»

кальция, магния, калия и натрия) и небольшое количество органических веществ, растворимых в воде.

Влитературных источниках можно встретить несколько классификаций природных вод по степениминерализации. Наиболеераспространенаследующая:

Пресные – до 1г/л; Слабосолоноватые – 1–3 г/л; Солоноватые – 3–10 г/л; Соленые – 10–50 г/; Рассолы – более 50 г/л.

Очень часто общую минерализацию воды путают с сухим остатком. Сухой остаток определяется путем выпаривания литра воды и взвешивания того, что осталось. В результате не учитываются более летучие органические соединения, растворенные в воде. Это приводит к тому, что общая минерализация и сухой остаток могутотличатьсянанебольшуювеличину– как, правило, неболее10%.

Уровень содержания солей в питьевой воде разный в разных геологических регионах (вследствие различной растворимости минералов). Кроме природных факторов, на общую минерализацию воды большое влияние оказывают промышленные сточные воды, городские ливневые стоки (особенно когда соль используется для борьбы с обледенением дорог) и т. п.

Взависимости от минерализации природные воды можно разделить на следующие категории (табл. 2). Соленость воды – содержание в воде хлоридов

исульфатов Na, Mg, Ca.

Природные воды представляют собой собственно воду – химическое соединение кислорода и водорода – и растворенные в ней вещества, обусловливающие ее химический состав и свойства. В воде растворяются твердые, жидкие и газообразные вещества, которые делятся на три группы:

хорошо растворимые (в 100 г воды растворяется более 10 г вещества); плохо растворимые, илималорастворимые(в100 гводы– менее1 гвещества);

11

практическинерастворимые(в100 гводырастворяетсяменее0,01 гвещества). Минерализацией называют сумму содержащихся в воде минеральных веществ. Минерализацию пресных вод принято выражать в миллиграммах на литр (мг/л) или граммах на литр (г/л), соленых вод рассолов – в граммах на литр или процентах (%). В зависимости от практического применения существует несколько видовклассификацииприродныхводпостепениминерализации.

Агрегатное состояние воды и фазовые переходы

Вода на Земле в зависимости от двух физических характеристик – температуры и давления может находиться в трех агрегатных состояниях или фазах – твердом (лед), жидком (собственно вода) и газообразном (водяной пар). Изменение агрегатного состояния воды называют фазовыми переходами (рис. 3).

Рис. 3. Диаграмма стояния воды или фазовая диаграмма

В ней по оси абсцисс откладывается температура, а по оси ординат – давление. Диаграмма представляет собой три кривые:

Кривая АВ – кривая испарения – выражает зависимость давления пара жидкой воды от температуры (или, наоборот, представляет зависимость температуры кипения воды от давления). Другими словами, эта линия отвечает двухфазному равновесию (жидкая вода) D (пар), и число степеней свободы, рассчитанное по правилу фаз, составляет С = 3 2 = 1. Такое равновесие называют моновариантным. Это означает, что для полного описания системы достаточно определить только одну переменную – либо температуру, либо давление, т.к. для данной температуры существует только одно равновесное давление и для данного давления – только одна равновесная температура.

При давлениях и температурах, соответствующих точкам ниже линии АВ, жидкость будет полностью испаряться, и эта область является областью пара. Для описания системы в данной однофазной области необходимы две независимые переменные (С = 3 1 = 2): температура и давление.

При давлениях и температурах, соответствующих точкам выше линии АВ, пар полностью сконденсирован в жидкость (С = 2). Верхний предел кривой испарения AB находится в точке В, которая называется критической точкой

12

(для воды 374o С и 218 атм). Выше этой температуры фазы жидкости и пара становятся неразличимыми (исчезает четкая межфазная граница жидкость/пар), поэтому Ф=1.

Линия АС – эта кривая возгонки льда (иногда ее называют линией суб-

лимации), отражающая зависимость давления водяного пара надо льдом от температуры. Эта линия соответствует моновариантному равновесию (лед) D (пар) (С=1). Выше линии АС лежит область льда, ниже область пара.

