Роль воды в природе и обществе. Практическое значение гидрологии

Оглавление

1. Роль воды в природе и обществе. Практическое значение гидрологии.

Вода — важнейший компонент многих экосистем, причем не только водных (пресноводных, морских), но и наземных, поэтому наличие воды — непременное условие поддержания экологического равновесия и биоразнообразия как в водных объектах, так и на суше. Без использования воды нельзя преодолеть в глобальном масштабе ни продовольственный, ни энергетический кризисы.

Хотя вода на Земле в целом — это в основном возобновляемый природный компонент, водные ресурсы в отдельных районах подвержены антропогенному истощению и загрязнению. Вода —бесценное богатство человечества, поэтому водные ресурсы люди должны бережно и экономно использовать и охранять.

Практическое значение гидрологии. Гидрологи обеспечивают водопотребителей и водопользователей данными о количестве и качестве воды, о пространственно-временных изменениях гидрологических характеристик.

2. В последние десятилетия важной частью гидрологических исследований в России стали изучение реакции вод суши на глобальное потепление и оценка изменений режима водных объектов суши под влиянием хозяйственной деятельности. 
   Понятие о гидросфере, её общая характеристика.

Большая часть воды, участвующей в круговороте веществ на Земле, представлена в виде водных объектов, т. е. скоплений природных вод на земной поверхности и в верхних слоях земной коры, обладающих определенным гидрологическим режимом. Выделяют три группы водных объектов — водотоки, водоемы и особые водные объекты.

К водотокам относятся водные объекты на земной поверхности с поступательным движением воды в руслах в направлении уклона (реки, ручьи, каналы). Водоемы — это водные объекты в понижениях земной поверхности с замедленным движением вод (океаны, моря, озера, водохранилища, пруды, болота). Группу водных объектов, не укладывающихся в понятие водотоков и водоемов, составляют особые водные объекты — ледники и подземные воды (водоносные горизонты).

Многие водные объекты обладают водосбором, под которым понимается часть земной поверхности и толщи почв и горных пород, откуда вода поступает к данному водному объекту. Водосборы имеются у всех океанов, морей, озер, рек. Граница между смежными водосборами называется водоразделом. Различают поверхностный (орографический) и подземный водоразделы.

Под гидрографической сетью обычно понимают совокупность водотоков и водоемов в пределах какой-либо территории. Однако правильнее гидрографической сетью считать совокупность всех водных объектов, находящихся на земной поверхности в пределах данной территории (включая ледники). Часть гидрографической сети, представленная водотоками (реками, ручьями, каналами), называется русловой сетью, а состоящая только из крупных водотоков — рек — речной сетью.

Природные воды Земли формируют ее гидросферу. Под гидросферой понимают прерывистую водную оболочку земного шара, расположенную на поверхности земной коры и в ее толще, представляющую совокупность океанов, морей и водных объектов суши (рек, озер, болот, подземных вод), включая снежный покров и ледники.

Любой водный объект и его режим могут быть описаны с помощью некоторого набора гидрологических характеристик:

1. Характеристики водного режима: уровень воды (Д м в Балтийской системе высот (БС) или см над 0 поста), скорость течения (v, м/с), расход воды (Q, м3/с), сток воды за интервал времени At (W, м\ км3), уклон водной поверхности (I, величина безразмерная) и т. д. Большинство этих характеристик может быть отнесено не только к водотокам и водоемам, но и к особым водным объектам — ледникам, подземным водам.
2. Характеристики теплового режима: температура воды, снега, льда ( Т, °С), теплосодержание водного объекта или тепловой сток за интервал времени At (0, Дж) и т. д.
3. Характеристики ледового режима: сроки наступления и окончания различных фаз ледового режима (замерзания, ледостава, таяния, вскрытия, очищения ото льда), толщина ледяного покрова, сплоченность льдов и т. д.
4. Характеристики режима наносов: содержание в воде взвешенных наносов или мутность воды (s, кг/м3), расход наносов (R, кг/с), распределение наносов по фракциям (крупности) и т. д.

3. Характеристики формы и размера водного объекта: его длина (L, м, км), ширина {В, м, км), глубина (А, м) и т. д. 
   Физические «аномалии» воды и их гидрологические значение.

