- •Isbn 978-5-06-005815-4 © фгуп «Издательство «Высшая школа», 2007
- •Предисловие
- •Введение
- •Вода в природе и жизни человека
- •Водные объекты. Понятие о гидросфере
- •Гидрологический режим и гидрологические процессы
- •Науки о природных водах
- •Методы гидрологических исследований
- •Использование природных вод и практическое значение гидрологии
- •2. В числителе приведено полное, в знаменателе — безвозвратное водопотребление.
- •Глава 1 химические и физические свойства природных вод
- •Вода как вещество, ее молекулярная структура и изотопный состав
- •1.2. Химические свойства воды. Вода как растворитель
- •1.3. Физические свойства воды 1.3.1. Агрегатные состояния воды и фазовые переходы
- •Плотность воды
- •Тепловые свойства воды
- •Некоторые другие физические свойства воды
- •Глава 2 физические основы гидрологических процессов
- •Фундаментальные законы физики и их использование при изучении водных объектов
- •Водный баланс
- •Баланс содержащихся в воде веществ
- •Тепловой баланс
- •Основные закономерности движения природных вод
- •Классификация видов движения воды
- •Расход, энергия, работа и мощность водных потоков
- •Силы, действующие в водных объектах
- •Уравнение движения водного потока
- •Вертикальная устойчивость вод
- •Глава 3 круговорот воды в природе и водные ресурсы земли
- •Вода на земном шаре
- •Современные и ожидаемые изменения климата и гидросферы земли
- •Круговорот теплоты на земном шаре и роль в нем природных вод
- •Круговорот воды на земном шаре
- •И водные ресурсы Земли», 1974)
- •Вод в грунтах
- •Круговорот содержащихся в воде веществ
- •Влияние гидрологических процессов на природные условия
- •Водные ресурсы земного шара, частей света и россии
- •Та блица 3.6. Средние многолетние (1930—2000) водные ресурсы России*
- •Глава 4 гидрология ледников
- •Происхождение ледников и их распространение на земном шаре
- •Типы ледников
- •Образование и строение ледников
- •Питание и абляция ледников, баланс льда и воды в ледниках
- •Режим и движение ледников
- •Роль ледников в питании и режиме рек. Практическое значение горных ледников
- •Глава 5 гидрология подземных вод
- •Происхождение подземных вод и их распространение на земном шаре
- •Физические и водные свойства грунтов. Виды воды в порах грунтов
- •Физические свойства грунтов
- •Виды воды в порах грунта
- •5.2.3. Водные свойства грунтов
- •Классификация подземных вод. Типы подземных вод по характеру залегания
- •Воды зоны аэрации. Почвенные воды, верховодка, капиллярная зона
- •Воды зоны насыщения. Грунтовые воды
- •5.3.5. Другие типы подземных вод
- •Движение подземных вод
- •Водный баланс и режим подземных вод
- •Водный баланс подземных вод
- •5.5.2. Водный режим зоны аэрации
- •Режим грунтовых вод
- •Провинции: а — кратковременного питания, б— сезонного питания, в — круглогодичного питания (I—XII — месяцы)
- •Взаимодействие поверхностных и подземных вод. Роль подземных вод в питании рек.
- •Практическое значение и охрана подземных вод
- •Глава 6 гидрология рек
- •Реки и их распространение на земном шаре
- •Водосбор и бассейн реки
- •По линии а — б:
- •Сток; 8 — русла рек
- •Морфометрические характеристики бассейна реки
- •Физико-географические и геологические характеристики бассейна реки
- •Река и речная сеть
- •Долина и русло реки
- •Продольный профиль реки
- •Плес; Пр — перекат
- •Питание рек
- •Виды питания рек
- •Классификация рек по видам питания
- •Расходование воды в бассейне реки
- •Водный баланс бассейна реки
- •Уравнение водного баланса бассейна реки
- •Структура водного баланса бассейна реки
- •Водный режим рек
- •Виды колебаний водности рек
- •1 Числитель — данные за 1942—1955 гг., знаменатель — за 1956—1969 гг. 2 Данные за 1941— 1967 гг. 3 Данные за 1968—1987 гг. Прочерк означает отсутствие данных.
