Гидросфера Земли, ее основные функции. Классификация водных объектов. Поверхностные и подземные воды. Круговорот воды.

Гидросфера Земли объемом 1454,7 млн. км³ представляет собой водную оболочку, состоящую из океанов, морей, озер, рек, прудов, подземных вод.

Гидросфера создает условия для прохождения процесса фотосинтеза и для выделения водорода, а также для протекания биологических и биофизических процессов в организмах. В течение миллионов лет она способствует геологическому преобразованию планеты, разрушая твердые породы и меняя облик поверхности Земли. Растворяя неорганические соединения, вода вместе с животными и растительными организмами активизирует процесс почвообразования.

Водяной пар в атмосфере фильтрует солнечную радиацию, а вода на поверхности Земли смягчает действие высоких температур.

Мировой океан является гигантским аккумулятором солнечного тепла. Благодаря большой площади, прозрачности и перемешиванию вод, он поглощает тепла значительно больше, чем суша, и запас тепла в нем в 22 раза превышает ежегодное поступление. Для сравнения: в почву волна солнечного тепла, быстро слабея, проникает лишь на 8 м.

Гидросфера Земли выполняет важные функции: она регулирует температуру планеты, обеспечивает круговорот веществ, является составной частью биосферы.

Классификация водных объектов

Группа	Тип	Вид
Поверхностные воды	Водоток   Водоем   Море   Ледник	Река, рукав, ручей, канал   Озеро, водохранилище, пруд, болото   Окраинное, внутреннее, средиземное, межостровное   Материковый, горный
Подземные воды	Бассейн     Водоносный горизонт   Месторождение	Платформенный, предгорный, межгорный, гидрогеологический массив   Напорный, напорно-безнапорный, безнапорный     Питьевых вод, технических вод, теплоэнергетических вод, промышленных вод, минеральных вод

Поверхностные и подземные воды

Образование поверхностных вод — сложный процесс. Потоки, низвергающиеся с неба в виде дождя или снега — это испарившаяся из морей и океанов вода. От характера местности, по которой она течет под действием силы тяжести (одновременно вода является сильнейшим разрушителем той части земной коры, находящейся выше уровня моря), зависит маршрут, по которому она, собираясь в ручьи и реки, устремляется снова к морю. Таким образом, завершается одна крупная фаза гидрологического цикла.

Стекая по поверхности, вода захватывает и переносит нерастворимые минеральные частицы песка и почвы, часть из них она оставляет по дороге, часть переносит к морю, а какие-то вещества растворяются в ней. Поверхностные воды, проходя по неровной местности и падая со скал, насыщаются кислородом воздуха, его соединения с органическими и неорганическими веществами, вымытыми из суши конкретной местности и солнечный свет поддерживают большое разнообразие форм жизни в воде в виде водорослей, грибов, бактерий, мелких ракообразных и рыб.

Кроме того, русла многих рек бывают покрыты деревьями, тех районов, по которым они протекают, если берега рек покрыты лесами. Опавшие листья и хвоя деревьев попадают в реки, они играют большую роль в наполнении воды биологическим содержанием. После попадания в воду они растворяются в ней. Именно этот материал в дальнейшем становится основной причиной загрязнения ионообменных смол, которые используют для очистки воды.

Физические и химические свойства загрязнений поверхностных вод постепенно меняются с течением времени. Внезапные природные катаклизмы могут привести к резкому изменению в короткий срок состава поверхностных источников воды. Химия поверхностных вод меняется также в зависимости от сезона, например, в периоды сильных дождей и таяния снега (период большого паводка, когда уровень в реках резко поднимается). Это может оказать благоприятное или неблагоприятное влияние на характеристики воды, в зависимости от геохимии и биологии местности.

Химия поверхностных вод также меняется в течение года в несколько циклов засухи и дождей. Длительные периоды засухи серьезно влияют на нехватку воды для промышленного использования. В местах, где реки впадают в моря, возможно попадание соленой воды в реку в период засухи, что создает дополнительные проблемы. Промышленные пользователи должны ориентироваться на изменчивость поверхностных вод, обязательно учитывать при проектировании очистных сооружений и разработке других программ.

