Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛЕКЦИЯ 1. ВОДА - УНИКАЛЬНОЕ ВЕЩЕСТВО. ГИДРОЛОГИЯ

1.1 Вода - уникальное вещество

В 1780 г Кавендиш и Лавуазье установили, что вода - простейшее и устойчивое в обычных условиях химическое соединение двух атомов водорода и одного атома кислорода. Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость без вкуса и без запаха.

Почти все физико-химические параметры воды не имеют аналогов в природе. Некоторые из этих аномалий имеют определяющее значение для формирования климата и рельефа нашей планеты, жизни человека, животных и растений. Если бы не эти "ненормальные" свойства, живые организмы не могли бы сохранять температуру своего тела, усваивать питательные вещества, то есть жизнь на планете Земля в современной ее форме была бы просто невозможна!

Половина всей крови человека - чистейшая дистиллированная вода. Мышцы человека на 75% состоят из воды. Вода является важнейшим пищевым продуктом. Дегидратация, или потеря организмом воды, нарушает деятельность сердечно-сосудистой системы, клеточный метаболизм и терморегуляцию. Потеря всего 3% воды организмом лишает человека возможности бегать. Потеря 5% воды лишает возможности тренироваться. А потеря организмом 10% воды представляет опасность для жизни.

Физические свойства воды и их значение

· Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. При нагревании воды от 0 до 4 градусов по Цельсию плотность ее увеличивается. При 4 градусах вода имеет максимальную плотность. При дальнейшем нагревании ее плотность снова уменьшается. Замерзание воды сопровождается не сжатием (как у других жидкостей), а наоборот - расширением. Затвердевая, вода становится менее плотной - поэтому лед плавает, а не тонет.

· Лед тем самым защищает нижележащие слои воды от дальнейшего охлаждения и замерзания. Таким образом, жизнь в воде продолжается.

· Высокая, по сравнению с соединениями водорода с похожим молекулярным весом, температура и удельная теплота плавления (0 °C и 333,55 кДж/кг), температура кипения (100 °C) и удельная теплота парообразования (2250 КДж/кг).

· Высокая теплоёмкость жидкой воды. В ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, таким образом, самым главным регулятором температуры на земном шаре.

· Высокая вязкость.

· Высокое поверхностное натяжение.

· Вода практически несжимаема.

· Отрицательный электрический потенциал поверхности воды.

Особенности физических свойств воды обусловлены водородными связями. Молекула воды несимметрична: три ядра образуют равнобедренный треугольник с ядрами водорода в основании и ядром кислорода в вершине (радиус молекул воды значительно меньше внутримолекулярного расстояния, т.е. молекулы воды “упакованы” не слишком плотно).

Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода, тогда как 2 атома водорода в сумме формируют достаточно большую "площадь» распределения положительного заряда в "углах" молекулы. Несколько таких диполей будут образовывать структуры типа: Н2О...Н2О с водородной связью, когда между двумя атомами водорода будет втянут атом кислорода соседней молекулы. При этом общее распределение потенциала будет стремиться к минимизации взаимодействия с внешней средой, следовательно, молекулы воды будут располагаться в пространстве с чёткой ориентацией, в виде пространственных структур разной сложности: от спиралевидных (как у молекул ДНК) до пирамидальных, кубических, сферических разной сложности.

Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырёх водородных связях: 2 атома водорода - каждый в одной, а атом кислорода - в двух. Простая, не объединившаяся с другой молекула воды H2O, называется гидроль, (H2O)2 - дигидроль, (H2O)3 - тригидроль. В парообразном состоянии вода в основном состоит из молекул гидроля, в жидком состоянии вода - смесь гидроля, дигидроля и тригидроля, во льду преобладают молекулы тригидроля. При таянии льда часть связей рвётся, при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность её растёт, но при температуре выше 4 °С этот эффект становится слабее, чем тепловое расширение. При испарении рвутся все оставшиеся связи. Разрыв связей требует много энергии, отсюда высокая температура и удельная теплота плавления и кипения и высокая теплоёмкость.

Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями. По сходным причинам вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные - атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, каждую молекулу растворяемого вещества могут окружить много молекул воды. Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде.[ Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.

Чистая (не содержащая примесей) вода - хороший изолятор. Но поскольку вода - хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту. Она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60 % парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действия микроволновой печи.

1.2 Гидрология и схема ее научных дисциплин

Предмет гидрологии

Гидрология - наука о воде (от греческого “hydro” - вода и “logos” учение, знание, наука). Гидрология - наука, занимающаяся изучением природных вод, явлений и процессов в них протекающих, закономерностей, по которым эти явления и процессы развиваются, закономерностей, определяющих распространение вод по земной поверхности и в толще почво-грунтов, а также их количественные изменения во времени.

Гидрология относится к комплексу наук, изучающих физические свойства Земли, в частности такой их элемент как гидросфера, то есть гидрология - часть физической географии - науки, занимающейся изучением явлений, происходящих на поверхности земного шара, формированием и динамикой их развития, взаимосвязями и закономерностями (physis - от греческого природа). Важным рубежом в истории развития гидрологии можно считать конец XVII в., когда французские ученые Пьер Перро, Эдм Мариотт и англичанин Эдмунд Галлей на основании измерений и расчетов осадков, стока и испарения впервые установили количественные соотношения главных фаз круговорота воды. В России более или менее систематические исследования водных объектов были начаты при Петре I.

Можно выделить объекты изучения гидрологии и в зависимости от объекта (в связи со специфическими особенностями процессов в них происходящих) - подразделы гидрологии:

- океаны и моря - гидрология моря - океанология;

- реки - гидрология рек - потамология;

- озера и водохранилища - лимнология;

- ледники - гидрология ледников - гляциология - изучается в рамках физической географии;

- гидрогеология - входит в состав гидрологии поверхностных вод суши как вспомогательная дисциплина, в объеме, необходимом для установления взаимодействия поверхностных и подземных вод и влияния подземных вод на режим поверхностных вод.

