О. В. Ковалева, И.Ф. Рассашко 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

О. В. Ковалева, И.Ф. Рассашко



Франциска Скорины»

 

 

 

 

 

О. В. Ковалева, И.Ф. Рассашко

Гидроэкология

 

 

Учебно-методический комплекс

для студентов специальности 1-33 01 02 «Геоэкология»

 

 

Гомель

УО «ГГУ им. Ф. Скорины»

 

УДК 556: 502.51 (075.8)

ББК 26.220. 8Я73

К - 56

Рецензенты:

Ю.Г. Гигиняк, ведущий научный сотрудник сектора мониторинга и кадастра животного мира ГНПО «Научно-практический центр НАН Беларуси по биоресурсам», кандидат биологических наук, доцент;

 

Кафедра экологии и рационального использования водных ресурсов учреждения образования «Белорусский государственный университет транспорта».

 

Рекомендовано к изданию УМО вузов Республики Беларусь

по экологическому образованию

 

Ковалева, О.В.

К – 56 Гидроэкология: учебно-методический комплекс для студен-

тов специальности 1-33 01 02 «Геоэкология» / О.В. Ковалева,

И.Ф. Рассашко; М-во образ. РБ, Гомельский государствен-

ный университет им. Ф. Скорины. – Гомель: ГГУ им. Ф. Ско-

рины, 2012. – 293 с.

 

В учебно-методическом комплексе рассматриваются общие и специальные вопросы гидроэкологии. Лекционный материал включает сведения о гидросфере, закономерностях ее функционирования, процессах загрязнения и самоочищения водоемов, формирования качества воды. Лабораторный практикум содержит методику определения качества воды водоемов. Практические занятия знакомят с основными группами гидробионтов, оценкой качества воды по гидроэкологическим показателям.

Учебно-методический комплекс адресован студентам специальности 1-33 01 02 «Геоэкология», а также учащимся экологических центров, студенческих научно-исследовательских кружков и лабораторий.

 

УДК 556: 502.51 (075.8)

ББК 26.220. 8Я73

 