Линия АD – кривая плавления, выражает зависимость температуры плавления льда от давления и соответствует моновариантному равновесию

(лед) D (жидкая вода). Для большинства веществ линия АD отклоняется от вертикали вправо, но поведение воды аномально: жидкая вода занимает меньший объем, чем лед. На основании принципа Ле Шателье можно предсказать, что повышение давления будет вызывать сдвиг равновесия в сторону образования жидкости, т. е. точка замерзания будет понижаться.

Исследования, проведенные Бриджменом для определения хода кривой плавления льда при высоких давлениях, показали, что существует семь различ-

ных кристаллических модификаций льда, каждая из которых, за исключением первой, плотнее воды. Таким образом, верхний предел линии AD – точка D, где в равновесии находятся лед I (обычный лед), лед III и жидкая вода. Эта точка находится при -220С и 2450 атм.

Тройная точка воды (точка, отражающая равновесие трех фаз – жидкости, льда и пара) в отсутствие воздуха находится при 0,0100o С и 4,58 мм рт.ст. Число степеней свободыС=3-3=0 итакоеравновесиеназываютнонвариантным.

В присутствии воздуха три фазы находятся в равновесии при 1 атм и при 0o С. Понижение тройной точки на воздухе вызвано следующим причинами:

1.растворимостью воздуха в жидкой воде при 1 атм, что приводит к снижению тройной точки на 0,0024o С;

2.увеличением давления от 4,58 мм рт.ст. до 1 атм, которое снижает тройную точку еще на 0,0075o С.

Удельная теплота фазовых переходов воды очень велика. В тройной точке вода одновременно находится во всех трех агрегатных состояниях.

Диаграмма состояния воды иллюстрирует две ее аномалии, оказывающие решающее влияние не только на поведение воды на Земле, но и природные условия планеты в целом. По сравнению с веществами, представляющими собой соединения водорода с элементами, находящимися в периодической таблице Менделеева, температура замерзания и кипения воды необычайно высока. Аномально высокие значения температуры замерзания и кипения предопределяют возможность существования воды на планете как в твердом, так и жидком состоянии и служат определяющими условиями основных гидрологических и других природных процессов на Земле.

Плотность воды. Плотность – одна из важнейших физических характе-

ристик любого вещества. Она представляет собой массу однородного вещества, приходящуюся на единицу объема и измеряется в кг/м3. Плотность воды является функцией температуры, солености, давления, коллоидных взвесей.

13

Вода – единственное вещество, у которого в твердом состоянии плотность меньше, чем в жидком. При нормальном давлении плотность жидкой воды в диапазоне от 0 до 4°С ведет себя аномально, увеличиваясь с возрастанием температуры от 999,87 до 1000 кг/м3. Поэтому при охлаждении от 4 до 0°С, т. е. непосредственно перед замерзанием, охлаждающаяся вода не опускается вниз, что сохраняет на глубинах в пресноводных водоемах положительную температуру и предохраняет воду от замерзания, а водные организмы от гибели.

При последующем увеличении температуры выше 4 °С плотность воды, как и у всех веществ, уменьшается. Плотность льда заметно меньше жидкой воды, что также аномально. При температуре меньшей 0°С с уменьшением температуры плотность падает и составляет 920 кг/м3 при температуре - 20°С. Это приводит к тому, что лед, как вещество более легкое, чем вода всплывает и экранизирует водную толщу, защищая ее от охлаждения. Влияние солености на плотность также очень велико. Плотность морской воды может достигать 10251033 кг/м3. Морская вода при солености 35‰ и нормальном давлении имеет при 0 и 20°С плотность 1028,17 и 1024,78 кг/м3 соответственно. Температура замерзания воды при увеличении солености на каждые 10‰ уменьшается приблизительно на 0,54°С, поэтому вода замерзает при отрицательной температуре, составляющей, например, -1,9°С при солености 35‰.

Физические аномалии воды. Характерные значения температуры воды. Температура наибольшей плотности дистиллированной воды при нор-

мальном давлении 1,01 •·105 Па обычно принимается равной 4°С, хотя точное ее значение 3,98°С.