Схема научных дисциплин гидрологии

Помимо деления по видам изучаемых объектов в гидрологии выделяют самостоятельные разделы (научные дисциплины):

1 Гидрометрия - рассматривает методы наблюдений за режимом водных объектов и измерений гидрологических величин; применяемые для этого приборы и способы обработки результатов.

2 Гидрография - изучает и выявляет закономерности распространения поверхностных вод; дает описание водных объектов или территорий с общей характеристикой режима и хозяйственного значения, географических условий территории.

3 Общая гидрология - изучает и описывает водные объекты и их характерные свойства, устанавливает общие закономерности управляющие процессом формирования и деятельности вод суши. Изучает связь гидрологических явлений с метеорологическими факторами и условиями подстилающей поверхности. Освещает особенности проявления гидрологических закономерностей в различных водных объектах.

4-5 Инженерная гидрология - занимается разработкой методов расчета (гидрорасчеты 4) и прогноза (гидропрогнозы 5) гидрологических характеристик, необходимых в хозяйственной деятельности, строительстве гидротехнических сооружений, планировании изменений естественного режима водных объектов.

6-7 Водохозяйственные расчеты и регулирование речного стока - совокупность методов оценки соответствия водных ресурсов объектов или территории требованиям их хозяйственного использования, способов определения режима регулирования стока, параметров гидротехнических сооружений и правил их работы.

8 Гидрофизика - изучает физические и механические свойства вод (испарение, образование и таяние льда и снега, влагосодержание почв).

9-10 Динамика вод суши и русловые процессы - изучает закономерности перемещения водных масс и наносов, течения, волнение, сгонно-нагонные явления; закономерности формирования берегов и русел рек, явления размыва, перемещения и отложения (аккумуляции) частиц грунтов, слагающих русло и берега.

11 Гидрохимия - изучает химические свойства и состав вод суши. В настоящее время ее важной задачей является разработка некоторых сторон проблемы качества воды.

12 Охрана водных ресурсов - в последнее время развивается направление, занимающееся разработкой научных основ рационального использования и охраны водных ресурсов с целью предотвращения их истощения, загрязнения и неблагоприятного изменения водного режима. В рамках этого направления развивается гидроэкология, изучающая не просто изменения водных ресурсов, гидрологического режима и качества вод, а влияние этих изменений на экологическое состояние водных объектов и окружающей природной среды.

Гидрология опирается на обшеобразовательные дисциплины и специальные дисциплины из смежных отраслей знаний:

- метеорология

- климатология

- гидравлика

- гидродинамика

- гидрогеология

- геоморфология

- почвоведение

Методы гидрологических исследований

1 Стационарный - наблюдение и измерения характеристик гидрологического режима по определенной программе в постоянном пункте в течение длительного времени.

2 Экспедиционный - в течение короткого времени исследуется по определенной программе некоторая территория.

3 Экспериментальный - детальное исследование какого-либо гидрологического процесса в лабораторных или природных условиях (физическое меделирование процессов).

4 Теоретический - использование общих физических законов и математических методов для решения гидрологических задач. Результаты проверяются на фактическом материале.

В соответствии с разделами гидрологии и методами исследований строится процесс обучения студентов на четырех кафедрах факультета:

1 Гидрологии и геодезии - геодезия, геофизика, гидрогеология.

2 Гидрологии суши - общая гидрология, гидрорасчеты, водное хозяйство, охрана вод суши.

3 Гидрофизики и гидропрогнозов - гидропрогнозы, гидротехника и мелиорация, математическое моделирование гидрологических процессов.

4 Гидрометрия - гидрометрия, гидравлика, динамика русловых потоков и русловых процессов.

За время очного обучения - 8 месяцев практики по различным дисциплинам в различных местах, а перед защитой Диплома - преддипломная практика.

Вопросы для зачета

1 Вода как химическое вещество.

2 Основные физико-химические свойства воды, их значение для живой и неживой природы и их аномальность.

3 Гидрология как наука, объекты изучения гидрологии.

4 Схема научных дисциплин гидрологии.

ЛЕКЦИЯ 2. ГИДРОСФЕРА, ЕЕ ВОДЫ И РЕЗЕРВУАРНАЯ МОДЕЛЬ

2.1 Понятие о гидросфере

Гидросфера - с латинского - водная оболочка. Впервые понятие гидросферы было введено в научную литературу Э. Зюссом в 1875 году, который понимал под ней единую водную оболочку планеты, в основном состоящую из вод Мирового океана. В 1910 г более широкая трактовка представлена Дж. Мерреем, он включил в гидросферу воды рек и озер, атмосферы, криосферы и биосферы. Столь широкое толкование гидросферы не было безусловно принято исследователями. Различия между последующими определениями гидросферы касались, в основном, ее непрерывности, нижней и верхней границ ее распространения, возможности отнесения к ней химически и биологически связанных вод.

Наиболее физически обоснованным является определение И.А. Федосеева: в широком смысле гидросфера - сплошная оболочка земного шара, простирающаяся вниз до верхней мантии, где в условиях высоких температур и давления наряду с разложением молекул воды непрерывно проходит их синтез, а вверх - примерно до высоты тропопаузы, выше которой молекулы воды подвергаются фотодиссипации (разложению). Можно привести более узкое определение: гидросфера - сплошная оболочка Земли, содержащая воду во всех трех агрегатных состояниях в пределах Мирового океана, криосферы, литосферы и атмосферы, принимающую непосредственное участие в планетарном круговороте влаги (гидрологическом цикле (ГЦ)).

В общем смысле ГЦ представляет собой непрерывный процесс циркуляции и перераспределения всех видов природных вод между отдельными частями гидросферы, устанавливающий определенные соотношения между ними при различных масштабах осреднения. ГЦ обеспечивает взаимосвязь и единство гидросферы.

Гидросфера и ГЦ - единая саморегулирующаяся система, состоящая из четырех резервуаров: океан, криосфера (оболочка Земли, содержащая воду в твердой фазе), литосфера (поверхностные и подземные воды суши) и атмосфера.