Вода — это простейшее устойчивое в обычных условиях химическое соединение водорода с кислородом. По своей химической природе — это оксид (окись) водорода Н20. В чистом виде вода — вещество бесцветное, не имеющее ни вкуса, ни запаха.

Несмотря на кажущуюся простоту своего строения, молекулярная структура воды очень сложна, изменчива и недостаточно изучена. Но именно благодаря особенностям молекулярной структуры вода представляет собой уникальное соединение, обладающее множеством «аномалий», отличающих ее от других веществ и определяющих многие природные процессы на Земле.

Наиболее важные физические аномалии воды и их географическое значение

4. Данные об основных физических аномалиях воды. В табл. приведены сведения о 10 основных аномалиях воды и их влиянии на гидрологические процессы и природные условия на Земле в целом. 
   Мировой океан. Ресурсы Мирового океана, их использование и охрана.

Воды океанов и морей обладают гигантскими запасами биологических, минеральных, энергетических ресурсов, используемых еще слабо и весьма неравномерно.

Морская вода — это среда, которая очень благоприятна для развития жизни, ее состав сходен с составом человеческой крови. Считается, что жизнь на нашей планете началась в океане. И воды океанов и морей населены огромным количеством живых организмов, качественно необычайно разнообразных.

Под биологическими ресурсами океана понимается потенциальная продукция полезных организмов, которая всегда больше возможного изъятия биологических продуктов человеком. Эти ресурсы необходимо знать, чтобы вести промысел рационально, не подрывая базы для воспроизводства объектов промысла. Продукция (П) океана (табл. 10.6) характеризует производительность (продуцирование) группы организмов, т. е. это понятие преимущественно экологическое; биомасса (Б) — количество живых организмов (по массе или объему) в одном кубическом метре воды (для планктона и нектона) или на одном квадратном метре площади дна (для бентоса); П/Б — отношение продукции к биомассе — величина, характеризующая активность организмов.

Ограниченность промысловых запасов, неравномерность их распространения, увеличение числа пользователей, «перелов» некоторых видов рыбопродуктов приводят к возникновению международных конфликтов в области морского хозяйства. Для их предотвращения нужны меры по регулированию и ограничению промысла, прежде всего, заключение специальных международных конвенций. Другая мера ограничения промысла — введение «экономических зон»: районов открытого моря, прилегающих к территориальным водам государства, где это государство имеет суверенные права на разведку, разработку и сохранение природных ресурсов (как живых, так и всех других), находящихся на дне, в его недрах и в воде.

Минерально-сырьевые ресурсы океанов и морей начинают играть важнейшую роль в экономике многих государств: запасы нефти на морском дне; в россыпях добывают титан, цирконий, касситерит, золото, платину, серебро, цинк, алмазы, фосфориты; шахтным способом (с берега) добывают каменный уголь, руды железные, медные, никелевые, ртутные, железомарганцевые конкреции; янтарь, строительные материалы (песок, гравий и ракушечник) и минеральных солей.

Энергетические ресурсы океана представлены энергией волнения, течений (прежде всего струйных, а также сильных течений в морских проливах и узостях), термоядерной энергией (возможно выделение сверхтяжелого изотопа водорода — трития), разностью температуры воды на различных горизонтах, осмотическим давлением в районах смешения пресных и соленых вод и энергией приливов.

5. Одно из главных богатств Мирового океана — его рекреационные ресурсы, имеющие важное значение для туризма, отдыха и лечения. 
   Мировой океан. Экологическое состояние.

Несмотря на огромные размеры океана, человек все сильнее влияет на его природные условия. Если раньше негативные последствия хозяйственной деятельности проявлялись лишь в прибрежных районах океана, то теперь они сказываются и в открытых его частях. Неблагоприятное влияние человека на океан заключается прежде всего в изменении его экологического состояния, загрязнении его вод и чрезмерной добыче промысловых морских организмов.

Современное негативное антропогенное влияние на морскую среду в основном состоит в увеличении поступления загрязняющих веществ. Антропогенная составляющая стока некоторых загрязняющих веществ (нефть, свинец, ртуть, мышьяк и т. д.) сравнима и иногда даже превышает природную. Океаны представляют собой зону аккумуляции загрязняющих веществ, «конечный пункт», независимо от того, в какую среду они были сброшены первоначально.