Нужно также иметь в виду, что дистиллированной воды в природе нет, а вода так называемых пресных озер и рек всегда немного минерализована. Например, концентрация солей воды оз. Байкал составляет 0,0697кг/м3. Поэтому для природных озер и искусственных водохранилищ температура наибольшей плотности воды всегда немного меньше 4°С.

Значение коэффициента a для дистиллированной воды, по лабораторным данным, равно 0,0079 °С/Па.

Температура кристаллизации (замерзания) дистиллированной воды при нормальном атмосферном давлении принимается равной 0°С и служит начальным значением температурной шкалы термометра Цельсия.

Процесс замерзания пресной и соленой воды происходит скачком с выделением теплоты кристаллизации. Обратный процесс, т. е. таяние льда, происходит с поглощением того же количества теплоты, но без скачка, постепенно.

Переохлаждение воды в природе, т. е. понижение ее температуры замерзания по отношению к 0°С, наблюдается очень часто. В речных условиях переохлаждение поверхностного слоя воды составляет даже порядка 1°С.

Переохлажденная на поверхности реки вода переносится в глубину турбулентным течением и в благоприятных условиях образует внутриводный (шуга) и донный лед. При этом степень переохлаждения глубинных вод значительно меньше, чем поверхностных. Переохлаждение наблюдается также в озерах и

14

морях, где оно впервые и было обнаружено еще в XVIII в. в виде так называемого якорного льда на опущенных на дно якорях.

В лабораторных условиях в капиллярных трубках дистиллированную воду удалось переохладить до температуры 33°С.

К важным особенностям изменения агрегатного состояния воды относятся большая затрата тепла на плавление, испарение, сублимацию и большое выделение тепла при обратных переходах, аномально низкая температура замерзания и высокая температура кипения. Для воды характерны следующие физические аномалии и свойства:

•высокая по сравнению с другими веществами температура плавления, поэтому вода на Земле может находиться в твердом состоянии (ледники, снег) и жидком (реки, озера, подземные воды);

•плотность льда значительно меньше плотности воды, благодаря этому при замерзании водоема лед экранирует его от дальнейшего охлаждения (лед обладает небольшой теплоемкостью);

•при увеличении температуры от 0 до 4°С плотность также увеличивается, поэтому при охлаждении поверхностного слоя до 4°С опускание и перемешивание слоев воды прекращается;

•удельная теплота ледообразования (количество теплоты затрачиваемое при превращении единицы массы льда при температуре плавления и нормальном атмосферном давлении в воду) очень велика, поэтому процесс ледообразования идет замедленно;

•удельная теплота парообразования (количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы воды в пар) очень велика, поэтому процесс парообразования и идет замедленно.

Тепловые характеристики воды. Удельная теплоемкость (количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы воды на один градус) очень велика, поэтому вода медленно нагревается и медленно охлаждается, тем самым регулирует тепловые процессы на Земле.

Теплоемкость — это количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании его на 1°С. Определяется она по формуле:

C = dQ/dt или C = Q/ t,

где dQ – бесконечно малое количество теплоты, вызвавшее бесконечно малое повышение температуры dt; t = t2 t1 – изменение температуры тела, происходящее в результате подвода к нему количества теплоты Q; t1 и t2 – температура тела до и после подвода к нему теплоты.

Характеристикой теплоемкости вещества принята удельная теплоемкость – отношение теплоемкости тела к его массе:

c = C/m или c = Q/(m t).

Удельная теплоемкость воды – это количество теплоты, необходимое для нагревания 1кг дистиллированной воды на 1°С в пределах 14,5 – 15,5 °С. Удельная теплоемкость воды слабо зависит от температуры, поэтому в практических расчетах ее значение может быть принято постоянным, равным

4,2 кДж/(кг·°С).

15

Удельная теплоемкость воды уменьшается с повышением температуры. Этим свойством, а также довольно большим значением удельной теплоемкости, вода отличается от всех других веществ, кроме ртути.

С увеличением минерализации воды теплоемкость ее уменьшается. Для морской воды при малой солености теплоемкость уменьшается примерно на

0,006кДж/(кг·°С) на 1‰.