Резервуарная модель гидросферы Земли

Все четыре резервуара гидросферы (океан, материки, криосфера и атмосфера) взаимосвязаны посредством непрерывного процесса циркуляции и перераспределения природных вод (Рисунок 1).

Стрелками показаны потоки влаги между резервуарами. Р (precipitation) - осадки, E (evaporation) - испарение, R (run off) - материковый сток, I (ice) - айсберговый сток, а цифры - их объем в 103 км3/год и доля от общих запасов вод на Земле в %. Самый большой резервуар - Мировой океан, самый малый - атмосфера, но атмосферная влага, как будет показано, чрезвычайно важна для ГЦ.

Общие запасы воды на Земле (ОЗВ) составляют 1386*10 6 км 3. ОЗВ (суммарный объем всех четырех резервуаров) в течение периода времени, измеряемого геологическими эпохами, практически не изменяются, так как поступление воды из земных недр и космического пространства на поверхность Земли очень мало и практически компенсируется безвозвратной потерей воды вследствие фотодиссипации водяного пара в верхних слоях атмосферы. Следовательно, гидросфера - квазизамкнутая система, для которой:

Vo + Vc + Vl + Va = const

Здесь Vo, Vc, Vl , Va - суммарные запасы воды в Мировом океане, криосфере, материках и атмосфере соответственно.

Не смотря на замкнутость системы, в ней постоянно происходит перераспределение вод между резервуарами, приводящее к изменению запасов вод в каждом отдельном резервуаре во времени.

2.2 Общие сведения о водах гидросферы

Воды Мирового океана

Площадь поверхности Земли составляет 510 млн км2. Мировой океан (МО) занимает 71% поверхности Земли, суша - 29%. Еще в 1914 г. Дж. Грегори в своей работе «Образование Земли» писал, что фундаментальная разница между Северным и Южным полушариями есть наиболее бросающаяся в глаза «черта в плане Земли». И действительно, прежде всего сама фигура Земли асимметрична, причем северная полуось на 70-100 м длиннее южной, поэтому полярное сжатие Северного полушария меньше, чем Южного. Асимметричность Северного и Южного полушарий заключается в том, что суша в Северном полушарии составляет 39 % , а в Южном - 19 %. Неравномерность распределения воды и суши влияет на многие планетарные процессы, влечет за собой асимметричность в распределении компонентов географической оболочки и, следовательно, и биосферы.

Дж. Грегори заметил, что в 19 из 20 случаев напротив суши на противоположной стороне Земли - вода. Воды много! Наша планета, голубая из космоса (из-за воды), должна было бы быть названа планета Вода. Однако, при средней глубине МО 3704 м и диаметре Земли 12 756 км ее слой составляет всего 0,03 % от диаметра Земли. (Наглядный пример: диаметр футбольного мяча 222 мм, а 0,03 % от него составляет всего 0,07 мм - пленка!)

Воды Мирового океана образуют непрерывное водное пространство, со всех сторон окружающее разобщенные им материки. Понятие Мировой океан ввел Ю.М. Шокальский. В 1928 г Международное гидрографическое бюро приняло деление МО по ряду признаков на четыре океана: Атлантический, Индийский, Тихий и Северный Ледовитый. Второй Международный океанографический конгресс счел возможным выделить пятый океан - Южный.

Самую значительную площадь, составляющую почти половину всей площади МО и превышающую площадь всех материков и островов, имеет Тихий океан. Он же является и самым глубоким океаном. В 1957 г участники советской экспедиции на научно-исследовательском судне “Витязь” измерили наибольшую глубину ТО в Марианском желобе - 11 022 м.

Самым малым является Северный Ледовитый океан, площадь которого в 12 раз меньше площади ТО. СЛО - единственный океан, находящийся полностью в полярной области, и имеющий в связи с этим специфический гидрологический режим.

Доля небольших глубин (до 500 м) составляет только 9,6% всей акватории МО, причем на долю шельфа (глубины до 150 - 200 м) приходится менее 7 % . На 73,8 % площади МО преобладают глубины 3000 - 6000 м.

В каждом океане можно выделить моря - достаточно большие районы океана, ограниченные берегами материков, островами, повышениями дна и обладающие собственным гидрологическим режимом. Площадь морей составляет 10 % площади МО, а объем воды в них - около 3 % объема МО. Самое большое - Коралловое море, самое малое - Мраморное. Самое глубокое (по средней глубине) - море Сулавеси, а абсолютно наибольшую глубину имеет Коралловое море (10 038 м). Самое мелкое море - Азовское (средняя глубина 7 м, а максимальная - 13 м.

По своему расположению и физико-географическим условиям моря делятся на три основные группы: внутренние, окраинные и межоcтровные.

Воды криосферы

Ледниковые покровы

Самые большие запасы воды в твердой фазе на Земле содержатся в ледниках Антарктиды и Гренландии, называемых ледниковыми покровами. Это огромные сплошные массы материкового льда, нависающие над океаном. Средняя толщина ледяных щитов около 2 000 метров, в Гренландии она достигает 3000 м, а в Восточной Антарктиде - 4000 м.

Ледниковый покров Антарктиды (28 млн км3) делится на 2 части: Восточно-Антарктический (единый ледяной купол, 24,7 млн км3) и Западно-Антарктический (несколько куполов) ледяные щиты. Потоки льда от ледоразделов движутся к краю щита и образуют шельфовые ледники и айсберги. Средняя скорость движения льда у края составляет 100-400 м/год.

Гренландский ледяной щит содержит 2,7 млн км3 льда. Средняя скорость движения льда составляет около 20 м/год. Гренландский ледяной щит сформировал характерный рельеф ложа. Центральная часть острова под тяжестью льда опустилась ниже уровня моря (до -40 м). На юге ложе имеет абсолютные отметки до 1000 м.

Главное различие между двумя современными ледяными щитами состоит в том, что в Антарктиде поверхностная аккумуляция почти полностью компенсируется айсберговым стоком, в то время как на поверхности Гренландского щита существует область интенсивного таяния. Крупных шельфовых ледников в Гренландии нет, поэтому лед, подошедший к берегу, обрушивается в выводные ледники в виде айсбергов.

