Распределение воды на земле

Из общей площади поверхности Земли 510 млн км2 занимает суша, что составляет 29,2 %. Остальная часть планеты – моря и океаны. Запас воды Мирового океана достигает 1370 млн км3. Пресные воды рек и озер занимают около 230 тыс км3, ледники – 24 млн км3. Плавление ледников могло бы повысить уровень Мирового океана на 0,64 м и привести к затоплению примерно 1 % суши.

Подземные воды (в толще до 5 км) составляют 60 млн км3, из них 4 млн км3 находятся в зоне активного водообмена. В поверхностных слоях содержится 85 тыс. км3 почвенной влаги.

Вода находится в постоянном движении – ее количество и качество меняются во времени и пространстве. Водные ресурсы характеризуются вековыми запасами и возобновляемыми ресурсами.

К вековым естественным запасам (м3, км3) пресных вод суши относят воды, единовременно находящиеся в озерах, реках, ледниках, а также в водоносных слоях горных пород (подземные поды).

К возобновляемым водным ресурсам (м3/с, м3/год, км3/год) относятся те воды, которые ежегодно возобновляются в процессе круговорота воды на Земле (рис. 1), водообмена между сушей и океаном. Наша планета является прообразом гигантской паровой машины, двигателем которой служит солнечная энергия. Испаряющиеся под действием солнечной энергии с поверхности Мирового океана воды поступают в атмосферу и возвращаются в виде атмосферных осадков. Часть испаряющейся воды воздушными течениями переносится на сушу и, выпадая в виде осадков, является основным источников формирования вод суши – рек, озер, подземных вод, ледников. Часть атмосферных осадков, выпадающих на суше, которая не успевает испариться или просочиться вглубь, вновь возвращается в океан через реки.

Океан служит гигантским естественным испарителем и поставщиком пресной воды на сушу. Принимая речной сток, океан возобновляется количественно и восстанавливается качественно.

При наличии гидрологических станций и постов для измерения расходов воды подсчитывается речной сток и определяются величины возобновляемых водных ресурсов.

Оценка водных ресурсов по среднему годовому стоку получила широкое распространение при прогнозировании использования воды и оценке водообеспеченности. Между тем сток истощается в результате забора воды из реки или озера для хозяйственных нужд. При этом значительная доля воды теряется безвозвратно в процессе хозяйственного использования, особенно на нужды орошаемого земледелия.

Рис. 1. Распределение запасов воды в гидросфере.

При водохозяйственном прогнозировании следует учитывать, что озерные, речные, ледниковые, подземные воды в процессе круговорота воды в природе связаны между собой и переходят один в другой. Основным и единственным для всех видов вод исходным звеном круговорота воды в природе являются атмосферные осадки, питающие озера, реки, ледники и подземные воды. Вместе с этим реки питают озера, а подземные воды – реки.

Природные воды непрерывно расходуются и возобновляются. Речные воды, имея сравнительно небольшой объем, возобновляются примерно каждые 16 сут. (более 20 раз в год). Подземные воды возобновляются в течение примерно 1400 лет, а горные ледники – в течение 1600 лет.

Процесс круговорота воды в природе характеризуется уравнением водного баланса:

Ио + Ис = Оо + Ос,

где Ио, Ис – испарение с поверхности океана и суши, Ио + Ис = 452 600 + 72 500 = 525 100 км3; Оо + Ос – осадки на поверхности океана и суши, Оо + Ос = 411 600 + 113 500 = 525 100 км3.

Пример распределения осадков показан на рис. 2. Вследствие круговорота в гидросфере происходит постоянный обмен водных масс. Так, за счет океанских течений производится смена всех вод Мирового океана за 63 года. Значительно быстрее эти процессы протекают на суше и в атмосфере.

Рис. 2. Гидросфера и гидрологический цикл

Сток рек и подземных вод на земном шаре составляет 41 000 км3, или 8 % общего объема, совершающего круговорот на Земле. Сток составляет 36,4 % от размера выпадающих осадков на поверхности суши. Отношение величины (объема или слоя) стока к количеству выпавших на площадь водосбора осадков, обусловивших возникновение стока, называется коэффициентом стока.

Обеспеченность речной воды для континентов земного шара следующая, тыс. м3/чел. год: Австралия – 12,9; Азия – 7,94; Европа – 5,18; Африка –13,67; Северная Америка – 26,17; Южная Америка – 74,68.

Водный баланс в пределах речного бассейна составляет:

О – Спов + Спод + И + Т,

где О – осадки на поверхности; Спов – поверхностный сток, поступающий в реки; Спод – подземный сток, подпитывающий реки; И – испарение с поверхности материка, включая внутренние водоемы и водотоки; Т – транспирация влаги растительностью.

Для отдельного бассейна уравнение может быть записано в другой форме:

О – Спов + Сп.под + И + Т,

где Сп.под – полный подземный сток, складывающийся из подземных вод за счет инфильтрации в пределах водосбора, притока подземных вод извне, подпитывания из нижерасположенных напорных горизонтов подземных вод, подпитывания за счет конденсации водяных паров в почве.

Речной сток изменяется во времени, однако потребности в воде редко совпадают с циклом стока. Для того чтобы излишки стока, возникшие в полноводные сезоны, могли служить запасом в засушливые сезоны, необходимо строить плотины, водохранилища и распределительные системы. В результате создаются большие открытые резервуары и озера, из-за чего неизбежно растут потери от испарения.

В зависимости от природных условий отдельные составляющие полного подземного стока (например, капиллярная влага, конденсация водяных паров) могут отсутствовать. Схема влагооборота воды в пределах речного бассейна показана на рис. 3.

Подземные воды на планете составляют 14 % всех пресных вод. Роль подземных вод возрастает в связи с загрязнением поверхностных вод. Системы питьевого водоснабжения с использованием подземных вод развиваются в странах Европы до 90, США – 50, РФ – до 40%.

С каждым годом на Земле растет водопотребление, но, поскольку запасы воды ограничены и неравномерно расположены на земной поверхности, в перспективе пополнить дефицит воды возможно из морей и океанов.

Рис. 3. Схема влагооборота в пределах речного бассейна:

1 – зона парообразной и пленочной воды; 2 – граница капиллярной каймы; 3 – депресси-онная поверхность; 4 – водонепроницаемый слой; 5 – область напорных подземных вод.

Мировой океан – неисчерпаемый водный резервуар. Однако содержащиеся в морской воде соли мешают ее использованию в сельском хозяйстве, промышленности и быту для питьевых нужд без предварительного опреснения. Морская вода представляет собой смесь раствора солей с незначительным количеством растворенных газов и органических соединений. Соли и другие растворенные в воде вещества находятся преимущественно в виде ионов, а иногда – молекул. В океанической воде встречаются почти все химические элементы и их изотопы, но основную массу составляют девять главных ионов.

Соленость океана меняется как по глубине, так и по акватории. В Северном Ледовитом океане она ниже 31 %, в Красном море достигает 42 %. Однако соотношение главных ионов постоянно и независимо от величины солености, места и глубины.

Для получения пресной воды используют опреснительные установки. Практически из морской воды можно дать неограниченное количество пресной воды для сельского хозяйства. Однако широкое использование пресной воды для этих целей возможно лишь после технико-экономического обоснования.