© Ковалева О.В., Рассашко И.Ф., 2012

© УО «Гомельский государственный

университет имени Ф. Скорины», 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………..…...  
1 Учебная программа по дисциплине «Гидроэкология» ………….  
2 Тексты лекций………………………………………………..……..  
Тема 1 Гидроэкология как наука…………..………..…….……...  
  1.1 Предмет, задачи и методы дисциплины…………….  
  1.2 Связь гидроэкологии с другими дисциплинами……  
  1.3 История возникновения и развития гидроэкологии…………………………………………  
  1.4 Основные направления гидроэкологии……………..  
Тема 2 Общая характеристика гидросферы………………..........  
  2.1 Происхождение и формирование гидросферы….…..  
  2.2 Водные ресурсы планеты………………………….…  
  2.3 Важнейшие свойства воды…………………………..  
  2.4 Круговорот воды и значение гидросферы………..…  
Тема 3 Экологическая зональность водоемов…………………..  
  3.1 Экологическая зональность Мирового океана и морей…………………………………………………..  
  3.2 Экологическая зональность озер….…………..……..  
  3.3 Экологическая зональность речных систем………...  
Тема 4 Основные физико-химические факторы водной среды...  
  4.1 Механико-динамические свойства воды и грунта …  
  4.1.1 Движение воды……………….…………………  
  4.1.2 Вязкость воды………………….…….………….  
  4.1.3 Плотность воды…………………..……………..  
  4.1.4 Механико-динамические свойства грунтов…..  
  4.2 Температура, свет, магнетизм, звук………………….  
  4.2.1 Температура…….……………………………….  
  4.2.3 Свет………..……………………………………..  
  4.2.3 Звук, электричество и магнетизм………..……..  
  4.3 Растворенные и взвешенные в воде вещества…....…  
  4.3.1 Растворенные газы………..…………………….  
  4.3.2 Растворенные минеральные соли…………..….  
  4.3.3 Растворенные органические вещества…………  
  4.3.4 Взвешенные в воде вещества…..………………  
  4.4 Активная реакция и окислительно-восстановитель- ный потенциал ………………………………………..  
Тема 5 Экологические группы гидробионтов…………....……...  
  5.1 Планктон……………..………………………………..  
  5.2 Нектон………………………..………………………..  
  5.3 Плейстон и нейстон…………….……………………..  
  5.4 Бентос и перифитон..…..………………………..……  
Тема 6 Гидробиоценозы как биологические системы гидросферы………………………………………………..  
  6.1 Общая характеристика гидробиоценозов……….…..  
  6.2 Структура гидробиоценозов…………..……………...  
  6.3 Разнообразие гидробиоценозов……..……………..  
Тема 7 Антропогенное воздействие на гидросферу …………....  
  7.1 Использование пресной воды …………………..……  
  7.2 Источники и последствия антропогенных воздейст- вий на гидросферу…………………………………...  
  7.3 Загрязненная вода и здоровье человека…..…………  
  7.4 Общие сведения о методах очистки сточных вод…..  
Тема 8 Естественное самоочищение водоемов …………….…...  
  8.1 Понятие о самоочищении водоемов………..………..  
  8.2 Факторы самоочищения……………………….……..  
  8.3 Роль отдельных групп гидробионтов в самоочище- нии водоемов………………………………………….  
  8.4 Скорость самоочищения, мероприятия по его усилению……..……………………………………….  
Тема 9 Мониторинг поверхностных вод и биоиндикация ……..  
  9.1 Мониторинг поверхностных вод…………….………  
  9.2 Биоиндикация……………………..…………………..  
Тема 10 Водные ресурсы Беларуси ……………………….………  
  10.1 История изучения…………………………………....  
  10.2 Состояние водных ресурсов ………………….…….  
  10.3 Важнейшие водные объекты Беларуси, их харак- теристика …………………………………………….  
  10.4 Биоразнообразие водных экосистем Беларуси…….  
  10.5 Водные ресурсы Полесского региона……………...  
3 Лабораторные работы………..……………………………………..  
4 Практические занятия ……………………………………………...  
5 Терминологический словарь…………………..…………………..  
Литература ……………………………………………………………  
Приложения …………………………………………………………..  

ВВЕДЕНИЕ

Начало 21 века характеризуется все возрастающим антропогенным воздействием на окружающую среду, обусловленным ростом численности населения, интенсификацией сельского хозяйства и промышленности. Водные ресурсы планеты в результате такого воздействия претерпевают глубокие и зачастую необратимые изменения. Генеральная Ассамблея ООН провозгласила период с 2005 по 2015 гг. Международным десятилетием действий «Вода для жизни», подчеркивая крайнюю необходимость охраны и рационального использования водных ресурсов. Последнее невозможно без наличия экологических знаний.

Экологическое образование должно обеспечиваться на всех этапах общеобразовательного процесса. Экологические дисциплины входят в число обязательных при подготовке студентов в высших учебных заведениях. Расширению и углублению знаний в области экологии будут способствовать не только учебные пособия по общей экологии, но и по экологии атмосферы, литосферы, гидросферы.

Изучением водных экосистем, их структуры и закономерностей функционирования, включая взаимодействие между водной средой и обитающими в ней организмами, занимается раздел экологии, который называется гидроэкологией.

Познание механизмов функционирования водных экосистем служит основой для решения многих практических задач, связанных с повышением продуктивности водоемов, улучшением качества воды, проведением водоохранных мероприятий, т.к. вода является одним из факторов, определяющих состояние окружающей среды, социальную сферу и экономику.

Гидроэкология является молодой и современной экологической дисциплиной, что обусловливает необходимость издания учебных пособий, которые способствовали бы доведению до студентов современных экологических знаний. Однако, учебных пособий по водной экологии, или гидроэкологии, в Беларуси недостаточно.