 

Подземные воды по их качеству и назначению подразделяются на питьевые и технические (пресные и слабосолоноватые), минеральные (лечебные), промышленные (содержащие извлекаемые концентрации полезных компонентов) и теплоэнергетические.

 

В сфере федеральных интересов находятся в основном питьевые и минеральные воды; удовлетворение текущих и перспективных потребностей населения России их качественными запасами имеет огромное значение как для социальной стабильности, так и для поддержания здоровья нации.

Пресные подземные воды – наиболее надёжный источник обеспечения населения питьевой водой высокого качества, защищенный от загрязнения с поверхности; минеральные воды – доступное и эффективное лечебное и профилактическое средство. Поэтому в «Долгосрочной государственной программе изучения недр и воспроизводства минерально-сырьевой базы России на основе баланса потребления и воспроизводства минерального сырья» были учтены именно эти типы подземных вод. Очень важным фактором, отличающим подземные воды от других видов полезных ископаемых, является динамичность запасов и ресурсов, зависимость их качества от изменчивых природных и антропогенных факторов.

Основная ресурсная база всех типов подземных вод (пресных питьевых и технических, минеральных, теплоэнергетических и промышленных) была создана благодаря широкомасштабным геологоразведочным работам, выполненным за счёт госбюджетных средств до начала 1990-х годов.

Круговорот воды

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.

В общих чертах круговорот воды всегда состоит из испарения, конденсации и осадков. Но он включает три основные "петли":

ü поверхностного стока: вода становится частью поверхностных вод;

ü испарения - транспирации: вода впитывается почвой, удерживается в качестве капиллярной воды, а затем возвращается в атмосферу, испаряясь с поверхности земли, или же поглощается растениями и выделяется в виде паров при транспирации;

ü грунтовых вод: вода попадает под землю и движется сквозь нее, питая колодцы и родники и таким образом вновь попадая в систему поверхностных вод.

Запасы воды в гидросфере

Элемент гидросферы	Объем воды, тыс. км3	Часть общего объема, %
Мировой океан Подземные воды Ледники Озера Почвенная влага Пары атмосферы Речные воды	1,2	93,96 4,12 1,65 0,019 0,006 0,001 0,0001

Площадь гидросферы составляет 70,8% от площади поверхности Земли, ее объем - около 0,1% объема земного шара. Доля пресной воды всего 2,5%, при этом 70% ее заключено в ледниках полярных районов и гор.

Пресные подземные воды находятся на глубине от 150 до 200 м, ниже 200 м они переходят в засоленные воды.

Кроме воды в названных частях гидросферы в ней содержится вода, сконцентрированная в живых организмах и растениях. Масса биологической воды составляет около 80% общей массы живого вещества биосферы. По объему это около 2 тыс. куб. км.

Вся вода гидросферы находится в непрерывном круговороте «океан-атмосфера-суша-океан» с различной скоростью водообмена. Период водообмена в различных элементах гидросферы составляет от нескольких часов до тысяч лет:

ü Мирового океана - 2560 лет,

ü подземных вод - 1400 лет,

ü почвенной влаги - 1 год,

ü полярных и подземных льдов - до 10 000 лет,

ü воды озер - 17 лет,

ü воды в руслах рек - 16 дней,

ü влаги в атмосфере - 8 дней,

ü воды в организмах - несколько часов.

 

Из Мирового океана в атмосферу испаряется ежегодно около 505 тыс. км³ воды; основная часть ее (458 тыс. км³) попадает в океан в виде осадков, 47 тыс. км3 переносится ветром и выпадает на поверхность континентов.

Количество воды в водоемах суши устойчиво уменьшается, в то же время уровень Мирового океана повышается примерно на 1,2 мм в год. Причинами этого являются вырубка лесов, осушение болот, уменьшение количества осадков на суше.

В несколько упрощенном виде круговорот воды в природе можно представить в виде испарения ее с поверхности гидросферы и суши, использования на промышленное и бытовое потребление и возврата в гидросферу в виде осадков и промышленных и бытовых стоков. Рисунок 12 иллюстрирует это графически. При этом видно, что вся возвращаемая вода содержит те или иные загрязнения.