- •Фазы водного режима рек. Половодье, паводки, межень
- •Расчленение гидрографа по видам питания
- •Классификация рек по водному режиму
- •Типы: а — дальневосточный (р. Витим, г. Бодайбо, 1937 г.); 6 — тянь-шанский (р. Терек, с. Казбеги,
- •1937 Г.) (I—XII — месяцы)
- •Речной сток
- •Составляющие речного стока
- •Факторы и количественные характеристики стока воды
- •Пространственное распределение стока воды на территории снг
- •Движение воды в реках
- •Распределение скоростей течения в речном потоке
- •Динамика речного потока
- •Закономерности трансформации паводков
- •Движение речных наносов
- •Происхождение, характеристики и классификация речных наносов
- •Частиц, мм 1,0 0,5 0,2 0,1 0,05 0,01 0,005 0,001
- •Движение влекомых наносов
- •Движение взвешенных наносов
- •Сток наносов
- •И связи между ними (б):
- •Русловые процессы
- •Физические причины и типизация русловых процессов
- •Микроформы речного русла и их изменения
- •Мезоформы речного русла и их изменения
- •Макроформы речного русла и их изменения
- •Деформации продольного профиля русла
- •Устойчивость речного русла
- •Термический и ледовый режим рек 6.12.1. Тепловой баланс участка реки
- •Ледовые явления
- •Основные черты гидрохимического и гидробиологического режима рек
- •Гидрохимический режим рек
- •Гидробиологические особенности рек
- •Устья рек
- •Факторы формирования, классификация и районирование устьев рек
- •С блокирующей косой
- •Особенности гидрологического режима устьевого участка реки
- •Особенности гидрологического режима устьевого взморья
- •Практическое значение рек. Влияние хозяйственной деятельности на режим рек
- •Практическое значение рек и типизация хозяйственных мероприятий, влияющих на речной сток
- •Влияние на речной сток хозяйственной деятельности на поверхности речных бассейнов
- •Влияние на речной сток хозяйственной деятельности, связанной с непосредственным использованием речных вод
- •2 4 6 8 1012141618202224 Часы
- •6.15.4. Гидролого-экологические последствия антропогенных изменений стока рек
- •Глава 7 гидрология озер
- •7.1. Озера и их распространение на земном шаре
- •Профиль берега
- •Водный баланс озер
- •Уравнение водного баланса озера
- •Структура водного баланса озера
- •Водообмен в озере
- •Колебания уровня воды в озерах
- •Термический и ледовый режим озер
- •Тепловой баланс озер
- •Термическая классификация озер
- •Термический режим озер в условиях умеренного климата
- •Ледовые явления на озерах
- •Основные особенности гидрохимических и гидробиологических условий. Донные отложения озер
- •Гидрохимические характеристики озер
- •Гидробиологические характеристики озер
- •Наносы и донные отложения в озерах
- •Водные массы озер
- •Изменения гидрологического режима каспийского и аральского морей
- •Проблемы, связанные с судьбой Каспийского и Аральского морей
- •Каспийское море
- •Влияние озер на речной сток. Хозяйственное использование озер
- •Глава 8 гидрология водохранилищ
- •Назначение водохранилищ и их размещение на земном шаре
- •Типы водохранилищ
- •Основные характеристики водохранилищ
- •Водный режим водохранилищ
- •Термический и ледовый режим водохранилищ
- •Гидрохимический и гидробиологический режим водохранилищ
- •Заиление водохранилищ и переформирование их берегов
- •Водные массы водохранилищ
- •Влияние водохранилищ на речной сток и окружающую природную среду
- •Глава 9 гидрология болот
- •Происхождение болот и их распространение на земном шаре
- •Типы болот
- •Строение, морфология и гидрография торфяных болот
- •Развитие торфяного болота
- •Фазы: 7 —низинная; 2—переходная; 3— 6— верховая;
- •Водный баланс и гидрологический режим болот
- •Влияние болот и их осушения на речной сток. Практическое значение болот
- •Глава 10 гидрология океанов и морей
- •Мировой океан и его части. Классификация морей
- •Происхождение, строение и рельеф дна мирового океана. Донные отложения