Горные ледники

Горные ледники по своему объему и площади составляют сравнительно небольшую часть криосферы. Часть ледников расположена на островах Арктики (запас воды 83 500 км3), а остальные представляют собой непосредственно горное обледенение (40 000 км3). Ледники встречаются на всех континентах, и высота их расположения зависит от широты местности. Наиболее распространены горные ледники в Азии: Гималаи, Тибет, Каракорум. В Северной Америке ледники есть на Аляске, в Южной Америке - на огненной Земле, в Европе - на Кавказе, в Альпах, в Африке - на Калиманджаро. На ледниках берут начало горные реки, имеющие своеобразный водный режим. Горные ледники чутко реагируют на изменение климата.

Морской лед

Морской лед - это лед, непосредственно образовавшийся при замерзании морской воды. В основном он распространен в Северном Ледовитом океане, в морях, относящихся к северным частям Атлантического и Тихого океанов и омывающих Антарктиду. Морские течения переносят лед на сотни и тысячи километров от места образования. Лед является продуктом взаимодействия океана и атмосферы и влияет на многие процессы в океане, а через альбедо - на тепловой баланс атмосферы.

Зона многолетнемерзлых пород (вечная мерзлота) - зона, в поверхностных горных породах которой находится замерзшая вода. Вечная мерзлота, по разным оценкам, покрывает от 14 до 20 % поверхности суши и представляет собой рудименты (остатки) послеледниковых эпох. Основная часть вечной мерзлоты сосредоточена в Северном полушарии, и лишь 1 млн км2 - в южном. Толщина мерзлых пород изменяется от нескольких метров до 1 500 м. Максимальная мощность многолетнемерзлых пород зафиксирована в Сибири - до 1 500 м и в Северной Америке - до 600 м. Верхний слой, сезонно оттаивающий, называется деятельным. Вечная мерзлота сформировалась в течение последних тысячелетий и, одновременно, существенно зависит от изменений климата и влияет на них. Однако ее реакция столь неоднозначна, что с трудом поддается прогнозированию.

Сезонный снежный покров

Может, за редким исключением, наблюдаться почти повсеместно, но продолжительность его залегания различна. Максимальная площадь сезонного снежного покрова 100 млн км2, в том числе примерно 64 млн км 2 в Северном полушарии ( примерно 25% его площади) и 36
млн км 2 в Южном (14,5%). Согласно спутниковым данным средняя продолжительность залегания в Северном полушарии около 6, а в Южном - около 8 месяцев. Снежный покров на только служит индикатором климата, но и сам может существенно влиять на его колебания (в следствие изменения альбедо суши).

Влага атмосферы

Атмосфера - единственная оболочка Земли, содержащая воду во всех трех агрегатных состояниях. Наиболее важен водяной пар, которого нет ни в одной другой оболочке. В атмосфере постоянно происходят фазовые переходы воды (под действием солнечной энергии), из которых самый важный - процесс конденсации, сопровождающийся выделением огромного количества тепла, которое обеспечивает поддержание общей циркуляции атмосферы. Образовавшаяся из водяного пара в процессе конденсации жидкая вода выпадает на поверхность Земли в виде осадков. Следовательно, основными движущими силами круговорота воды является солнечная энергия и сила тяжести. Атмосфера играет центральную роль в ГЦ, это самый подвижный его компонент: скорость переноса водяного пара на порядок больше скорости движения речных вод и на два порядка выше типичной скорости океанских течений. Самыми важными характеристиками атмосферной влаги являются: влажность вблизи подстилающей поверхности (приземная или приводная), интегральное влагосодержание столба воздуха (осажденная вода) и облачность.

Вопросы на зачет

1 Понятие гидросфера, резервуарная модель гидросферы

2 Гидрологический цикл, его движущие силы

3 Общие сведения о водах Мирового океана

4 Общие сведения о водах криосферы

5 Общие сведения о влаге атмосферы

ЛЕКЦИЯ 3. ВОДЫ СУШИ

3.1 Общие сведения о водах суши

По сравнению с другими резервуарами гидросферы для суши характерно исключительное разнообразие водных объектов и крайне неравномерное их распределение в пространстве. Это обусловлено:

- изменчивостью климатических условий;

- особенностями рельефа земной поверхности;

- пестротой ландшафта;

- крупномасштабным вмешательством человека в природную среду (антропогенной деятельностью).

Точно определить суммарные запасы вод суши сложно. Однако они могут быть оценены следующим образом (Таблица 1)

Таблица 1 Запасы воды на суше и периоды их возобновления

Вид вод	Площадь распространения, млн км2	Запасы воды, тыс. км3	Доля от ОЗПВ, %	Период возобновления
Подземные воды	148,8	23 400	30,15	14000 лет
Озерные воды (пресные)	2,06	176	0,26	17 лет
Воды болот	2,68	11,5	0,03	5 лет
Воды в руслах рек	148,8	2,12	0,006	16 суток
Воды водохранилищ	0,4	6,0	0,012	52 дня
Воды горных ледников	0,07	40,6	0,12	______________

Период возобновления - отношение суммарного притока воды к ее объему в данной емкости. Реки - самые мобильные воды суши, подземные воды зоны вечной мерзлоты - самые консервативные.

Всего на поверхности материков 253 000 км3 воды, включая почвенные воды и воды горных ледников, что составляет 0,02 % ОЗВ* на Земле. Из них 70 % - пресные воды. Наиболее доступны для хозяйственного использования воды рек, пресных озер, водохранилищ - 0,28 % ОЗ пресных вод и 0,007 % ОЗВ на Земле.

Воды гидросферы в пределах материков, которые могут быть использованы человеком, называются водными ресурсами суши. Водные ресурсы можно разделить на стационарные, сосредоточенные в водных объектах замедленного водообмена, и динамические - то есть непрерывно возобновляемые в процессе круговорота воды: на поверхности Земли они представлены речным стоком, то есть водами рек.

