Лекции по гидрологии

В водных объектах различают также поступательное движение, при котором происходит перемещение воды в определенном направлении, и колебательное движение, при котором такое перемещение отсутствует.

 

II. КРУГОВОРОТ ВОДЫ И СОДЕРЖАЩИХСЯ В НЕЙ ВЕЩЕСТВ

Общий объём  воды на земном шаре 1,39·10⁹ км³.

На долю поверхностных  вод суши без ледников приходится только 0,01% от общего объёма вод. Пресные воды составляют 2,64%, из них 99% сосредоточено в ледниках и подземных водоносных горизонтах. Доля вод в речной сети очень мала, но он возобновляется в среднем в течение 19 дней, следовательно, объем речной воды, стекающей за год, будет в 19 раз (365:19) больше. Средний период возобновления воды в остальных водных объектах намного больше.

Площадь Мирового океана занимает 71% земного шара, поверхностные  воды суши - 4%, или 15% площади суши.

Наблюдается тенденция уменьшения запасов вод на суше и их увеличения в Мировом океане. За 1890-1990 гг. уровень Мирового океана повысился на 15 см.

В глобальном круговороте воды выделяют два звена:

- океаническое звено, представляющее собой многократно повторяющийся цикл: испарение с поверхности океана - перенос водяного пара над океаном - осадки на поверхность океана - океанические течения - испарение и т.д.;

- материковое звено, представляющее собой многократно повторяющийся цикл: испарение с поверхности суши - перенос водяного пара - осадки на поверхность суши - поверхностный и подземный сток - испарение и т.д.

Оба звена  связаны между собой переносом  водяного пара с океана на сушу и  поверхностным и подземным стоком с суши в океан.

На суше выделяют области внешнего (80% территории) и внутреннего (20%) стока. Сток в океан происходит только с территории первой области. Вторая область включает обширные бессточные территории, встречающиеся на всех материках кроме Антарктиды. В круговороте воды эти территории связаны с остальной частью суши только атмосферным переносом влаги.

Осадки на любом участке суши складываются из "внешних" осадков, сконденсировавшихся из водяного пара, принесенного извне, и "внутренних" (или "местных") осадков, сконденсировавшихся из влаги, испарившейся с поверхности данного конкретного участка суши. Этот многократно повторяющийся процесс называется внутри-материковым влагооборотом. Часть выпавших осадков переходит в воды поверхностного и подземного стока. Суммарный сток с заданной территории равен разности между количеством влаги, принесенной на нее по воздуху извне, и унесенный за ее пределы.

С океана ежегодно испаряется в среднем 505 тыс. км³ воды. Возвращается в океан в виде атмосферных осадков 458 тыс. км³. Остальные 47 тыс. км³ переносятся на сушу в виде пара.

На поверхность  суши в области внешнего стока  выпадает 110 тыс. км³ осадков; из них 47 тыс. км³ за счет влаги принесенной с океана, и 63 тыс. км³ за счет влаги, испаряющейся с суши. В испарении с суши 42% приходится на транспирацию растений. В океан с суши стекает 47 тыс. км³, в том числе 42 тыс. км³ — речной сток, 3 тыс. км³ — сток льда и 2 тыс. км³ - сток подземных вод, не дренируемых реками.

На поверхность  области внутреннего стока выпадает 9 тыс. км³ осадков и столько же испаряется. Принос влаги извне с воздушными массами равен ее выносу.

Отношение всех осадков, выпавших на данную территорию, к влаге, принесенной извне, называется коэффициентом влагооборота (К_вл).

Чем большее  число раз влага, поступившая  извне на данную территорию суши в воздушных массах, выпадет на ее поверхность и снова испарится, тем больше будет вклад местных осадков в их общую сумму, и, следовательно, К_вл будет выше. Отсюда наибольшие значения К_вл свойственны обширным территориям с высокой величиной испарения, что характерно для экваториального пояса. Для всей суши коэффициент влагооборота К_вл = 110/47 = 2,34. Для отдельных материков К_вл меняется от 1,14 (Австралия) до 1,68 (Южная Америка).