В учебно-методическом комплексе освещаются общие и специальные вопросы гидроэкологии, приводятся сведения о гидросфере, дается характеристика основных экологических факторов водной среды, излагаются положения по самоочищению водоемов и процессам формирования качества воды, освещаются последствия антропогенного воздействия на водоемы, приводится характеристика основных групп гидробионтов, обосновывается необходимость рационального использования водных ресурсов. В учебно-методическом комплексе также освещается состояние основных водных объектов Республики Беларусь, в том числе, Гомельского Полесья.

В учебно-методический комплекс входят тексты лекций, задания для практических занятий и лабораторных работ. Тексты лекций включают перечень основных освещаемых вопросов. Излагаемый материал сопровождается таблицами, схемами, рисунками. Лабораторные и практические занятия разработаны с учетом детального изучения студентами основных групп водных растений и животных, их роли в экосистемах. С целью более глубокого усвоения материала к каждой лабораторной работе приводятся вопросы для самоконтроля.

Структура и содержание лекционного материала, заданий для лабораторных и практических занятий базируются на методических рекомендациях, изложенных в Руководствах по методам оценки качества воды и состояния водных экосистем. Рассматриваются и используются национальные и международные гидроэкологические показатели, применяемые при мониторинге.

Учебно-методический комплекс адресован студентам специальности 1-33 01 02 «Геоэкология», которые изучают дисциплину «Гидроэкология», и предназначен для повышения эффективности самостоятельной работы студентов, увеличения наглядности и информативности материала, используемого на лабораторных и практических занятиях, организации научно-исследовательской работы студентов.

 

 


1 Учебная программа по дисциплине «Гидроэкология»

Тексты лекций

Таблица 2.1 – Мировые запасы воды

Части гидросферы Площадь распространения, млн. км2 Объем воды, тыс. км3 Слой воды, м Доля в мировых запасах, %
От общих запасов воды От запасов пресной воды
Мировой океан 361,26 1340,74   96,49
Подземные воды (гравитационные и капиллярные)   134,73   23,40     1,68   –
Преимущественно пресные подземные воды 134,73 10,53   0,76 29,39
Почвенная влага 82,00 0,02 0,24 0,001 0,06
Ледники и постоянно залегающий снежный покров В том числе:   16,23   24,87     1,79   69,41
В Антарктиде 13,98 22,41   1,61 62,55
В Гренландии 1,80 2,34   0,17 6,53
На Арктических островах (Канадский Арктический архипелаг, Новая земля, Северная земля, Земля Франца-Иосифа, Шпицберген, малые острова)   0,23   0,08     0,006   0,22
В горный районах за пределами Арктики и Антарктики   0,22   0,04     0,003   0,11
Подземные льды зоны многолетнемерзлых пород   21,00   0,30     0,022   0,84
Запасы воды в озерах В том числе: 2,06 0,18   0,013
В пресных 1,24 0,09   0,0065 0,25
В соленых 0,82 0,09   0,0065
Воды болот 2,68 0,01 3,73 0,0007 0,03
Воды в руслах рек 148,84 0,002 0,013 0,0001 0,006
Биологическая вода (вода, содержащаяся в живых организмах и растениях)   510,10   0,001   0,002   0,0001   0,003
Вода в атмосфере 510,10 0,01 0,02 0,0007 0,03
Общие запасы воды 510,10 1389,53    
Пресные воды 148,84 35,83   2,58  

Примечание. Расчет запасов подземных вод выполнен по отдельным континентам без учета запасов подземных вод в Антарктиде, ориентировочно оцениваемых в 2 млн. км3, в том числе преимущественно пресных – около 1млн. км3.