Существуют классификации природных вод по различным признакам. Для поверхностных вод наиболее часто применяется классификация О.А. Алекина, в соответствии с которой по преобладающему аниону природные воды делятся на три класса:

1) гидрокарбонатные и карбонатные (большинство маломинерализованных вод рек, озер, водохранилищ и некоторые подземные воды);

2) сульфатные воды (промежуточные между гидрокарбонатными и хлоридными водами, генетически связаны с различными осадочными породами);

3) хлоридные воды (высокоминерализованные воды океана, морей, соленых озер, подземные воды закрытых структур и т.д.).

Каждый класс по преобладающему катиону подразделяется на три группы: кальциевую, магниевую и натриевую. Каждая группа в свою очередь подразделяется на четыре типа вод, определяемых соотношением между содержанием ионов в процентах в пересчете на количество вещества эквивалента.

Выделяют несколько классификаций природных вод по минерализации (общая минерализация - суммарный количественный показатель содержания растворенных в воде веществ). Округляя различные пределы значений, О.А.Алекин наметил следующее деление природных вод по минерализации:

1) рассолы (соленость > 50‰);

2) морские (соленость 25 - 30‰);

3) солоноватые (соленость 1 - 25‰);

4) пресные (соленость до 1‰).

(Промимлле (от лат. pro mille, букв. «за тысячу») -одна тысячная доля, 1/10 процента).

Классификация подземных вод по температуре (по О.А. Алекину)

1) Исключительно холодные < 0°С

2) Весьма холодные 0-4 °С

3) Холодные 4-20 °С

4) Теплые 20-37°С

5) Горячие 37-42 °С

6) Весьма горячие 42-100 °С

7) Исключительно горячие >100 °С

Области внешнего и внутреннего стока

Главный водораздел Земли

С материков реки текут в разных направлениях и впадают в океаны, окраинные и внутренние моря. Часть суши, с которой реки несут воды в океаны и соединенные с ними моря, называется областью внешнего стока, а часть, с которой вода поступает в замкнутые водоемы, не имеющие связи с океаном - областью внутреннего стока.

Область внешнего стока делится на Тихоокеанско-Индийский и Атлантико-Ледовитый склоны. При этом в Атлантический океан поступает сток с 35 % площади суши, в Северный-Ледовитый и Индийский океаны - с 14 % суши, в Тихий - с 15 %. Максимальное число крупнейших рек сосредоточено на Атлантическом склоне.

Области внутреннего стока находятся внутри материков, преимущественно в зоне недостаточного увлажнения и интенсивного испарения. В Европе крупнейшая область внутреннего стока - система Каспийского моря, включая бассейн р. Волги; в Азии - система Аральского моря и оз. Балхаш, Аравийская пустыня; в Африке - система озера Чад; в Австралии - Центральная австралийская пустыня.

Линия, разделяющая Атлантико-Ледовитый и Тихоокеанско-Индийский склоны, называется главным водоразделом Земли.

Таблица 2 Крупнейшие реки различных океанических склонов

Океан	Континент	Река	Площадь бассейна, тыс км2	Длина, км	Расход воды, тыс. м3/сек
Атлантическиий	Африка	Конго	3820	4370	44,9
		Нил (с Кагерой)	2870	6670	2,32
	С. Америка	Миссисипи (с Миссури)	3220	5985	18,4
	Ю. Америка	Амазонка	6912	6280	220
Северный Ледовитый	Евразия Азия	Обь (с Иртышом)	2990	3650	12,7
		Енисей	2580	3490	19,4
		Лена	2490	4400	16,1
	С. Америка	Маккензи (с Атабаской)	1800	4240	10,8
Тихий	Евразия Азия	Амур Янцзы	1855 1800	2820 5520	10,9 31,5
Индийский	Евразия Азия	Ганг	1730	3000	39
	Австралия	Муррей (с Дарлинг)	1060	3490	0,33
Бессточные области	Евразия Европа	Волга	1360	3350	8

3.2 Водные объекты суши - реки

Река, источники питания рек

Река - природный водный поток (водоток) сравнительно больших размеров, как правило, постоянный, питающийся за счёт поверхностного и подземного со своего водосбора и движущийся в разработанном им четко выраженном русле. Исток - начало реки, место с которого появляется постоянное течение воды в русле. Устье - место впадения реки в другой водный объект (реку, озеро, море). Реки могут заканчиваться слепым устьем.

В формировании стока рек принимают участие не только атмосферные осадки, выпадающие на поверхность водосборных бассейнов, но и воды, сформировавшиеся ранее и заключенные в озерах, болотах, ледниках, и подземные воды. На различных континентах и в различные сезоны года соотношение разных видов питания рек неодинаково.

В целом на большей части континентов преобладает дождевое питание рек, основная доля дождей приходится на лето, осень, зиму. Снеговое питание имеет место весной и летом. Подземное питание преобладает только в горных районах Тибета и Южной Америки.

В северном полушарии с севера на юг почти исключительно снеговое питание постепенно уменьшается, возрастает доля стока, сформированного дождями. Дождевое питание преобладает в формировании стока рек районов, прилегающих к океанам. В Индии, Юго-Восточной Азии, Центральной Африке сток формируется исключительно дождевыми водами. В горных районах преобладает ледниковое питание.

В южном полушарии большинство рек питается преимущественно дождевыми водами (а на юге Южной Америки достаточно значимо снеговое питание). В пустынях обоих полушарий стока нет, так как нет ни осадков, ни речной сети.

Типа источника питания, а также тип почвы и горных пород, через которые проходит вода на своем пути к водотоку или водоему, определяет ее химический состав: обычно в грунтовой воде содержание растворенных веществ больше, чем в водах поверхностного стока.

Водосбор, водораздел, русловая, речная, гидрографическая сеть, классификации рек

Вода, поступающая на поверхность земли в виде осадков или выходящих подземных потоков, собирается в понижениях рельефа и, стекая в направлении уклона (понижения местности) под действием силы тяжести образует поверхностные водотоки. Водотоки в зависимости от их величины и физико-географических условий, в которых они протекают, могут быть постоянными или периодически действующими: постоянные и временные. В постоянных водотоках движение воды наблюдается в течение всего года или его большей части, а во временных вода движется меньшую часть года.