 

 

водный баланс

Соотношение между различными источниками поступления воды на выделенную поверхность (либо в выделенный объем суши или водного объекта), источниками удаления воды с этой поверхности (из этого объема) и изменением запасов воды на поверхности (в объеме) называется водным балансом выделенной поверхности (объема). Источники поступления (прихода) и удаления (расходования) воды называются составляющими, или элементами водного баланса.

Водный баланс может быть составлен для земного  шара в целом, для суши, отдельных материков, стран, административных областей и районов, речных бассейнов, отдельных водных объектов и их частей. При составлении водного баланса суши в целом или для отдельных ее участков рассматривают обычно определенный слой литосферы, например, слой от земной поверхности до первого водоупора или до самого нижнего водоносного горизонта, участвующего в круговороте воды.

Водный баланс может определяться за год, отдельные  сезоны, фазы водного режима, отдельные сутки в среднем за многолетний период или за отрезки времени конкретных лет.

Водный баланс может быть записан в виде уравнения, представляющего частный случай уравнения сохранения вещества. Основные природные составляющие водного баланса: атмосферные осадки, испарение, отток (сток) и приток воды поверхностным и подземным путем, изменение запасов воды в выделенном объеме (или площади).

Водный баланс может быть выражен в единицах объема (м³, км³) или в виде толщины слоя воды (в мм), получаемого путем деления объема на площадь рассматриваемой территории.

Средний годовой  водный баланс Земли в целом и  отдельно для Мирового океана и суши приведен в табл. 2.2.

 

Таблица 2.2

Средний годовой  водный баланс Земли

Часть Земли	Площадь, млн. км2	Осадки x			Испарение z			Сток
		тыс. км3	мм	тыс. км3		мм		речной yp			ледниковый yл		подземный w
								тыс. км3		мм	тыс. км3	мм	тыс. км3	мм
Весь Земной шар	510	577	1130		577		1130
Мировой океан	361	458	1270		505		1400	41,7	116		3,0	8	2,2	6
Суша в том числе:	149	119	800		72		485	41,7	280		3,0	20	2,2	15
область внешнего стока	119	110	924		63		529	41,7	350		3,0	25	2,2	19
область внутреннего стока	30	9	300		9		300

 

Уравнение водного  баланса: для всего земного шара х = z, для Мирового океана x_ок + y_р + y_л + w = z_ок для всей суши х_с = у_р + у_л + w + z_c, для внешней области стока x'_с = y_р + y_л + w + z_c', для области внутреннего стока х_с" = z". Здесь х, х_ок, х_с, х_с', х_с" - соответственно осадки на всю поверхность земного шара, океана, всю сушу, область внешнего и внутреннего стока; z, z_ок, z_c, z_c', z_с" - аналогичное значение испарения, у_р, у_л, w - сток в океан соответственно рек, льда, подземных вод.

Водный баланс участков суши, с учетом хозяйственной  деятельности, кроме указанных составляющих, может включать безвозвратный забор воды из водных объектов, переброску стока из других территорий. Земледелие, вырубка лесов, создание водохранилищ также влияют на соотношение природных составляющих водного баланса.

Круговорот  наносов. Наносы — это твердые вещества, содержащиеся в водных объектах и переносимые водой во взвешенном или влекомом состоянии. Основной источник поступления наносов в водные объекты — смыв почвы с поверхности водосборов талыми и дождевыми потоками (эрозия) и в меньшей мере размыв дна и берегов водных объектов под действием течения и волн. Реками наносы выносятся в океан. Здесь они дополняются продуктами размыва морских берегов и взмучивания дна волнами на мелководье, а также частицами растительных и животных организмов.

Годовой сток взвешенных наносов рек мира 15,7 млрд. т. в год. Сток влекомых наносов рек мира 5-10% общего твердого стока.