Рис.12. Круговорот воды

Использование воды в хозяйственной деятельности. Водопользование и водопотребление. Классификация вод по целевому назначению. Требования к качеству хозяйственно-питьевой, технической, энергетической, охлаждающей, технологической и поливной воды.

Роль гидросферы в развитии Земли исключительно велика:

· во-первых, на начальном этапе развития Земли гидросфера выполняла защитные функции и смягчала теплые и холодные импульсы, действовавшие на планету;

· во-вторых, в связи с постоянным круговоротом воды гидросфера стала глобальной транспортной системой, формирующей поверхность Земли в процессе эрозии и переносящей растворенные минеральные вещества и органику;

· в-третьих, гидросфера стала глобальным аккумулятором органического и неорганического веществ, образующихся в водоемах и переносящихся реками и атмосферными потоками.

В ходе развития промышленности резко увеличилась потребность в пресной воде. Сейчас ежегодно на бытовое, промышленное и сельскохозяйственное водоснабжение в мире расходуется до 3500 км³ пресной воды, причем огромное число составляет ежегодный прирост - 10 км³. Испаряется около 150 км³ в год, остальная вода возвращается в виде стоков.

Наибольший объем пресной воды расходуется в сельском хозяйстве - около 70% всего потребления.

Использование воды в хозяйственной деятельности.

Водопользование и водопотребление

Выделяют два способа использования воды в хозяйственной деятельности: водопользование (общее и специальное) и водопотребление.

Общее водопользование - это использование водных объектов без применения сооружений и технических средств, осуществляемое физическими и юридическими лицами без необходимости получения лицензии на водопользование (удовлетворение питьевых потребностей населения и домашних животных, водный туризм, купание и т.д.).

 

Специальное водопользование – это использование водных объектов с применением сооружений, технических средств и устройств, осуществляемое физическими и юридическими лицами только при наличии лицензии на водопользование (гидроэнергетика, лесосплав и т.д.).

Водопотребление – это использование водных объектов, сопровождаемое забором воды для хозяйственно-питьевых нужд, промышленности, сельского хозяйства и т.д. При этом вода может возвращаться и не возвращаться обратно в водоем.

Вода используется как сырье, применяется в технологических процессах как растворитель, как охладитель, для подогрева, мойки и т.д.

Классификация вод по целевому назначению

Рис.11. Классификация вод по целевому назначению

Хозяйственно-питьевая вода должна соответствовать требованиям качества, которые регламентированы ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая».

Основным требованием к качеству поливной воды является недопущение засоления почв после испарения воды. Сульфаты магния и натрия, углекислый и хлористый натрий засолоняют почвы и делают ее непригодной для агротехнических целей.

Четко сформулированных регламентаций качества воды для орошения нет, однако, практика показывает, что минерализация поливных вод не должна превышать 1,5 г/л.

Энергетическая вода используется для нужд паросилового хозяйства: питания паровых котлов АЭС, ТЭС, котельных и т.д. Энергетическая вода не должна образовывать накипи, вызывать коррозию металла, вспениваться.

Охлаждающую воду используют для непрерывно работающих агрегатов или для отведения теплоты от производственных продуктов. Воду для охлаждения обычно используют многократно.

Качество охлаждающей воды нормируется условиями ее применения. Она не должна давать отложений в трубах и аппаратах, не должна содержать крупных минеральных взвесей, большого количества ионов железа, а также органических веществ.

При производстве железобетонных изделий и конструкций вода расходуется на промывку трубопроводов, бетоновода, системы подачи смазки, системы приготовления смазки, на охлаждение рабочих органов машин, чистку кассет, приготовление шпаклевки, испытание трубопроводов, смачивание формуемого изделия и т.д. На каждый кубометр бетона затрачивается в среднем 200...300 кг воды.

Вода для технологических нужд промышленности в зависимости от ее целевого использования должна отвечать самым разнообразным требованиям. Так, в воде, используемой в горнодобывающей промышленности при добыче, отмывке, сортировке, гидротранспорте и обогащении полезных ископаемых, должны отсутствовать грубые взвеси. Весьма специфические требования предъявляют к воде, используемой для обработки готовой продукции, а также к воде, входящей в состав продукта.