- •Происхождение ложа океана
- •Рельеф дна Мирового океана
- •Донные отложения
- •Водный баланс мирового океана
- •Солевой состав и соленость вод океана
- •Солевой состав вод океана
- •Распределение солености в Мировом океане
- •Термический режим мирового океана
- •Тепловой баланс Мирового океана
- •Распределение температуры в Мировом океане
- •2,7 3,8 5,5 4,4 2,9 2,2 Южное полушарие
- •Факторы, определяющие плотность морской воды
- •Распределение плотности в Мировом океане
- •Морские льды
- •Ледообразование в море
- •Физические свойства морского льда
- •Движение льдов
- •10.7.4. Ледовитость океанов и морей
- •Оптические свойства морской воды
- •Акустические свойства морской воды
- •Волны зыби
- •Деформация волн у берега
- •Волны цунами
- •Внутренние волны
- •Приливы
- •Основные элементы приливов
- •Приливообразующая сила
- •Статическая и динамическая теории приливов. Строение приливной волны и приливные течения
- •Разложение уравнения приливной волны. Гармонические постоянные. Таблицы приливов
- •Приливы в ограниченном водоеме. Сейши
- •Морские течения
- •10.12.1. Силы, формирующие течения. Классификация морских течений
- •Теория ветровых течений
- •Течение
- •Плотностные течения
- •Циркуляция вод в Мировом океане
- •Уровень океанов и морей
- •Кратковременные колебания уровня
- •Сезонные колебания уровня
- •Водные массы океана
- •Основы учения о водных массах
- •Основы г, s-анализа водных масс
- •Водные массы Мирового океана
- •Взаимодействие океана и атмосферы. Океан и климат
- •Ресурсы мирового океана и его экологическое состояние
- •Ресурсы Мирового океана
- •Литература Основная
- •Богословский б. Б. И др. Общая гидрология,— ji.: Гидрометеоиздат, 1984,—356 с.
- •VI Всероссийский гидрологический съезд. 28 сентября — 1 октября 2004 г. Санкт- Петербург. Тезисы докладов. СПб.: Гидрометеоиздат, 2004.
- •Типы рек
Круговорот содержащихся в воде веществ
К числу наиболее распространенных веществ, содержащихся в воде и участвующих вместе с водой в ее глобальном круговороте, относятся растворенные в воде соли, взвешенные вещества и газы. Для этих веществ есть, однако, и другие способы переноса, помимо водного.
Круговорот солей. С поверхности океана в атмосферу при выбросе волнением и физическом испарении ежегодно выносится в среднем 5,0 млрд т солей, возвращается обратно 4,5 млрд т с атмосферными осадками и пылеватыми частицами7. Разница (0,50 млрд т) — это соли, которые переносятся в атмосфере с океана на сушу. Значительно больше солей поступает ежегодно с суши в океан (4,53 млрд т). Последняя величина складывается из поступления солей с речными (3,1 млрд т), ледниковыми (0,03 млрд т) и подземными (1,2 млрд т) водами, а также при растворении речных взвесей (0,2 млрд т). Основным источником этих солей служит процесс растворения горных пород поверхностными и подземными водами.
Расчет переноса солей на земном шаре проведен с учетом их средней концентрации в атмосферных осадках и ледниковых водах— 8—10 мг/л, в речных и подземных водах 75 и 545 мг/л соответственно. Некоторое постоянное накопление солей в бессточных областях не учитывалось.
Таким образом, на земном шаре происходит направленный процесс выноса солей с суши в Мировой океан в размере 4,53—0,50 ~ ~ 4 млрд т/год.
Общее количество солей, растворенных в водах Мирового океана, равно, по В. Н. Степанову (1983), 46,5* 1015 т. При объеме вод в океане 1338 млн км3 это дает среднюю соленость воды около 35 %о. В обмене солями океана с атмосферой и сушей участвует не более 4 млрд т/год, что составляет всего около одной десятимиллионной доли общего запаса солей в океане. Поэтому повлиять сколько-нибудь заметно на изменение запаса солей в океане и соленость самой океанической воды даже длительное поступление солей с суши не может, тем более что часть приносимых солей осаждается на дно океана.
