Круговорот воды в природе

Определение круговорота воды в природе

Круговорот воды на Земле, называемый также гидрологическим циклом, включает поступление воды в атмосферу при испарении и возвращение ее назад в результате конденсации и выпадения осадков (рис. 1.1.1.1). В общих чертах круговорот воды всегда состоит из испарения, конденсации и осадков.

Молекула воды начинает свой путь в этом цикле, когда, получив несколько больше тепловой энергии по сравнению с соседними молекулами, преодолевает поверхностное натяжение жидкости и превращается в молекулу пара. Воздух, в который попадает молекула, вовлечен в процесс циркуляции, порожденный неравномерным нагреванием полярной и тропической зон, перепадами атмосферного давления и вращением Земли.

Циркуляция атмосферы в Северном полушарии в целом направлена с запада на восток. Внутри воздушных масс происходит вертикальное движение воздуха, вызванное, прежде всего нагреванием воздуха на контакте с более теплой поверхностью океана или суши. Нагретая таким образом отдельная частица расширяется, становясь менее плотной, чем частицы, находящиеся непосредственно выше нее, и благодаря большей подъемной силе, воздействующей на нее, устремляется вверх. Однако в соответствии с известным физическим законом расширение происходит за счет запаса тепла, и поэтому, поднимаясь, эта воздушная частица охлаждается до тех пор, пока температура не понизится до такой степени, что влага уже не сможет оставаться в газообразном состоянии и не произойдет конденсация пара. Крошечные капельки воды, взвешенные в атмосфере, образуют облака. При соответствующих условиях эти капельки сливаются вокруг ядер конденсации (кристаллов льда или пылинок), а, достигнув веса, достаточного для преодоления сопротивления воздуха, падают на землю в виде дождя, снега или града. Когда частица воды вместе с наземным или подземным стоком попадает снова в океан, это означает, что она совершила полный круговорот в природе.

 

Рис. 1.1.1.1. Круговорот воды в природе

Водный баланс

Водный баланс определяется как количественная характеристика всех форм прихода и расхода воды в атмосфере, на земном шаре и его отдельных участках. Водный баланс является количественным выражением круговорота воды на Земле. Расчётом составляющих водного баланса широко пользуются в гидрологии и в метеорологии для изучения водного режима.

Водный баланс суши характеризуется основной зависимостью: количество атмосферных осадков, выпадающих на данной территории, равно сумме испарения, стока и накопления (или расхода) воды в верхнего слоях литосферы.

Для комплексной, балансовой оценки вод, участвующих в круговороте воды в природе (водных ресурсов), служит система уравнений водного баланса суши:

Р = R + Е + N;

R = U + S;

где: Р - атмосферные осадки; R - полный речной сток; Е – испарение; N - накопление (или расход) воды в верхнего слоях литосферы; U - подземный сток в реки; S - поверхностный сток.

Для всего земного шара за годичный период и для средних многолетних условий его отдельных территорий последний член водного баланса равен нулю.

В водном балансе атмосферы над определённой частью земной поверхности расход воды на выпадение осадков равен сумме испарения с земной поверхности, поступления или выноса водяного пара в результате его горизонтального переноса воздушными течениями и изменения количества воды в атмосфере (последний член обычно мал по сравнению с другими членами водного баланса).

Водный баланс атмосферы существенно зависит от условий атмосферного влагооборота, в ходе которого водяной пар переносится из одних районов в другие. Хотя испарение с поверхности суши составляет около ²/₃ от количества осадков на континентах, фактически большая часть осадков, выпадающих на суше, формируется из водяного пара, принесённого воздушными течениями с океанов. Это объясняется тем, что циркуляция атмосферы уносит с континентов на океаны значительную часть водяного пара, образованного местным испарением.

Разность между испарением и осадками на континентах, равная разности между приходом и расходом водяного пара в атмосфере над континентами, одновременно равна величине речного стока с континентов в океаны.

Если рассматривать водный баланс для всей земной поверхности в целом, так же как и для всей атмосферы, то годовая сумма осадков равна величине испарения, которая соответствует, по современным данным, приблизительно 100 см/год (см. табл. 1.1.2.1).

 

Водные ресурсы

Водные ресурсы Земли.

Водные ресурсы включают практически все воды гидросферы, т. е. воды океанов и морей, рек и каналов, озёр и водохранилищ, подземные воды, почвенную влагу, а также воду (льды) горных и полярных ледников, водяные пары атмосферы. Количество водных ресурсов складывается из стационарных запасов различных частей гидросферы (табл. 1.1.3.1) и из запасов, непрерывно возобновляемых в процессе круговорота воды.