Круговорот  солей. Подземные воды при своем движении растворяют горные породы и являются основными источниками формирования солевого состава рек и водоемов суши. С речными водами в Мировой океан выносится 3,1 млрд. т. солей за год, 1,2 млрд. т. солей поступает в него непосредственно с подземными водами, 0,2 млрд. т. образуется в результате растворения речных взвесей.

С поверхности  океана с испаряющимися частицами  воды, а также с брызгами ежегодно уходит 5 млрд. т. солей, из которых 4,5 млрд. т. тут же возвращается обратно, а 0,5 млрд. т. уносится на сушу. Таким образом, запас солей в океане ежегодно пополняется на 4 млрд. т., т.е. около одной десятимиллионной доли их общего количества в нем.

Круговорот  газов. Из газов, участвующих в круговороте веществ в природе, наибольшее значение имеют кислород O₂ и диоксид углерода (углекислый газ) СО₂.. Важнейший фактор круговорота этих газов - процесс фотосинтеза:

6СО₂ + 6Н₂О → С₆Н₁₂О₆ + 6O₂,

в результате которого поглощается СО₂., создается органическое вещество (продукция) и выделяется О₂. Вследствие жизнедеятельности фитопланктона океана продуцируется 154 млрд. т. в год (примерно столько же, сколько растительностью суши). Расходование О₂ происходит в результате биохимического и химического разложения (окисления) органического вещества (деструкция), сопровождающегося выделением СО₂.

С дождевыми  и речными водами в океан поступает 3,6 млрд. т. О₂. На окислительные процессы в океане, а также потребление живыми водными организмами расходуется 151 млрд. т. О₂.. Избыток в 6,6 млрд. т. океан ежегодно отдает атмосфере.

Источниками поступления СО₂ в океан кроме процесса разложения органических веществ служат речные и дождевые воды, дыхание водных организмов, извержение подводных вулканов. В океане в высоких широтах СО₂ благодаря повышенной растворимости при низких температурах воды поглощается из атмосферы. При перемещении этих вод в низкие широты вследствие повышения температуры воды океан отдает СО₂ в атмосферу. Заметным фактором поступления СО₂ в атмосферу является хозяйственная деятельность.

 

III. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ

К подземным водам как объекту изучения гидрологией относятся воды, содержащиеся в земной коре и активно участвующие в круговороте воды на земном шаре, т.е. взаимодействующие с атмосферой и поверхностными водами.

Основной  источник формирования подземных вод - атмосферные осадки (тающий снег и дожди), которые поступают в верхний слой грунта в результате инфильтрации (впитывания). При обильном поступлении воды она заполняет все пустоты в грунте. По трещинам, ходам животных, отверстиям от сгнивших корней растений, относительно крупным порам (т.е. промежуткам между частицами грунта) вода перемещается вниз под влиянием силы тяжести - это гравитационная вода. Она достигает водоупорного слоя (чаще всего глинистые отложения), накапливаясь здесь, образует водоносный горизонт, т.е. слой водопроницаемого пласта, насыщенного водой, которая движется по поверхности водоупора в сторону его уклона под влиянием силы тяжести. Там, где отрицательные формы рельефа (речные долины, овраги, озерные котловины) вскрывают водоносный горизонт, подземные воды выходят на поверхность в виде родников или рассредоточенного высачивания на участке склона.

При определенном геологическом строении грунтовые  воды до выхода на поверхность перекрываются другим водоупором, затем вторым и.т.д. Воды, перекрытые сверху водоупорными слоями, называются межпластовыми подземными водами. Питание этих вод осуществляется на участках, где соответствующий водоносный горизонт не перекрыт сверху водоупором. Для межпластовых вод характерно возникновение напора, вследствие которого вода при вскрытии водоносного горизонта буровой скважиной или по естественным трещинам поднимается вверх. Уровень, до которого поднимается вода, называется пьезометрическим уровнем. Превышение этого уровня над уровнем воды в водоносном горизонте называется высотой напора. Подъем воды под действием напора может достигать земной поверхности. Особенно это свойственно артезианским водам, приуроченным к геологическим структурам синклинального типа - артезианским бассейнам.