При анализе последствий загрязнения выделяют группу наиболее распространенных загрязняющих веществ, таких, как нефтяные углеводороды, тяжелые металлы, поверхностно-активные вещества, хлорорганические и фосфорорганические вещества, искусственные радионуклиды, биогенные и органические вещества, которые формируют крупномасштабное фоновое загрязнение гидросферы.

Антропогенное воздействие влияет не только на биотическую составляющую морских экосистем. Оно проявляется в нарушениях гидрологического и гидрохимического режимов, процессов тепло-, влаго- и газообмена между океаном и атмосферой, естественньгх биогеохимических циклов, определяя экологические условия в тонком приповерхностном слое океана, в котором обитает специфическое сообщество организмов — нейстон и плейстон.

Огромный вред морской фауне нанесла чрезмерная и неконтролируемая добыча промысловых рыб и некоторых других животных. Почти полностью истреблены котики на Командорских островах, сократилась численность китов, нарушено воспроизводство осетровых в Каспийском море, сельди в Атлантике.

Самоочищение — совокупность всех природных процессов, направленных на восстановление первоначальных свойств и состава воды, разложение, утилизацию загрязняющих веществ. Гидродинамические факторы, не являясь по существу факторами самоочищения, могут способствовать ускорению или торможению самоочищения. Главным фактором самоочищения природных вод от загрязняющих органических веществ выступает, прежде всего, жизнедеятельность микроорганизмов — деструкторов, способных трансформировать эти вещества и переводить их в минеральную форму. Проблема количественной оценки всех факторов самоочищения очень сложна и далека от окончательного решения.

Морские экосистемы, благодаря своей динамичности, достаточно устойчивы к умеренному внешнему воздействию. Это определяется совокупностью всех природных факторов, которые способствуют восстановлению естественных свойств и состава воды.

Угроза, которой подвергаются океаны и моря от загрязнения вод и хищнического вылова некоторых видов морских организмов, имеет глобальный характер. Ее предотвращение требует международных усилий в сокращении сбросов загрязняющих веществ в океаны и моря, в регулировании промысла морских организмов с полным запретом вылова некоторых видов. Совершенно ясно, что в разработке таких мер важная роль должна принадлежать гидрологии океанов — океанологии.

6. Подземные воды. Вертикальная гидродинамическая зональность подземных вод.

Согласно современным представлениям, подземные воды по происхождению могут быть как экзогенными (их источник — водные объекты на поверхности суши и влага атмосферы), так и эндогенными (их источник — недра Земли).

Закономерное распространение подземных вод в вертикальном разрезе литосферы (сверху вниз).

1. По условиям налегания и химизму вод

2. По условиям залегания  и динамике вод

A. Зона аэрации, в которой выделяются  воды: а) почвенные; б) корневые; в) промежуточного  или переходного пояса; г) капиллярного  поднятия.

Б Зона насыщения с подзонами: а) активной с интенсивным движением подземных вод; б) нейтральной (или переходной) с замедленным движением подземных вод; в) застойной с очень замедленным движением подземных вод (или практически неподвижными водами).

B. Зона пластичности пород со  связанными водами.

Экзогенные подземные воды попадают в горные породы либо при процессах просачивания (инфильтрации) поверхностных вод и конденсации водяного пара, либо в результате седиментации (осадко- накопления). Эти воды часто называют соответственно инфильтрационными, конденсационными и седиментационными.

Инфильтрационные подземные воды проникают в горные породы путем просачивания атмосферных, речных, морских и озерных вод. Основную роль при этом играет проникновение в грунт через поры и трещины практически пресной атмосферной воды. Конденсационные подземные воды образуются при конденсации в порах грунта водяного пара, перемещающегося в грунте под влиянием разности давления. Считают, что вклад этого вида питания подземных вод невелик, однако в некоторых физико-географических условиях, например пустынях, может иметь существенное значение. Седиментационные подземные воды образуются из вод того водного объекта, где происходил процесс седиментации, т. е. отложения наносов. Воды такого типа распространены в осадочных породах и в ложах океанов и морей, где образуют так называемые «иловые растворы».