Табл. 1.1.2.1

Водный баланс Земли

Элементы баланса	Объём, км 3	Слой, мм
Часть суши, имеющая сток в океан
Осадки	102 000
Речной сток	38 150
Испарение	65 000
Часть суши, не имеющая стока в океан (бессточные области)
Осадки	7 400
Испарение	7 400
Мировой океан
Осадки	411 000
Приток речных вод	38 150
Испарение	448 000
Земля в целом
Осадки	520 000
Испарение	520 000

Табл. 1.1.3.1

Стационарные водные ресурсы Земли (по М. И. Львовичу)

Части гидросферы	Объём воды, тыс. км3	Активность водообмена, число лет
Мировой океан	1 370 000
Подземные воды	(60 000)*	(5000)*
в т. ч. зоны активного обмена	(4000)*	(330)*
Ледники
Озёра
Почвенная влага
Речные (русловые) воды	1,2	0,032
Пары атмосферы		0,027
Вся гидросфера	1 454 327,2

*В скобках - приближённые данные.

Таблица 1.1.3.2

Суммарные ресурсы и запасы воды на территории Российской Федерации
(по данным Росгидромета и МПР России)

Водоисточник	Естественные ресурсы, км3/год	Статические (вековые) запасы, км3
Реки	4270,6
Озера
Ледники
Подземный лед	-
Болота
Почвенные воды		-
Подземные воды	787,5
Всего	7770,6

 

Из стационарных запасов гидросферы менее 2% относится к пресным водам. Но если исключить воды (льды) полярных ледников, пока недоступных для использования, то на долю доступных для использования пресных вод приходится всего лишь 0,3% стационарного объёма гидросферы.

К числу водных ресурсов относится речной сток. Речные водные ресурсы состоят из двух неравноценных, различимых по происхождению частей: подземной и поверхностной. Первая устойчива, поэтому, как правило, не требует регулирования. Вместе с тем она в общем виде характеризует возобновимые запасы подземных вод зоны активного водообмена. Глубинные подземные воды (ниже уровня дренажа реками) слабо участвуют в современном круговороте воды, носят застойный характер и поэтому чаще всего сильно минерализованы. Поверхностный (паводочный) сток весьма изменчив и для использования, как правило, требует регулирования.

Теоретически водные ресурсы неисчерпаемы, так как при рациональном использовании они непрерывно возобновляются в процессе круговорота. Ещё в недалёком прошлом считалось, что воды на Земле так много, что, за исключением отдельных засушливых районов, людям не надо беспокоиться о том, что её может не хватить. Однако потребление воды растет такими темпами, что человечество всё чаще сталкивается с проблемой, как обеспечить будущие потребности в ней. Во многих странах и районах Европы, Америки уже ощущается недостаток водных ресурсов, усиливающийся с каждым годом. Большую опасность истощения водных ресурсов вызывает быстро возрастающее загрязнение речных, озёрных и в значительной мере морских вод, вызванное сбросом в них сточных вод.

Во избежание качественного истощения водных ресурсов необходимо проведение комплекса целенаправленных мер, среди которых видное место принадлежит всемерному сокращению, а впоследствии и полному прекращению использования рек, озёр и водохранилищ для удаления и обезвреживания сточных вод. Это возможно осуществить путём повторного использования сточных вод (орошение земледельческих полей, применение после очистки на некоторых предприятиях), а также путём всемерного снижения водоемкости производства, т. е. уменьшения расхода воды на единицу продукции и перевода некоторых водоёмких производств на сухую технологию.

Расширенное производство водных ресурсов, т. е. увеличение наиболее доступных для использования за счёт труднодоступных или потенциальных водных ресурсов, широко применяется в практике водного и сельского хозяйства. Это достигается преобразованием водных ресурсов, например, путём умножения ресурсов почвенной влаги мелиоративными и агротехническими средствами, а также устойчивого речного стока за счёт поверхностного (поводочного) стока путём регулирования водохранилищами. Может также проводиться искусственное магазинирование подземных вод (устройство крупных постоянно пополняемых подземных водохранилищ с большим транзитом воды).

Водные ресурсы России.

Россия - одна из наиболее богатых природными водами стран мира. Суммарные естественные ресурсы и запасы пресных вод Российской Федерации оцениваются в 7770,6 км³/год (табл. 1.1.3.2). Доля речного стока составляет 55%. Статические (вековые) запасы, большая часть которых сосредоточена в озерах и подземных водах, составляют около 90 тыс. км³/год.