 

Рисунок 2.1 – Водные ресурсы Земли (·106 км3), по [3]

 

поступление воды из мантии и из Космоса (ледяные ядра комет, метеорное вещество, пыль...) и потери ее за счет разложения воды фотосинтезом и диссипации легких газов в Космосе. Однако соотношение отдельных ее видов, перечисленных в таблице 2.1, нельзя считать постоянным и абсолютно точным. Оно менялось в разные периоды жизни Земли. Имеющиеся в литературе данные [3] о соотношении частей гидросферы несколько различаются (рисунок 2.1).

В современную эпоху основные запасы воды сосредоточены в Мировом океане (96,5 %). Пресных вод в гидросфере всего 2,58 % от общих запасов воды. Больше всего пресных вод содержится в ледниках и снежном покрове Антарктиды, Арктики и горных стран (1,78 % объема гидросферы или 69,3% от запасов пресных вод на Земле). Если весь лед равномерно распределить по поверхности земного шара, он покроет ее слоем в 53 м, а если растопить эти массы льда, то уровеньлед равномерно распределить по поверхности земного шара, он покроет ее слоем в 53 м, а если растопить эти массы льда, то уровень океана повысится на 64 м. Ледники занимают особое место в круговороте воды на Земле, т.к. они сохраняют влагу в твердом состоянии на много лет. В среднем, снежинка, выпавшая на ледник, покоится там более 8000 лет, прежде чем вновь превратится в воду и попадет в активный круговорот воды.

Громадные запасы воды аккумулированы в литосфере. Доля пресных подземных вод от общего запаса пресных вод на Земле составляет 29,4 %. На долю рек приходится 0,006 %, пресных озер – 0,25 %, на воду, содержащуюся в атмосфере, – 0,03 % общего количества пресных вод. На долю пресных вод, пригодных для водоснабжения, приходится 4,2 млн. км3, или всего лишь 0,3 % объема гидросферы.

Интересен тот факт, что самым большим хранилищем поверхностных пресных вод является озеро Байкал, где содержится 1/5 всех мировых запасов поверхностных пресных вод мира. Сказанное можно подкрепить и другим примером. Если допустить, что запасы воды будут изъяты из озера, то заполнение освободившегося объема озера всеми впадающими реками произошло бы только за 250-300 лет при условии, что вода из озера не расходовалась бы на сток и испарение.

 

 

Важнейшие свойства воды

 

Вода – одно из самых удивительных соединений на Земле – давно уже поражает исследователей необычностью многих своих физических свойств:

1) Неисчерпаемость как вещества и природного ресурса; если все другие ресурсы земли уничтожаемы или рассеиваемы, то вода как бы ускользает от этого, принимая различные формы или состояния: кроме жидкой – твердую и газообразную. Это единственное вещество и ресурс такого типа. Это свойство обеспечивает вездесущность воды, она пронизывает всю географическую оболочку Земли и производит в ней разнообразную работу.

2) Присущее только ей расширение при затвердевании (замерзании) и уменьшение объема при плавлении (переходе в жидкое состояние).

3) Максимальная плотность при температуре +4 °С и связанные с этим весьма важные свойства для природных и биологических процессов, например исключение глубокого промерзания водоемов. Как правило, максимальная плотность физических тел наблюдается при температуре затвердевания. Максимальная плотность дистиллированной воды наблюдается в аномальных условиях – при температуре 3,98-4 °С (или округленно +4 °С), т. е. при температуре выше точки затвердевания (замерзания). При отклонении температуры воды от 4 °С в обе стороны плотность воды убывает.

4) При плавлении (таянии) лед плавает на поверхности воды (в отличие от других жидкостей).

5) Аномальное изменение плотности воды влечет за собой такое же аномальное изменение объема воды при нагревании: с возрастанием температуры от 0 до 4 °С объем нагреваемой воды уменьшается и только при дальнейшем возрастании начинает увеличиваться. Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность и объем воды изменялись так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались бы до 0 °С и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 0 °С. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно, и водоем промерзал бы на всю его глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотности вода достигает при 4 °С, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.

