессах – переход донных вод морей в подзем-

ные пластовые воды и медленное их вытеснение и замещение водами ат-

мосферного происхождения.

Некоторые ученые выделяют также климатический, геологический,

метаморфический, гидрогеологический круговороты.

1. В климатическом (гидрологическом) круговороте участвуют воды

атмосферы, гидросферы, биосферы и частично литосферы. Он обусловлен

солнечной энергией и заключается в движении воды в результате процессов

испарения, конденсации, выпадения атмосферных осадков, биологических

процессов, поверхностного и частично подземного стоков. В этом кругово-

роте можно выделить большой, малый и внутренний круговороты.

При большом круговороте испаряющаяся с поверхностей океанов

и морей вода переносится воздушными массами на континенты. Здесь она

в виде атмосферных осадков, а затем в виде поверхностного и частично

подземных стоков снова поступает в моря и океаны.

При малом круговороте испарившаяся с поверхности морей и океанов вода

выпадает в виде атмосферных осадков снова на поверхность морей и океанов.

При внутреннем круговороте вода, поступающая в виде пара в атмо-

сферу при испарении и транспирации на суше, выпадает в виде атмо-

сферных осадков вновь на поверхность суши. (Транспирация – испарение

воды растением, где основной орган – лист, а ток воды с минералами

движется от корней к листьям. За вегетационный период пшеница испа-

ряет0 с 1 га 2 млн кг воды, капуста – 8 млн кг воды.)

Климатический круговорот без учета приноса из космоса и расхода

в космос может быть представлен в виде равенства

Zм + Zс = Xм + Xс.

Количество воды, испарившееся с поверхностей морей и океанов

(Zм), а также суши (Zс), равно количеству атмосферных осадков, выпав-

ших на поверхность морей, океанов (Xм) и суши (Xс).

Полный климатический круговорот в атмосфере (12,3 тыс. км3) про-

исходит в среднем за 9–10 суток. В годовом круговороте участвует около

519 тыс. км3 воды, или около 0,03–0,04% от общих запасов. На основной

площади суши (117 млн км2) имеет место сток в моря и океаны. Лишь

33 млн км2 представляют бессточные области, где в основном вода рас-

ходуется на испарение. С климатическим круговоротом связано формиро-

вание горизонтов подземных вод.

2. Геологический круговорот имеет большую длительность. Начина-

ется он с процесса осадкообразования во внутриконтинентальных морях,

озерах, лагунах. Образующиеся на их дне осадки обладают большой по-

ристостью. Поры насыщены водой этого водоема. В дальнейшем при

поднятии участка на месте водоема образуется суша, но вместе с осадка-

ми остаются и воды бассейнов (седиментационные воды).

3. Метаморфогенный круговорот связан с гидратацией и дегидрата-

цией минералов в земной коре при магматических, метаморфических и

других геологических процессах.

4. Гидрологический круговорот соответствует второму круговороту,

по В. И. Вернадскому, и заключается в водообмене между различными по

происхождению подземными водами и подземными водяными парами

[11]. Сюда же относится, в частности, водообмен между водоносными го-

ризонтами при гидравлической связи.

Дата добавления: 2014-01-07