Переход воды из жидкого состояния в твердое (кристаллическое – лед) сопровождается выделением теплоты кристаллизации Qкр., а обратный ему процесс – таяние льда – поглощением теплоты плавления Qпл.. Эта способность вещества определяется удельной теплотой кристаллизации (плавления):

Lкр. = Qкр./mили Lпл. = Qпл./m,

где m – масса затвердевающего (тающего) тела.

Удельная теплота кристаллизации воды Lкр. – это количество теплоты, которое выделяется при кристаллизации 1 кг воды при постоянной температуре. Для дистиллированной воды она равна 33,3·104 Дж/кг.

Переход воды из жидкого состояния в газообразное (пар) сопровождается поглощением теплоты испарения Qи. Источником ее обычно служит внутренняя энергия самой жидкости, поэтому при испарении она охлаждается. Обратный испарению процесс – конденсация пара – сопровождается выделением теплоты Qк, равной теплоте испарения. Эта способность вещества определяется

удельной теплотой испарения (конденсации):

Lи = Qи/m или Lк = Qк/m.

Итак, удельная теплота испарения воды – это количество теплоты, необходимое, чтобы перевести 1 кг воды в парообразное состояние при постоянной температуре. Удельная теплота испарения воды зависит от температуры, при которой испаряется вода. Эта зависимость определяется следующей эмпирической формулой:

Lи = (25 – 0,024tп) 105,

где 25·105 Дж/кг – удельная теплота испарения при температуре поверхности воды, равной 0°С;

tп – температура поверхности испаряющейся воды. Температуропроводность – физический параметр вещества и, в частно-

сти, воды, способствующий передаче теплоты таким образом, что температура в каждой точке стремится к соответствующему в данный момент установившемуся состоянию. Характеристикой температуропроводности является коэффи-

циент температуропроводности a = λ/(cρ), где λ – коэффициент теплопровод-

ности. Коэффициент температуропроводности воды слабо зависит от темпера-

туры: при температуре, равной 0 и 10°С, a соответственно равно 0,485·10-3 и

0,504·10-3 м2ч.

16

Отмеченные выше тепловые показатели воды аномальны по сравнению с аналогичными характеристиками других веществ. Это обстоятельство обязано ее структуре, обусловленной водородными связями между молекулами, характеризующимися большей прочностью, чем межмолекулярные взаимодействия. Например, большая теплоемкость воды может быть объяснена только распадом ассоциированных молекул при нагревании. Так как распад этих молекул сопровождается поглощением энергии, то при нагревании воды теплота расходуется не только на повышениетемпературы, ноинараспадассоциированныхмолекул.

Вязкость, поверхностное натяжение. Вязкость достаточно мала, поэто-

му вода является очень текучим веществом, она способна переносить различные объекты.

Поверхностное натяжение воды достаточно велико, поэтому образуется мениск – капиллярные силы, благодаря которым растения способны брать воду из почвы. Вторым следствием является то, что водяные капли обладают большой ударной силой, и являются одной из причин возникновения эрозии.

Вязкость есть физическое свойство вещества (жидкости, газа, твердого тела) оказывать сопротивление перемещению одной его части относительно другой. Вязкость является одним из главных свойств воды. Различают объемную и тангенциальную вязкость. Под объемной вязкостью понимают способность жидкости воспринимать растягивающие усилия. Этот вид вязкости воды проявляется, например, при распространении в ней звуковых и особенно ультразвуковых волн. Тангенциальная вязкость характеризует способность жидкости оказывать сопротивление сдвигающим усилиям.

Исследования показывают, что сопротивление жидкости растягивающим и сдвигающим усилиям проявляется лишь при различных скоростях движения одного слоя жидкости по другому, т. е. при возникновении угловых скоростей сдвига частиц. Со стороны слоя, движущегося быстрее, на слой, движущийся медленнее, действует ускоряющая сила. Наоборот, со стороны слоя, движущегося медленнее, на слой, движущийся быстрее, действует тормозящая, задерживающая сила. Эти силы, носящие название сил внутреннего трения, направлены по касательной к поверхности слоев.