6) Переход воды из одного состояния в другое сопровождается затратами (испарение, таяние) или выделением (конденсация, замерзание) соответствующего количества тепла. На таяние 1 г льда необходимо затратить 677 кал, на испарение 1 г воды – на 80 кал меньше. Высокая скрытая теплота плавления льда обеспечивает медленное таяние снега и льда.

7) Способность относительно легко переходить в газообразное состояние (испаряться) не только при положительных, но и при отрицательных температурах. В последнем случае испарение происходит минуя жидкую фазу – из твердой (льда, снега) сразу в парообразную. Такое явление носит название – сублимация.

8) Если сравнить температуру кипения и замерзания гидридов, образованных элементами шестой группы таблицы Менделеева (селена H2Se, теллура Н2Те) и воды (Н2О), то по аналогии с ними температура кипения воды должна быть порядка 60 °С, а температура замерзания – ниже 100° С. Но и здесь проявляются аномальные свойства воды – при нормальном давлении в 1 атм. вода кипит при +100 °С, а замерзает при 0 °С.

9) Громадное значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоемкостью, в 3000 раз большей, чем воздух. Это значит, что при охлаждении 1 м3 воды на 1 0С на столько же нагревается 3000 м3 воздуха. Поэтому, аккумулируя тепло, Океан оказывает смягчающее влияние на климат прибрежных территорий.

10) Вода поглощает тепло при испарении и таянии, выделяя его при конденсации из пара и замерзании.

11) Способность воды в дисперсных средах, например в мелкопористых почвах или биологических структурах, переходить в связанное или рассредоточенное состояние. В этих случаях очень сильно меняются свойства воды (ее подвижность, плотность, температура замерзания, поверхностное натяжение и другие параметры), крайне важные для протекания процессов в природных и биологических системах.

12) Вода – универсальный растворитель, поэтому не только в природе, но и в лабораторных условиях идеально чистой воды нет уже по той причине, что она способна к растворению любого сосуда, в который заключена. Есть предположение, что поверхностное натяжение идеально чистой воды было бы таковым, что по ней можно было бы кататься на коньках. Способность воды к растворению обеспечивает перенос веществ в географической оболочке, лежит в основе обмена веществами между организмами и средой, в основе питания.

13) Из всех жидкостей (кроме ртути) у воды самое высокое поверхностное давление и поверхностное натяжение: = 75·10-7 Дж/см2 (глицерин – 65, аммиак – 42, а все остальные – ниже 30 ·10-7 Дж/см2). В силу этого капля воды стремится принять форму шара, а при соприкосновении с твердыми телами смачивает поверхность большинства из них. Именно поэтому она может подниматься вверх по капиллярам горных пород и растений, обеспечивая почвообразование и питание растений.

14) Вода обладает высокой термической устойчивостью. Водяной пар начинает разлагаться на водород и кислород только при температуре выше 1000 °С.

15) Химически чистая вода является очень плохим проводником электричества. Вследствие малой сжимаемости в воде хорошо распространяются звуковые и ультразвуковые волны.

16) Свойства воды сильно изменяются под влиянием давления и температуры. Так, при росте давления температура кипения воды повышается, а температура замерзания, наоборот, понижается. С повышением температуры уменьшаются поверхностное натяжение, плотность и вязкость воды и возрастают электропроводность и скорость звука в воде.

Аномальные свойства воды вместе взятые, свидетельствующие о чрезвычайно высокой ее устойчивости к воздействию внешних факторов, вызваны наличием дополнительных сил между молекулами, получивших название водородных связей. Суть водородной связи сводится к тому, что ион водорода, связанный с каким-то ионом другого элемента, способен электростатически притягивать к себе ион того же элемента из другой молекулы. Молекула воды имеет угловое строение: входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находится два протона, а в вершине – ядро атома кислорода (рисунок 2.2).