Система постоянно и временно действующих водотоков образует русловую сеть. Постоянные водотоки образуют речную сеть. Русловая сеть территории вместе с расположенными на ней озерами образует гидрографическую сеть.

Временные потоки + постоянные потоки

Русловая сеть

Временные потоки + постоянные потоки + озера

Гидрографическая сеть

Каждый водный объект поверхности суши имеет свою область питания - водосбор (водосборный бассейн). Водосбор - это часть земной поверхности и толща почво-грунтов и горных пород, откуда вода поступает к водному объекту. Бассейн любого водного объекта состоит из:

- поверхностного водосбора - участка земной поверхности, с которой вода поступает в водный объект путем свободного стекания по поверхности

- подземного водосбора - толщи почво-грунтов с которой вода поступает в водный объект путем фильтрации.

Водосборы соседних водных объектов отделяются друг от друга водоразделами - линиями, проходящими по наивысшим отметкам земной поверхности и ограничивающими территорию, с которой водный объект получает питание.

Атмосферные осадки и источники грунтовых вод не сразу создают большие реки. Вода сначала собирается в отдельные струйки, затем в ручьи, которые, постепенно соединяясь, образуют реки.

Существует несколько классификаций рек: по площади водосбора, по длине реки, по характеру рельефа водосбора, в зависимости от ландшафтных зон.

КЛАССИФИКАЦИЯ РЕК ПО РАЗМЕРАМ (по площади водосбора)

1. Большая река - река, бассейн которой располагается в нескольких физико-географических зонах и гидрологический режим которой не свойственен режиму рек каждой зоны в отдельности (F?50 000 км2).

2. Средняя река - река, бассейн которой расположен в одной физико-географической зоне и гидрологический режим которой соответствует режиму рек этой зоны (F=2 000 - 50 000 км2).

3. Малая река - река, бассейн которой расположен в одной физико-географической зоне, но ее гидрологический режим отличается от зонального режима рек этой зоны под влиянием местных азональных факторов (F=1 - 2 000 км2). Сток малой реки может прерываться на короткие промежутки времени.

КЛАССИФИКАЦИЯ РЕК ПО ХАРАКТЕРУ РЕЛЬЕФА ВОДОСБОРА

1. Равнинные реки - текут по низменностям и равнинам с высотами до 300-500 м над уровнем моря и малыми уклонами ? 5-6 ‰ (промилле).

2. Полугорные реки - в местностях с высотами 500-800 м м уклонами ? 15 - 20 ‰.

3. Горные реки - на хребтах, нагорьях с высотами > 800 м и уклонами ?20 ‰.

КЛАССИФИКАЦИЯ РЕК В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЛАНДШАФТНЫХ ЗОН

Реки зон

1. Арктической

2. Тундровой

3. Лесной

4. Степной

5. Полупустынной

6. Пустынной

Все водные объекты суши имеют морфометрические характеристики - количественные выражения размеров и формы долин, русел рек, русловых образований, болот, котловин озер, их водосборов. Эти характеристики определяются по крупномасштабным топографическим картам, аэрофотосъемкам, в ходе полевых исследований. Сведения о крупнейших реках мира см. в Таблице 2.

Подземные воды

Подземные воды - воды, находящиеся в толщах горных пород верхней части земной коры в жидком, твёрдом и парообразном состоянии. По данным В.И. Вернандского, подземные воды могут существовать до глубины 60 км в связи с тем, что молекулы воды даже при температуре 2000 °С диссоциированы всего на 2%. Приблизительные подсчёты запасов пресной воды в недрах Земли до глубины 16 километров дают величину 400 миллионов кубических километров, т.е. около 1/3 вод Мирового океана.

В зависимости от характера пустот водовмещающих пород они делятся на поровые - в песках, галечниках и др. обломочных породах, трещинные (жильные) - в скальных породах (гранитах, песчаниках) и карстовые (трещинно-карстовые) - в растворимых породах (известняках, доломитах, гипсах и др.). Подземные воды, перемещающиеся под влиянием силы тяжести, называются гравитационными, или свободными, в отличие от вод, связанных, удерживаемых молекулярными силами, - гигроскопических, плёночных, капиллярных и кристаллизационных. Слои горных пород, насыщенные гравитационной водой, образуют водоносные горизонты. Первый от поверхности Земли постоянно существующий безнапорный водоносный горизонт называется горизонтом грунтовых вод. Непосредственно над их поверхностью (зеркалом грунтовых вод) распространены капиллярные воды, которые могут быть и подвешенными, т. е. несообщающимися с зеркалом грунтовых вод. Всё пространство от поверхности Земли до зеркала грунтовых вод называется зоной аэрации, в которой происходит просачивание вод с поверхности. В зоне аэрации на отдельных разобщённых прослоях пород, обладающих меньшей фильтрационной способностью, в период питания грунтовых вод образуются временные скопления подземных вод - верховодка. Водоносные горизонты, залегающие ниже грунтовых вод, отделяются от них пластами водонепроницаемых (водоупорных) или слабопроницаемых пород и называются горизонтами межпластовых вод. Они обычно находятся под гидростатическим давлением - артезианские воды; реже имеют свободную поверхность и безнапорны.

Подземные воды изучает гидрогеология, которая входит в состав гидрологии поверхностных вод суши как вспомогательная дисциплина, в объеме, необходимом для установления взаимодействия поверхностных и подземных вод и влияния подземных вод на режим поверхностных вод. Подземные воды сосредоточены в 3-х вертикальных гидродинамических зонах, различающихся глубиной и степенью активности водообмена:

1. Зона активного водообмена расположена в верхней части земной коры и дренируется реками. Активность водообмена тем выше, чем больше количество рек.

2. Зона сравнительно активного водообмена располагается ниже первой зоны и простирается до отметок поверхности океана. Дренирование вод в этой зоне осуществляется крупными реками, имеющими более глубокие врезы русла. Воды этой зоны могут быть напорными.