Круговорот наносов. Наносы — это содержащиеся в водных объектах твердые, в основном минеральные, частицы, поступающие в воду в результате эрозии земной поверхности и вымывания из грунта и переносимые водой во взвешенном или влекомом состоянии.
Круговорот наносов на земном шаре может проявляться лишь в геологическом масштабе времени, когда в разных районах планеты сменяется характер эрозионно-аккумулятивного цикла: эрозия осадочных пород на материке — смыв наносов в океан и формирование толщи отложений на дне океана — тектоническое поднятие толщ морских отложений и превращение их в сушу — эрозия этих отложений и т. д. В каждый же конкретный момент времени можно говорить лишь о направленном поступлении наносов с суши в Мировой океан.
Одновременно с этими глобальными эрозионно-аккумулятивными циклами геологического масштаба времени происходит и перераспределение солей на земном шаре, о чем речь шла выше: растворяются на суше главным образом осадочные породы океанического происхождения. Они-то и становятся источником солевого стока рек.
Основным переносчиком продуктов эрозии на поверхности суши служат сток талых и дождевых вод по склонам, сток вод в верхних звеньях русловой сети речных бассейнов.
Годовой сток взвешенных наносов рек мира при средней мутности речных вод 0,375 кг/м3 составляет 15,7 млрд т (по В. В. Алексееву и К. Н. Лисициной), что дает смыв с поверхности суши в среднем 150 т/км2, или 0,1 мм/год. Фактическая эрозия поверхности суши на несколько порядков превышает величину эрозии, рассчитанную по стоку наносов рек в их замыкающих створах. Превышение фактической эрозии над рассчитанной по стоку наносов объясняется тем, что огромные массы грунта, смытого плоскостным и ручейковым стоком, накапливаются у подножья склонов, большие объемы наносов отлагаются в устьях и на конусах выноса оврагов, ручьев, небольших речных притоков, на речных поймах
4
97
—Гидрологияи т. д. Различие между суммарным объемом эрозии и стоком наносов рек увеличивается с ростом площади речного бассейна.
В суммарном стоке наносов рек в среднем 90—95 % приходится на взвешенные и 5—10% на влекомые наносы.
В Мировом океане постоянно находится приблизительно 1370 млрд т взвеси. Это наносы, поступающие с реками, но не успевшие еще осесть, продукты размыва берегов и взмучивания волнами грунтов дна в прибрежной зоне, частицы, приносимые ветром, взвеси органического происхождения.
Круговорот газов. Из газов, участвующих в круговороте веществ в природе, наибольшее значение имеют кислород 02 и диоксид (двуокись) углерода С02.
Содержание кислорода в воде — главное условие жизнедеятельности водных организмов. Приходные составляющие баланса кислорода в воде — это поступление (растворение) кислорода из атмосферы, продукция кислорода в процессе фотосинтеза; расходные составляющие баланса 02 — это биохимическое потребление кислорода (ВПК) при разложении органического вещества, химическое потребление кислорода (ХПК) при химическом окислении, потери кислорода при дыхании организмов и удалении в атмосферу.
Фотосинтез, в результате которого образуется органическое вещество, поглощается С02 и выделяется кислород, идет под действием солнечного света и в присутствии хлорофилла в зеленых организмах в соответствии с формулой
6С02 + 6Н20 -» С6Н1206 + 602Т (3.8)
Разложение белковых веществ, с другой стороны, приводит к образованию следующих основных продуктов распада:
Белок -> С02 + NH4 + H2S + ... + Н20 (3.9)
В атмосфере содержится 1184* Ю12 т кислорода, в океане его 7,5 • 1012 т, т. е. почти в 160 раз меньше.
Кислород в океан поступает в результате фотосинтеза фитопланктоном (154 млрд т/год), а также с дождевыми и речными водами (3,6 млрд т/шд) и при поглощении из атмосферы (54,8 млрд т/год). Основными потребителями кислорода являются биохимические процессы в океане (потребление растениями и животными, окислительные процессы и т. д.). На эти процессы уходит 151 млрд т кислорода в год. В атмосферу выделяется в год 61,4 млрд т кислорода. В итоге, по В. Н. Иваненкову, океан ежегодно отдает атмосфере 61,4-54,8 = 6,6 млрд т кислорода.