 

Рисунок 2.2 – Строение молекулы воды

 

Из имеющихся в молекуле 10 электронов (5 пар) одна пара (внутренние электроны) расположена вблизи ядра кислорода, а из остальных 4 пар электронов (внешних) по одной паре обобществлено между каждым из протонов и ядром кислорода, тогда как 2 пары остаются неопределенными и направлены к противоположным от протонов вершинам тетраэдра. Таким образом, в молекуле воды имеется 4 полюса зарядов, расположенных в вершинах тетраэдра: 2 отрицательных, созданных избытком электронной плотности в местах расположения неподеленных пар электронов, и 2 положительных, созданных ее недостатком в местах расположения протонов.

Вследствие этого молекула воды оказывается электрическим диполем. При этом положительный полюс одной молекулы воды притягивает отрицательный полюс другой молекулы воды. В результате получаются агрегаты (или ассоциации молекул) из двух, трех и более молекул (рисунок 2.3).

 

 

Рисунок 2.3 – Образование диполями воды ассоциированных молекул:

1 – моногидроль Н2О; 2 – дигидроль (Н2О)2; 3 – тригидроль (Н2О)3

 

Следовательно, в воде одновременно присутствуют одиночные, двойные и тройные молекулы. Содержание их меняется в зависимости от температуры. Во льду содержатся, в основном, тригидроли, объем которых больше моногидролей и дигидролей [4]. При повышении температуры скорость движения молекул возрастает, силы притяжения между молекулами ослабевают, и в жидком состоянии вода – это смесь три-, ди- и моногидролей. С дальнейшим увеличением температуры тригидрольные и дигидрольные молекулы распадаются, при температуре 100 °С вода состоит из моногидролей (пар).

Существование неподеленных электронных пар определяет возможность образования двух водородных связей. Еще две связи возникают за счет двух водородных атомов. Вследствие этого каждая молекула воды в состоянии образовать четыре водородные связи (рисунок 2.4).

 

Рисунок 2.4 – Водородные связи в молекулах воды:

– обозначение водородной связи

Благодаря наличию в воде водородных связей в расположении ее молекул отмечается высокая степень упорядоченности, что сближает ее с твердым телом, а в структуре возникают многочисленные пустоты, делающие ее очень рыхлой. К наименее плотным структурам принадлежит структура льда. В ней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекулы Н2О. При плавлении льда его структура разрушается. Но и в жидкой воде сохраняются водородные связи между молекулами: возникают ассоциаты – зародыши кристаллических образований. В этом смысле вода находится как бы в промежуточном положении между кристаллическим и жидким состояниями и более сходна с твердым телом, чем с идеальной жидкостью. Однако в отличие от льда каждый ассоциат существует очень короткое время: постоянно происходит разрушение одних и образование других агрегатов. В пустотах таких «ледяных» агрегатов могут размещаться одинокие молекулы воды, при этом упаковка молекул воды становятся более плотной. Именно поэтому при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, ее плотность возрастает. При + 4 °С вода имеет самую плотную упаковку.

При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей. Этим объясняется высокая теплоемкость воды. Водородные связи между молекулами воды полностью разрушаются при переходе воды в пар.

Сложность структуры воды обусловлена не только свойствами ее молекулы, но и тем, что вследствие существования изотопов кислорода и водорода в воде имеются молекулы с различным молекулярным весом (от 18 до 22). Наиболее распространенной является «обычная» молекула с молекулярным весом 18. Содержание молекул с большим молекулярным весом невелико. Так, «тяжелая вода» (молекулярный вес 20) составляет менее 0,02% всех запасов воды. В атмосфере она не обнаружена, в тонне речной воды ее не более 150 г, морской –160-170 г. Однако, ее присутствие придает «обычной» воде большую плотность, влияет на другие ее свойства.