3. Зона замедленного водообмена опускается до глубины 2 000 м, воды этой зоны дренируются реками высших порядков, а наиболее глубоко залегающие горизонты сообщаются с океаном непосредственно через его ложе.

Интенсивность водообмена подземных вод определяет степень их минерализации. В 1 и 2 зонах и в верхних горизонтах 3 зоны воды обычно пресные или слабоминерализованные, а ниже, где воды обычно застойные - соленые и рассолы.

Вопросы на зачет

1 Общие сведения о водах суши

2 Классификации вод суши по различным признакам

3 Области внешнего и внутреннего стока, понятие Главного водораздела Земли

4 Русловая, речная, гидрографическая сеть, источники питания водотоков

5 Понятие реки, истока, устья, водосбора, водораздела. Классификации рек

6 Общие сведения о подземных водах

ЛЕКЦИЯ 4. ВОДЫ СУШИ - ОЗЕРА, ВОДОХРАНИЛИЩА, БОЛОТА

4.1 Озера

Озеро - водоем с замедленным водообменом, не имеющий непосредственной связи с морем или океаном, воды которого заполняют котловину естественного или искусственного происхождения. Озера бывают сточные, бессточные и периодически сточные. Изучением озер занимается наука лимнология (озероведение). Все процессы, происходящие в озерах, -- геологические, физические, химические, биологические -- она изучает комплексно, во взаимосвязи с водосбором озера. В нашей стране изучением озер занимается Институт озероведения РАН в Ленинграде и Лимнологический институт Сибирского отделения РАН в поселке Листвянка на Байкале.

Озера - важнейшие аккумуляторы влаги, в них содержится 176 тыс. км3 воды (по сравнению с объемом воды в руслах рек - 2,2 тыс км3 - почти в 80 раз больше). 95% этого гигантского запаса приходится на 145 крупнейших озер. Всего на Земле около 2 млн озер, они занимают 1,5% суши. Около 250 озер имеют площадь свыше 500 км2, и половина из них находится в Северной Америке.

Существуют районы, где озер сосредоточено очень много. В северном полушарии это зона избыточного увлажнения: Аляска, Канада, Скандинавия, Северо-Запад и север России, север Сибири. Озера этих областей образуют так называемый северный озерный пояс. В северном полушарии в зоне недостаточного увлажнения - в степных и полупустынных районах - образуется южный озерный пояс: Центральная Азия, Северная Америка, север Африки. Здесь озерность превышает 10-15% (Kоз = Fоз/F). В южном полушарии таких четко выраженных районов нет.

Каждое озеро расположено в котловине, часть которой - озерная чаша (ванна) - заполнена водой. Формы котловин весьма разнообразны: то вытянутые подобно рекам, то округлые, то сложные - с множеством заливов и бухт. Причина этого разнообразия в происхождении озерных котловин.

Котловины озер имеют различное происхождение:

1. Тектонические - разломы земной коры, самые крупные и глубокие, озера Каспийское, Ладожское, Онежское, Байкал, Виктория, Танганьика, Великие озера.

2. Вулканические - в кратерах потухших вулканов или среди лавовых полей: Исландия, Италия, Япония, Камчатка.

3. Ледниковые - связаны с деятельностью современных или древних ледников, могут быть

· Эрозионные - выпаханные ледником котловины на крупных кристаллических массивах Кольского полуострова, в Скандинавии, Карелии.

· Аккумулятивные - в моренных отложениях областей древнего оледенения (север и северо-запад ЕТС, Прибалтика, Канада, север США). (Моремна - геологическое тело, сложенное ледниковыми отложениями. Представляет собой несортированную смесь обломочного материала самого разного размера - от гигантских глыб отторженцев, имеющих поперечник до нескольких сотен метров, до глинистого материала, образующегося в результате перетирания обломков ледником при его движении.)

· Эворзионные - образовались в местах падения талых вод в виде водопада в трещины земной поверхности, в результате чего возникли выбитые силой падающей воды эворзии (котлы).

4 Карстовые

5 Суффузионные

6 Термокарстовые

7 Гидрогенные

8 Завальные

Принято считать, что котловины одного происхождения и возраста должны иметь подобные относительные размеры. Котловины тектонического происхождения, например, более глубокие, чем ледникового, а их формы близки к конусу и параболоиду. Карстовые котловины невелики по площади, но относительно глубокие, в то время как котловины эолового происхождения имеют малые глубины.

Другими словами, котловины различного происхождения имеют различные морфометрические характеристики, и, наоборот, морфометрия котловин одинакового происхождения схожа. Основные морфометрические показатели: площадь зеркала, длина и ширина озера, объем воды, средняя и минимальная глубина, форма котловины, длина и изрезанность береговой линии. Основой для определения морфометрических характеристик служит план озера в изобатах - линиях равных глубин.

Морфометрические характеристики могут служить параметрами классификации озер. Например: по глубине (мелкие, глубокие, …), по форме (цилиндрические, округлые, …) и по размерам. По размерам площади зеркала озера можно разделить на очень малые - площади до 1 км2, малые - 1-10 км2, средние первые - 10-100 км2, средние вторые - 100-1000 км2, крупные - 1000- 10 000 км2, великие - более 10 000 км2. Известные слава Воейкова “реки - продукты климата” для озер можно перефразировать: озера - продукт не только климата, но и их морфометрии.

В естественном состоянии молодое озеро обладает способностью самоочищения. Сущность этого процесса в том, что все созданное в озере и поступившее с водосбора органическое вещество разлагается (минерализуется) с помощью бактерий и при больших затратах кислорода. В глубоких, богатых кислородом озерах органическое вещество почти не накапливается в результате преобладания процесса его деструкции над накоплением. В мелководных водоемах с большим количеством живых организмов органического вещества много, оно не успевает полностью минерализоваться, запасы кислорода за зиму резко сокращаются, и способность к сомоочищению уменьшается.

