ГЛАВА 3. РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И ОХРАНА ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

Водные запасы на Земле огромны, они образуют гидросферу - одну из мощных сфер нашей планеты. Вода находится также в литосфере и атмосфере. Гидросфера объединяет Мировой океан,' моря, реки и озера, болота, пруды, водохранилища, полярные льды и горные ледники, подземные воды, почвенную влагу и пары атмосферы. Водные ресурсы слагаются из статических (вековых)1 запасов и возобновляемых ресурсов.

Природная вода и ее распространение

Вода - химическое соединение водорода и кислорода (Н20) -, жидкость без запаха, вкуса, цвета (в толстых слоях голубоватая); плотностью 1,000 г/см3 при температуре 3,98 °С. При 0 °С вода пре­вращается в лед, при 100°С - в пар. Молекулярная масса воды 18,0153. По В.И. Вернадскому, химический состав воды может быть представлен формулой Н2„0„ со значением п, равным 1-6. Не все молекулы воды одинаковы: наряду с обычными молекулами, име­ющими массу 18, присутствуют молекулы с молекулярной массой 19, 20, 21 и даже 22.

Вода - уникальное вещество по своим физическим и химическим свойствам. Полярность молекул и наличие между ними «водород­ных» связей определяет уникальные свойства воды. Наибольшая • плотность воды при температуре 3,98°С, при дальнейшее охлаж­дении вода переходит в лед, что сопровождается уменьшением ее плотности. Уменьшение объема вместо расширения происходит при плавлении (таянии) льда. Летучесть воды небольшая. У нее очень высокие теплота плавления и удельная теплоемкость: при плавлении льда теплоемкость увеличивается более чем вдвое. Теп­лоемкость воды с повышением температуры до 27 °С уменьшает­ся, а затем вновь начинает возрастать. Вязкость воды (при темпе­ратуре от 0 до 30°С) уменьшается с повышением давления.

Вода - наиболее распространенное на Земле вещество. В приро­де она находится в трех фазах: газообразной (пары воды), жидкой и твердой. Различают воду атмосферную, поверхностную (гидро­сфера) и подземную.

Вода встречается в парообразном состоянии в воздушной оболоч­ке, окружающей Землю, в капельно-жидком - в облаках, туманах и в виде дождя, твердом - в виде снега, града н кристалликов льда в высоких облаках.

В жидком состоянии вода составляет гидросферу, наполняя океаны, моря, озёра, реки, болота, пруды и водохрани­лища. В твердом состоянии, в виде льда н снега она находится у полюсов планеты, на горных вершинах, зимой покрывают значительные площади водоемов и суши. В горных породах литосферы она присутствует в различных состояниях: пленочная, гигроскопическая, гравитаци­онная, капиллярная, кристаллизационная, л также в виде пара. Запасы во­лы на Земле приведены в табл. 2.

Наибольшие запасы поверхностных вод сконцентрированы в Мировом океа­не, который занимает 361 млн км3, или 70,8% поверхности Земли. Общая площадь океанов и морей в 2,5 раза боль­ше площади суши. Воды их соленые.

Большие запасы поверхностных вод сосредоточены в ледниках, озерах и реках. Ледники Земли являются важным ак­кумулятором воды, они расположены в приполюсных районах: в Антарктиде, на арктических островах и в горных райо­нах. Воды ледников пресные.

Из всех видов поверхностных пресных мод приоритетное практическое значение имеет речной сток. По объему речного сто­ка Россия стоит на втором месте после Бразилии. Реки являются основой водного фонда нашей страны. Почти 65 % крупных городов России (Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Екатеринбург, Пермь и др.) используют для пита­емых и технических нужд поверхностные, в основном речные воды.

Подземные воды также входят в основу водного фонда страны. Подземные воды так называемой зоны активного водообмена - пресные и используются для питьевых и хозяйственных целей. Ми­неральные лечебные подземные воды используются санаторно-ку­рортными и оздоровительными учреждениями, а также заводами розлива, теплоэнергетические (с температурой от 35 до 200 °С) под­земные воды - для теплоснабжения и получения электрической энергии; подземные воды, содержащие ценные компоненты (йод, бром, соли калия, магния, натрия) - для их промышленной добычи.

Суммарные мировые запасы воды

Круговорот воды в природе

Вода постоянно находится в движении - циркуляции. Перемещение ее происходит в результате механического движения (потоки в реках, течения в толще океана) и изменения фазового состава, когда во да испаряется и попадает в атмосферу посредством диффузионных конвективных потоков, характерных для почв и горных пород. В северных районах существует сравнительно редкий способ передвижения воды путем возгонки. Снег испаряется (твердая фаза воды), сразу превращается в пар и попадает в атмосферу. Без энергетических затрат вода передвигается только вниз и только под действием сил гравитации (силы тяжести). В остальных случаях при изменении температуры и давления на передвижение воды затрачивается много энергии, в основном солнечной. Ежегодно земная поверхность получает от Солнца около 13,4-1020 ккал тепла. Из них 22% всей достигающей поверхности Земли энергии, расходуется на испарение (с поверхности воды, суши, почвы, растительности и др.)

Приобретая такую огромную энергию, вода повышает свою энтропию. Находясь в неустойчивом равновесии, она стремится вернуться в исходное состояние. Таким образом, происходит непрерывный замкнутый процесс циркуляции воды на Земле, именуемый круговоротом или влагооборотом. Различают малый, большой и входящий в него внутриматериковый круговороты (рис. 2).

Вода, испарившаяся с поверхности океанов, большей частью конденсируегся и возвращается в виде атмосферных осадков обратно океан (малый, или океанический, круговорот), а частично переносится воздушными течениями на сушу. Атмосферные осадки, выпавшие на сушу, частично просачиваются в почву и зону аэрации, создавая запасы почвенной влаги. Проникшие глубже атмосферные осад­ки образуют подземные воды: грунтовые, пластовые и воды глубо­ких горизонтов. Часть атмосферных осадков стекает по земной по­верхности в виде ручьев и рек, а остальная часть снова испаряется. В конце концов вода, принесенная воздушными течениями на сушу, снова достигает океана, завершая так называемый большой круго­ворот воды на земном шаре. Из большого круговорота может быть выделен еще местный, или внутриматериковый, круговорот, при ко­тором вода, испарившаяся с поверхности суши, вновь выпадает на су­шу в виде атмосферных осадков. Небольшая часть воды из общего объема, участвующего в круговороте, порядка 7,7 тыс. км3/год, совер­шает круговорот в пределах бессточных областей.

Ежегодно в круговороте на поверхности Земли участвует более 1 млн км3 воды, что составляет около 0,1 % объема вод активного водообмена. С поверхности морей и океана ежегодно испаряется при­мерно 510 тыс. км3 воды, а с поверхности суши - около 70 тыс. км3.

Обратно на поверхность океана выпадает 90% испарившейся с нее влаги и 1 % возвращается в океан в виде речных, подземных и лед­никовых вод. На сушу в виде атмосферных осадков выпадает око­ло 120 тыс: км3 воды, из которых 58% идет на испарение, а 42% стекает обратно в моря и океаны (Клиге, 1998).

Рисунок 2. Круговорот воды в природе: осадки; 2 - водопроницаемые породы; 3 - слабопроницаемые породы; 4 - непроницаемые породы; 5 - источник; 6 - направление

Необходимо обратить внимание на описанную выше подвиж­ность и «вездесущность» воды, которая служит накопителем и транс­портером многих веществ, в том числе опасных для живых организ­мов и человека взвешенных и растворенных в ней компонентов.