Эндогенные подземные воды образуются в горных породах в результате дегидратации минералов (такие воды называют дегидратационными или «возрожденными») или поступают из магматических очагов, в частности в районах современного вулканизма (их называют «ювенильными» водами).

Инфильтрационные, конденсационные, седиментационные, де- гидратационные и «ювенильные» воды при своем перемещении в горных породах смешиваются, образуя смешанные по происхождению подземные воды.

7. Подземные воды (главным образом — инфильтрационные) являются важным компонентом материкового звена круговорота воды на земном шаре и играют заметную роль в балансе и режиме природных вод и растворенных в них веществ. 
   Подземные воды. Взаимодействие подземных и поверхностных вод. Роль грунтовых вод в питании рек.

Взаимодействие поверхностных и подземных вод играет очень важную роль в гидрологических процессах на планете. Существо этого взаимодействия заключается в обмене поверхностных (океаны, моря, озера, водохранилища, реки, каналы) и подземных вод (напорных и безнапорных) водой, теплотой, растворенными в воде веществами.

Рассмотрим это взаимодействие речных и грунтовых вод. Закономерности такого взаимодействия справедливы и для других водных объектов суши, например озер и водохранилищ.

а — постоянная односторонняя гидравлическая связь (река в течение всего года питает грунтовые воды); б — постоянная двусторонняя гидравлическая связь (река питает грунтовые воды в половодье и дренирует их в межень); в — временная гидравлическая связь; г—отсутствие гидравлической связи; 1—водоупорный пласт; 2—уровень грунтовых вод; 3—направление движения грунтовых вод; 4-уровень воды в реке в половодье; 5— уровень воды в реке в межень; 6— источники (родники)

Рис. 1. Схема взаимодействия речных и грунтовых вод:

Выделяют три типа взаимодействия речных и грунтовых вод: наличие постоянной гидравлической связи, наличие временной гидравлической связи и отсутствие гидравлической связи. Первый тип включает два подтипа: наличие одно- и двусторонней постоянной гидравлической связи. Характер связи речных и грунтовых вод зависит от соотношения высоты стояния уровня в реке в половодье и межень, с одной стороны, и положения кровли водоупорного пласта (водоупора) и уровня находящихся над ним грунтовых вод — с другой.

При очень низком положении водоупора и уровня фунтовых вод река в течение всего года через берега и дно питает подрусло- вые и прибрежные фунтовые воды (рис. 1, а), т. е. постоянно теряет воду на питание фунтовых вод. Это явление особенно характерно для закарстованных пород или крупнопористых грунтов в аридных и горных районах. Гидрогеологи называют этот вид взаимодействия речных и грунтовых вод «подпертой фильтрацией» (В. А. Всеволожский, 1991). Кроме того, иногда выделяют случай, когда основной водоупор находится очень глубоко, а русло реки подстилают слабоводопроницаемые породы. В этом случае фильтрация речных вод происходит практически вертикально вниз, обходя область слабоводопроницаемых пород.

При более высоком положении водоупора река питает фунтовые воды лишь в половодье; в межень река, наоборот, дренирует фунтовые воды и ими питается (рис. 1, б). На спаде половодья и в межень часть накопленной в фунте воды возвращается в русло реки. Такое явление называется береговым регулированием речного стока или периодическим питанием подземных вод.

При еще более высоком положении водоупора река, так же как и в предыдущем случае, в половодье питает фунтовые воды, а в межень грунтовые воды питают реку. Однако в межень происходит разрыв кривой депрессии фунтовых вод и понизившегося уровня в реке — на склонах русла возникают мочажины и начинают действовать родники или ключи (рис. 1, в), дебиты которых не зависят от изменения уровня воды в реке.

Наконец, при очень высоком положении водоупора как в половодье, так и в межень грунтовые воды и река не имеют между собой гидравлической связи (рис. 1, г).

8. Таким образом, характер и величина подземного питания рек (и озер) зависят от гидрогеологического строения прилегающей к водному объекту территории и от режима уровней воды в водном объекте. В целом же подземные воды являются одним из важнейших видов питания рек.  
   Ледники. Их образование и развитие. Характеристики современных ледников.