Внешними признаками состояния озера, содержания в нем органического вещества и мути являются прозрачность воды и ее цветность (цветность воды определяется сравнением с растворами специально приготовленной платиново-кобальтовой шкалы цветности и выражается в градусах цветности этой шкалы, а прозрачность - в метрах по диску Секки. (Назван по имени А. Секки, измерявшего в 1865 году прозрачность морской воды. Представляет собой окрашенный в белый цвет металлический круг (диск) диаметром 30 см, который крепится к тросу, размеченному на метры и дециметры).

По величине дефицита кислорода, специфическим биологическим и гидрохимическим условиям озера могут быть разделены на 4 основных генетических типа (названия соответствуют предложенной Тинеманом и Науманом в 20-ых годах прошлого века гибробиологической классификации, основанной на трофности (кормности) озер).

I тип - Олиготрофные (от греч. oligos - немного, незначительно и trophe -- пища) - озера с малой концентрацией в воде органических и биогенных минеральных веществ. К олиготрофным обычно относят глубокие слабопроточные озера с сравнительно холодной летом маломинерализованной водой (Байкал, Онежское, Телецкое и др.). Структура их биоценоза характеризуется видовым разнообразием, ценными породами рыб, а экосистема в целом особенно уязвима и практически невосстановима после антропогенного ее нарушения при загрязнении или эвтрофировании. Поэтому многие олиготрофные озера признаны природными объектами, требующими охраны не только самого водоема, но и его водосбора.

II тип - Евтрофные (eu - хорошо) - богаты органическими и минеральными веществами. Чаще всего это неглубокие, хорошо прогреваемые водоемы с различной площадью, со значительными колебаниями гидрохимических показателей в течение года. В таких водоемах мощные донные отложения (озера Лаче, Вожже, Ханка, Балатон).

III тип - Дистрофные (лат. dis - приставка с отрицательным значением) - озера с большим содержанием гумуса, со слабыми возможностями питания водных организмов. Чаще всего это небольшие болотные, лесные озера с мощными отложениями органических веществ.

IV тип - Мезотрофные (греч. mesos - промежуточный) - промежуточный тип между олиготрофными и евтрофными водоемами.

К сожалению, в отличие от рек, озера обречены на постепенную деградацию и гибель.

Таблица 1 Характеристики крупнейших озер мира

	Озеро	Наличие стока	Площадь зеркала, км2	Макс. глубина, м	Объем, км3
ЕВРОПА	Каспийское море (соленое озеро)	б/с	390 000	1 025	78 200
	Ладожское	с	17 872 (с островами 18 329)	230	838
АЗИЯ	Арал (соленое озеро)	б/с	64 100	68	102
	Байкал	с	31 500	1 631	23 100
	Балхаш (соленое озеро)	б/с	18 200	26	112
	Тонлесап	б/с	10 000 (3000-30 000)	12	40
АФРИКА	Виктория	с	69 000	92	2 700
	Танганьика	с	32 900	1 435	18 900
	Ньяса (Малави)	с	30 900	706	7 725
	Чад (соленое озеро)	б/с	16 600	12	44,4
СЕВЕРНАЯ АМЕРИКА	Верхнее	с	82 680	406	11 600
	Гурон	с	54 800	229	3 580
	Мичиган	с	58 100	281	4 680
	Большое Медвежье	с	70 200	137	1 010
	Большое Невольничье	с	27 200	156	1 070
	Эри	с	25 700	64	345
	Виннипег	с	24 600	19	127
	Онтарио	с	19 000	236	1710
ЮЖНАЯ АМЕРИКА	Маракайбо	с	13 300	35
АВСТРАЛИЯ	Эйр (соленое озеро)	б/с	15 000 (0 - 15 000)	20

4.2 Водохранилища

Водохраниилище - гидротехническое сооружение, искусственный водоём, образованный, как правило, в долине реки водоподпорными сооружениями для накопления и хранения воды в целях её использования в народном хозяйстве. Водохранилища делятся на 2 типа: озёрные и речные.

Для водохранилищ озёрного типа характерно формирование водных масс, существенно отличных по своим физическим свойствам от свойств вод притоков. Течения в этих водохранилищах связаны больше всего с ветрами. Многие крупные озера превращены в водохранилища при строительстве плотин на вытекающих из них реках. Так, можно считать водохранилищами Онежское озеро, Байкал, Виктория, Онтарио.

Водохранилища речного (руслового) типа имеют вытянутую форму, течения в них, обычно, стоковые; водная масса по своим характеристикам близка к речным водам.

Основными параметрами водохранилища являются объём, площадь зеркала и амплитуда колебания уровней воды в условиях его эксплуатации. Часть водотока с верховой стороны водоподпорного сооружения (плотины) носит название верхнего бьефа. Нижний бьеф - часть водотока с низовой стороны водоподпорного сооружения. Минимальный расход (количество) воды, обеспечивающий соблюдение нормативов качества воды и благоприятные условия водопользования в нижнем бьефе водохранилища, называется санитарным попуском.

Создание водохранилищ - явление планетарного масштаба. Связано оно с гидроэнергетическим строительством, развитием орошаемого земледелия, регулированием речного стока в целях борьбы с разрушительными наводнениями, водоснабжением населения и промышленности. В мире в середине 1980-х эксплуатировалось более 30 000 водохранилищ, общая площадь которых составляла около 400 000 км2. Пик строительства водохранилищ, по всей видимости, прошел.

Водохранилища по площадям разделяются на самые малые - менее 10 км2, малые - до 50 км2, средние - до 250 км2, большие - до 1000 км2, крупные - более 1000 км2.

4.3 Болота и заболоченные земли

Болото - природное образование, представляющее собой переувлажненный участок земной поверхности со слоем торфа (более 30 см) и специфическими формами растительности, приспособившейся к условиям избытка влаги, слабой проточности и недостатку кислорода. Если слой торфа менее 30 см и корни растительности находятся в минеральном грунте, то такие территории являются заболоченными землями.

Торф (нем. Torf), горючее полезное ископаемое, образующееся в процессе естественного отмирания и неполного распада болотных растений в условиях избыточного увлажнения и затруднённого доступа воздуха. От почвы торф отличается содержанием органических соединений (не менее 50% по отношению к абсолютно сухой массе).

...