Удивительные свойства воды позволили возникнуть и развиться жизни на Земле. Благодаря им вода может играть незаменимую роль во всех процессах, совершающихся в географической оболочке.

 

Рисунок 2.5 – Схема круговорота воды на Земле

 

Запасы воды в озерах возобновляются в течение 17 лет, в крупных озерах этот процесс может длиться несколько сот лет. Так, в озере Байкал полное возобновление водных запасов происходит в течение 380 лет. Наиболее длительный период восстановления имеют запасы воды в подземных льдах зоны многолетней мерзлоты – 10000 лет. Полное возобновление океанических вод происходит через 2500 лет. Однако за счет внутреннего водообмена (морских течений) воды Мирового океана в среднем совершают полный оборот в течение 63 лет. Подземные воды обновляются только за 1400 лет. Значительные запасы глубинных подземных вод вообще не возобновимы, так как не включаются в процессы круговорота в системе атмосфера → осадки → суша.

Круговорот воды играет громадную роль в географической оболочке. В процессе круговорота воды осуществляется перераспределение тепла. Тепло, затрачиваемое на испарение в одном месте, высвобождается при конденсации влаги в другом. Круговорот воды – важнейшее звено в энергетическом обмене между гидросферой и атмосферой. Скрытая энергия, поступившая в атмосферу с водяными парами с поверхности земного шара, частично преобразуется в механическую энергию, обеспечивающую перемещение воздушных масс. Наряду с энергетическим обменом, взаимодействие гидросферы и атмосферы в процессе влагооборота сопровождается и обменом веществами (газовый и солевой обмен).

Таблица 2.2 – Скорость возобновления (обмена) различных

Категорий вод гидросферы

Категория вод Скорость возобновления
Русла рек 12-16 дней
Атмосфера 18-26 дней
Почвенная 1 год
Болота 5 лет
Озера 17 лет
Подземные воды разных горизонтов 1400 лет  
Мировой океан 2500 лет (перемешивание за 63 года)

 

На рисунке 2.6 представлен мировой водный баланс. Среднегодовое количество осадков над материками составляет 110000 км3 [5]. Из них 63000 км3 возвращается в атмосферу в процессе испарения и транспи­рации с зеленых поверхностей лесов, лугов, сельскохозяйственных полей и других сооб­ществ растений.

Вода, использующаяся при­родной растительностью и сельскохозяйст­венными культурами, питающимися дождевой водой, называется зеленой водой.

Разница между ежегодным объемом осад­ков и совокупным испарением, называемая полезным стоком, составляет примерно 47000 км3. Это есть ежегодный самостоятельно об­новляющийся объем пресной воды озер, водохранилищ, ручьев и рек. Теоретически эта так называемая голубая вода может использоваться человеком. Правило устойчивости гласит: «Потребность в воде должна удовлетворяться только в пределах полезного стока». Тем не менее, запасы воды неравномерно распределены во времени и пространстве. Основная масса стока образуется во время паводка, и такую воду трудно «удержать». Ре­ально человек обладает доступом к водным за­пасам объемом примерно в 9000 кмЗ. К этому следует добавить примерно 3500 кмЗ стока, который удается удержать с помощью водо­хранилищ. Таким образом, в год человечеству доступно примерно 12500 кмЗ воды. Вместе с тем, часть доступных поверхностных вод должна оставаться в ручьях и реках для обеспе­чения сохранности водных экосистем и раст­ворения антропогенных стоков. На практике это означает, что запасы доступных вод сокра­щаются [4].

 

Рисунок 2.6 – Водный баланс Земли в 103 мм/год (по [3])

Использование остающихся 34500 км3 голу­бой воды сложно и дорого, что объясняется топографическими особенностями, удален­ностью от населенных пунктов и социальными и экологическими последствиями.

Более половины из легко доступных пресноводных ресурсов уже используются; запасы воды во многих уголках мира являются критическими. Все больше стран сталкиваются с проблемой нехватки питьевой воды; усили­вается конкуренция за воду между различными группами пользователей. Более 25 стран сегодня относятся к категории критических с точки зрения запасов воды, а в ближайшие десятилетия их количество резко возрастет.