На суше в результате фотосинтеза ежегодно продуцируется кислорода почти столько же, сколько дает фитопланктон океана (около 150 млрд т/год). Часть кислорода над сушей тратится на биохимическое потребление (эта величина точно не установлена, но заведомо меньше биохимического потребления кислорода в оке
ане), о чем косвенно свидетельствует соотношение зоомассы в пересчете на сухое вещество в океане (6 млрд т, по В. Г. Богорову) и на суше (0,5 млрд т).
Потребление кислорода на сжигание топлива составляло во всем мире в 1980 г. приблизительно 25 млрд т/год. По некоторым расчетам, к 2000 г. этот вид безвозвратной траты кислорода атмосферы должен был достигнуть 57 млрд т/год.
Таким образом, общий баланс кислорода на планете положительный, а основным источником пополнения атмосферы кислородом служит фотосинтез.
В отличие от кислорода диоксид углерода С02 частично взаимодействует с водой и растворенными в воде карбонатами, образуя угольную кислоту и включаясь в карбонатную систему (см. формулу (1.4)).
Диоксид углерода поступает в водные объекты при окислении органического вещества (дыхание водных организмов, различные виды биохимического распада и окисления органического вещества), при подводных вулканических извержениях, с речным стоком. Количество С02 уменьшается в водных объектах прежде всего вследствие процесса фотосинтеза. С02 расходуется также на растворение карбонатов и химическое выветривание минералов.
Изменяется содержание С02 также вследствие взаимодействия водных объектов и атмосферы. И гидросфера, и атмосфера взаимно регулируют содержание С02 в воде и воздухе. Полагают также, что океан служит огромным планетарным «насосом» для С02: он поглощает его в высоких широтах, где в связи с низкой температурой воды существенно возрастает растворимость газов, и отдает атмосфере в низких, куда по глубинным горизонтам поступает вод$ из приполярных районов.
Баланс С02 в атмосфере очень сложен и недостаточно изучен. По современным представлениям, наблюдаемое увеличение концентрации С02 в атмосфере на 3Д обусловлено его выбросами в результате сжигания органического ископаемого топлива и на V4 свя_ зано с изменением характера землепользования (сведение лесов, осушение болот и др.). В настоящее время человечество ежегодно сжигает более 4,5 млрд т угля и 3,5 млрд т нефти и нефтепродуктов.
Количество
диоксида углерода на протяжении истории
Земли неуклонно уменьшалось, в то время
как содержание кислорода увеличивалось.
Уменьшение содержания С02
сопровождалось понижением температуры
воздуха: при снижении концентрации С02
с 0,06 до 0,03 %о,
т.
е. в 2 раза, температура понизилась на
2,5 °С. С мелового периода средняя
температура на Земле снизилась на 11 °С.
Как
указывалось в разд. 3.2, в доиндустриальный
период концентрация С02 в
атмосфере составляла около 0,280 %о\
в
течение XX в. она резко возросла до 0,368
%о.
К 2100 г. концентрация С02, согласно
прогнозам МГЭИК, может увеличиться до
0,540—0,970 %о,
что будет
на 93—246 % больше, чем в доиндустриальный
период. Как отмечают Ю. А. Израэль с
соавторами (2001), существует неопределенность
в оценке карбонатного обмена между
атмосферой, Мировым океаном и
поверхностью суши, а также неопределенность,
связанная с темпами экономического
развития общества в будущем, объемом
ожидаемых выбросов С02 в атмосферу,
характером защитных мер и т. д. Поэтому
разброс возможных значений содержания
С02 в атмосфере в конце XXI в. может
быть еще больше — от 0,490 до 1,260 %с.
По мнению тех же авторов, по мере
увеличения концентрации С02 в
атмосфере Мировой океан будет поглощать,
по-видимому, все меньшую долю антропогенного
С02.
Изменения содержания С02 в атмосфере уже привели и могут привести в дальнейшем к существенным изменениям климата и состояния гидросферы (см. разд. 3.2).