Поверхностное натяжение воды возникает на поверхности соприкасания ее с воздухом, твердым телом или другой жидкостью. Оно обусловлено силами притяжения между молекулами. Внутри воды силы притяжения между молекулами взаимно компенсируются, а на молекулы, находящиеся вблизи поверхности, действует нескомпенсированная результирующая сила, направленная внутрь от ее поверхности. Поверхностное натяжение стремится уменьшить поверхность жидкости до минимума. Поэтому капли жидкости имеют сферическую форму, а в невесомости – форму шариков (поверхность сферы является наименьшей из всех геометрических фигур равного со сферой объема).

Смачивание. При соприкосновении твердого тела с водой смачивание наблюдается в том случае, когда взаимодействие между их молекулами сильнее взаимодействия между молекулами самой воды. В этом случае вода будет стремиться увеличить поверхность соприкосновения и растечется по твердому телу. Когда же взаимодействие между молекулами твердого тела и молекулами

17

соприкасающейся с ним воды более слабое, чем между молекулами самой воды, вода будет стремиться сократить поверхность соприкосновения с твердым телом. По отношению к твердым телам вода обладает свойством полного и частичного смачивания и полного несмачивания.

Явление смачивания имеет большое значение при изучении передвижения влаги по капиллярам в почвогрунтах и в снеге. Поверхность смачивающей жидкости, находящейся в узких капиллярах, принимает вогнутую форму.

Электрические свойства воды. Удельное электрическое сопротивление

воды ρэ существенно зависит от температуры. Минерализация воды резко понижает ее удельное электрическое сопротивление. Так, у ладожской воды оно составляет 2,6·104 (Ом•м)-1, а у морской – порядка 4-6 (Ом •м)-1. По приведенным значениям удельного электрического сопротивления можем судить, что чистая вода является плохим проводником электричества. Электрическая проводимость воды может служить показателем загрязнения, как части водоема так и его в целом.

Вода является хорошим растворителем. Характеристикой жидкости как растворителя является дипольный момент. У воды он весьма высокий (6,13·10- 29 Кл·м), что обусловливает ее свойства хорошего растворителя веществ, молекулы которых тоже полярны. Однако для сравнения способности одних веществ растворять в себе другие более удобным, чем дипольный момент, оказалось поня-

тиедиэлектрическойпроницаемости.

Диэлектрическая проницаемость ε показывает, во сколько раз напряженность поля с данным веществом ниже, чем в вакууме. Диэлектрическая проницаемость воды при 20°С ε = 81.

Способность воды растворять соли возрастает с повышением температуры и понижается с ее уменьшением. Этим обстоятельством объясняется выпадение солей из воды сильно минерализованных озер осенью и в зимний период.

Классификация видов движения воды в водных объектах

Благодаря малой вязкости вода подвижна и перемещается в сторону уклона поверхности.

Водные потоки делятся исходя из типов движения воды на стационарные (если скорость течения не изменяется во времени, dv/dt = 0) и нестационарные (если скорость течения во времени величина переменная, dv/dt ≠ 0). Стационарные водные потоки делятся на равномерные (если скорость вдоль потока остается неизменной, dv/dх = 0) и неравномерные (если скорость движения вдоль потока изменяется, dv/dх ≠ 0).

Существуют два гидродинамических режима движения воды: ламинарный и турбулентный. В ламинарном режиме частицы воды движутся по параллельным траекториям, скорость их движения невелика. Примером ламинарного движения могут служить подземные воды, ледники. В турбулентном режиме движение частиц воды имеет хаотический характер, с относительно большой скоростью. Такимрежимомотличаютсядвиженияводвокеанах, морях, реках, озерах.

Характер движения определяется скоростью движения, гидродинамический режим потока характеризуется числом Рейнольдса (Rе):

18

Rе = νh/v,

где h – глубина водоема;

ν– кинематический коэффициент вязкости, при температуре ≈15°С,

ν= 1•10-6 м2/с;

v – средняя скорость.

Если Rе < 300, то поток является ламинарным, если Rе > 3000 – турбулентным, 300< Rе <3000 соответствует переходному гидродинамическому режиму потока 13 .