Биологический круговорот воды. Животные находят необходимую для них воду в питье и пище. Растения используют атмосферную воду или берут ее из почвы. Живые существа выделяют воду с продуктами обмена, путем транспирации, легочного и кожного дыхания, при потении. Явление кожного дыхания отличается от потения. Первое представляет собой подобие испарения, диффузию паров воды через роговидные слои кожи. У человека количество воды, выносимое таким образом с поверхности кожи и испаряемой, составляет более 0,5 л в сутки. При физиологическом процессе потения происходит испарение воды в результате работы потовых желез. Человек в умеренном климате в тени выделяет 1-1,5 л пота в сутки. Выделение паров воды при дыхании (0,3-0,4 л в сутки) у человека обеспечивает удаление углекислого газа, а с метаболической «отработавшей» водой удаляются из организма конечные продукты обмена, вредные вещества. Вода, выделяемая организмами, не теряется бесследно. Та ее часть, которая выделяется при дыхании и транспирации, возвращается непосредственно в атмосферу, а «отработанная» вода поступает в водоемы и почву. Необходимо указать и на воду, которая потребляется при фотосинтезе. Ежегодная потребность растений в воде при фотосинтезе составляет примерно 65 · 1010 тонн. Это значит, что количества воды, необходимого только для процесса фотосинтеза, достаточно на два миллиона лет. Такой срок совершенно незначителен с позиции геологической истории Земли. Однако запас воды непосредственно возобновляется, благодаря круговороту воды в природе. Вода в реках, как отмечено выше, полностью меняется каждые 12-16 суток, а это значит, что при общем одновременном объеме воды в реках 1,2 тыс. км3, за год сток речных вод составляет 36 и более тыс. км3. Для обновления паров атмосферы требуется также незначительное время, но огромный объем воды в Мировом океане возобновляется медленно, как и подземные глубинные воды. Общий круговорот воды на Земле осуществляется за два миллиона лет. Круговорот воды можно образно сравнить с вечным двигателем, который ритмично и беспрерывно качает воду из океана на материки и обратно в течение сотен миллионов и миллиарды лет. Замечательной особенностью этого отработанного механизма является то, что он не только подает воду, но и очищает ее от всевозможных примесей. Таким образом, природа позаботилась о безупречном аппарате для снабжения водой всего живого на Земле.

Значение гидросферы

 

1. Гидросфера играет огромную роль в формировании природной среды нашей планеты. Вода – скульптор, она формирует поверхность планеты – разрушает каменные глыбы, растворяет органические соединения, активизирует процессы почвообразования. Она же условие миграции химических элементов и соединений, геологического (большого) и биологического (малого) круговоротов веществ.

2. Она влияет на атмосферные процессы (нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение их влагой), участвует в формировании климата и погоды на планете. Большая подвижность, высокая теплоемкость и способность легко переходить из одного состояния в другое являются основным условием регулирования теплового режима планеты, переноса колоссальных масс тепла на большие расстояния, например, с теплыми океаническими течениями.

3. Вода – растворитель для различных соединений.

4. Вода – среда обитания живых организмов.

5. Вода – необходимое условие для получения урожая (чтобы получить 1 кг сухого пшеничного зерна растение должно потребить 750 л воды, на орошение 1 га кукурузы требуется 3000 м3 (3 млн. литров) воды, 1 га капусты – 8000 м3 воды).

6. Вода используется для судоходства.

7. Вода – источник электроэнергии.

8. Вода – промышленное сырье (для производства 1 т стали требуется 20 м3 воды, 1 т бумаги – 350 м3 воды, 1 т капрона – 700 м3 воды).



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2017-02-05; просмотров: 538; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 52.55.55.239 (0.11 с.)