В холодный период года на обширных территориях суши идет накопление твердых атмосферных осадков — снега. В теплый период года на большей части территории снег растаивает. В каждый момент времени можно найти границу между поверхностью, покрытой снегом, и поверхностью, где снега нет. Эта граница называется сезонной снеговой линией. Естественно, что в течение года эта линия смещается в пространстве: в холодный период года на равнинах в сторону низких широт, а в горах — вниз по склонам, в теплый период года на равнинах — в сторону высоких широт, а в горах — вверх по склонам, причем в Северном и Южном полушариях — асинхронно.

Высотное положение климатической снеговой линии определяется климатическими условиями. Наинизшее положение она занимает в полярных районах, опускаясь в Антарктике до уровня моря, наивысшее — в субтропиках (до 6500 м), где наиболее высока температура воздуха и отмечаются недостаток атмосферных осадков и повышенная сухость воздуха. В Южном полушарии, где климат более морской и выпадает больше осадков, климатическая снеговая линия расположена ниже, чем в Северном полушарии (рис. 2).

Рис. 2 Положение климатической снеговой линии (1) на разных широтах вдоль южноамериканских Анд и североамериканских Кордильер, рельеф земной поверхности (2) и области современного оледенения (3)

Главная причина существования оледенения — климатическая. Основным условием существования ледников служит положительный снеговой баланс, т. е. преобладание накопления снега над его расходованием, чему способствует большое количество твердых атмосферных осадков и длительный период отрицательных температур воздуха.

Наиболее благоприятен для образования ледников морской климат с большим количеством осадков и прохладным летом. Сухой континентальный климат с жарким летом менее благоприятен для образования ледников.

Помимо климатических условий образованию ледников способствуют и условия орографические и геоморфологические: большие высоты, экспозиция склонов (северная в Северном полушарии и южная в Южном), благоприятная ориентация горных хребтов по отношению к направлению переноса влажных воздушных масс, плоские или вогнутые формы рельефа.

Линия с нулевым снеговым балансом на теле самого ледника проходит немного ниже, чем климатическая снеговая линия в данном районе Земли. Это может быть объяснено как дополнительным поступлением снега на поверхность ледника путем метелевого и лавинного переноса, так и охлаждающим влиянием самого ледника.

С многолетним положением снеговой линии на поверхности ледника приблизительно совпадает так называемая фирновая линия, отделяющая поверхность фирна от поверхности льда.

Общие запасы воды в ледниках России составляют около 15,1 тыс. км3. Самые крупные ледники в нашей стране находятся на островах Новая Земля и Северная Земля. Запасы воды в горных ледниках России невелики.

9. Режим и движение ледников. Роль ледников в режиме рек. Хозяйственное значение ледников.

Под режимом ледника понимается совокупность всех процессов, происходящих на поверхности и в толще ледника, включая изменение его массы и формы, наступание и отступание.

От наступания и отступания ледников, связанных в основном с изменением условий их питания и таяния, следует отличать движение ледников, проявляющееся в перемещении (всегда в одном направлении) самих масс льда.

Движению ледников способствует:

• пластичность (лед оказывается текучим и под действием силы тяжести и давления медленно перемешается)
• большая мощность ледника

• значительные уклоны его поверхности и ложа (крутопадающие ледники двигаются быстрее пологопадающих)

• относительно повышенная температура воздуха (и льда), так называемая «водяная смазка» у ложа

• период движения (днем, летом и в фазу наступания ледник движется быстрее, чем ночью, зимой и в фазу отступания)

• место нахождения льда (в леднике благодаря деформациям сжатия и растяжения (приводящим к разрывам сплошности льда) существенно отличается от движения воды в водотоках и водоемах)

Роль ледников в режиме рек. Вклад ледникового стока в суммарный сток реки и регулирующее влияние ледников на сток тем больше, чем больше относительная площадь оледенения, равная отношению площади, занятой ледниками, к полной площади бассейна реки для данного замыкающего створа. Благодаря аккумулированным в толщах ледника большим массам воды ледники оказывают регулирующее влияние на речной сток.