1.3. Водный баланс в гидрологии

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

Водный баланс суши характеризуется основной зависимостью: количество атмосферных осадков, выпадающих на данной территории, равно сумме испарения, стока и накопления (или расхода) воды в верхнего слоях литосферы. Для всего земного шара за годичный период и для средних многолетних условий его отдельных территорий последний член водного баланса равен нулю.

В водном балансе атмосферы над определенной частью земной поверхности расход воды на выпадение осадков равен сумме испарения с земной поверхности, поступления или выноса водяного пара в результате его горизонтального переноса воздушными течениями и изменения количества воды в атмосфере (последний член обычно мал по сравнению с другими членами водного баланса). Водный баланс атмосферы существенно зависит от условий атмосферного влагооборота, в ходе которого водяной пар переносится из одних районов в другие. Хотя испарение с поверхности суши составляет около 2/3 от количества осадков на континентах, фактически большая часть осадков, выпадающих на суше, формируется из водяного пара, принесенного воздушными течениями с океанов. Это объясняется тем, что циркуляция атмосферы уносит с континентов на океаны значительную часть водяного пара, образованного местным испарением. Разность между испарением и осадками на континентах, равная разности между приходом и расходом водяного пара в атмосфере над континентами, одновременноравнавеличинеречногостокасконтинентоввокеаны.

Если рассматривать водный баланс для всей земной поверхности в целом, так же как и для всей атмосферы, то годовая сумма осадков равна величине испарения, которая соответствует, по современным данным, приблизительно

100 см/год.

Метод водного баланса основан на составлении универсального уравнения водного баланса для данной территории, анализе его составляющих и определении неизвестных компонентов (или плохо поддающихся расчету) по известным.

19

Приходную часть уравнения составляют атмосферные осадки, поверхностный и подземный сток (как естественный, так и искусственный); расходная часть уравнения состоит из испарения поверхностного и подземного стока (как естественного, так и искусственного), а также из изменения количества воды в объекте. Данное уравнение верно для участка суши или любого водного объекта для определенного интервала времени.

Количественным выражением водного баланса является уравнение водного баланса, физической основой уравнения является закон сохранения вещества, энергетической основой – солнечная энергия и сила тяжести.

Для вывода уравнения водного баланса, являющегося частным случаем закона сохранения вещества, необходимо учитывать следующие параметры: время (сутки, декада, месяц, сезон, год); объем (вместо массы в уравнении состояние вещества); единицы слоя.

Уравнение водного баланса для объема выглядит следующим образом (все компоненты выражены в единицах объема):

X + Y1+ + W1+ = Z + W2- + Y2-± U,

где X – атмосферные осадки; Y1 – поверхностный приток; Y2 – поверхностный отток; W1 – приток подземных вод; W2 – отток подземных вод; Z – испарение;

U – изменение количества воды в пределах контура (объема);

+ U – накопление воды: ледники, снег, водоемы, грунтовые воды, прирост уровня воды в водоеме;

- U – опускание уровня водоема (грунтовых вод).

1.4.Понятие о гидросфере

Гидросфера (греч. hidro – вода и sphaira – шар) – водная оболочка Земли.

Она включает в себя всю химически не связанную воду, независимо от ее со-

стояния: твердую, жидкую, газообразную.

Из 1,4 млрд км3 общего объема вод гидросферы около 96,5% составляют

моря и океаны; 1,7% приходится на подземные воды, около 2% – на ледники и постоянные снега (в основном Антарктиды и Гренландии), менее 0,02% – на поверхностные воды суши (реки, озера, болота, искусственные водоемы). Некоторое количество воды находится в атмосфере и в живых организмах. Объем гидросферы постоянно меняется. По данным ученых, 4 млрд лет назад ее объем составлял всего 20 млн км3, то есть был почти в семь тысяч раз меньше современного. В будущем, по прогнозам ученых, количество воды на Земле, по-видимому, также будет возрастать, если учесть, что объем воды в мантии Земли оценивается в 20 млрд км3 – это в 15 раз больше современного объема гидросферы (табл. 3). Предполагают, что поступление воды в гидросферу будет

20