А.И. Сафонов
Техноэкология. Курс лекций
Донецк: ДонНУ, 2014. – 107 с.
3. Водные ресурсы и загрязнение природных вод
3.1. Водные ресурсы планеты Земля
Гидросфера
(от греч. hydro – вода + sphaira – шар) – водная оболочка
Земли, объединяющая все свободные воды, способные передвигаться под влиянием
солнечной энергии и гравитационных сил, а также переходить из одного состояния
в другое. Круговорот воды гидросферы образует взаимосвязанную, замкнутую
систему океан – атмосфера – суша.
Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли включают
в себя массивы жидкой (солевой и пресной), твердой (пресной) и газообразной
(пресной) воды. По приблизительным подсчетам объем Мирового океана равен 1338
млн. км3, т.е. в Мировом океане сосредоточено около 97% массы воды
на Земле[1]*. Остальные 3% приходятся на ледники, подземные воды, воды рек, озер и
испарения в атмосферу. Из этого количества воды наибольшие запасы
аккумулированы в ледниковых массивах Антарктики и Арктики, объем ледников с
учетом снежного покрова планеты равен 24,06 млн. км3. Это огромные
запасы пресной воды, которые в настоящее время используются крайне мало. Запасы
подземных вод составляют примерно 23,4 млн. км3 (из них 10,5млн. км3
– пресные воды), которые также практически мало используются из-за трудностей,
связанных с добыванием этих вод. На долю озер приходится 176,4 тыс. км3
(в том числе около 55% воды в проточных озерах, а 45% – в бессточных озерах с
разным содержанием солей). В атмосфере в виде пара содержится 12,9 тыс. км3
воды. Общий объем пресной воды на планете равен 35,029 млн. км3
(табл. 3.1).
Таблица 3.1
Запасы воды на Земле
Составляющие
гидросферы
|
Объем, тыс. км3
|
Доля мировых запасов, %
|
от общих запасов воды
|
от запасов пресной воды
|
Мировой
океан
|
1338000,0
|
96,5
|
-
|
Подземные
воды
|
23400,0
|
1,70
|
-
|
Пресные
воды
|
10530,0
|
0,76
|
30,1
|
Ледники
и снежный покров
|
24064,1
|
1,74
|
68,7
|
Подземные
льды
|
300,0
|
0,022
|
0,86
|
Воды
озер:
|
176,4
|
0,013
|
-
|
пресные
|
91,0
|
0,0007
|
0,26
|
соленые
|
85,4
|
0,0006
|
-
|
Воды
болот
|
11,47
|
0,0008
|
0,03
|
Воды
в руслах рек
|
2,12
|
0,0002
|
0,006
|
Биологическая
вода
|
1,12
|
0,0001
|
0,003
|
Воды
атмосферы
|
12,90
|
0,001
|
0,04
|
Общие
запасы воды
|
1385984,61
|
100,0
|
-
|
Для того чтобы получить общую картину масштабов
гидросферы, отметим, что площадь поверхности нашей планеты, покрытая только
океанами и морями, составляет 361,2 млн. км2. На долю ледников
приходится 16,3 млн. км2 (11% суши), озер и рек – 2,3 млн. км2
(1,7% суши), а болот и других мелких бессточных водоемов – 3 млн. км2 (табл.
3.2).
Таблица 3.2
Площадь гидросферы и ее составляющих
на поверхности Земли, млн. км2 (по К. С.
Лосеву)
Мировой океан
|
Мировой океан, оледенение
|
Мировой океан, озера и реки
|
Мировой океан, оледенение, озера и реки, болота
|
Мировой океан, оледенение, озера и реки, болота,
снежный покров
|
361,2
|
377,5
|
379,8
|
382,8
|
443
|
Таким образом, при общей поверхности планеты в 510
млн. км2 площадь, занимаемая гидросферой, составляет более 380 млн.
км2 – более 75% поверхности (см. табл. 3.2). Всего площадь
гидросферы (без снежного покрова) около 383 млн. км2. Причем большая
часть Мирового океана находится в южном полушарии, где он занимает 81% площади,
в северном полушарии на его долю приходится 61% поверхности.
Вода Мирового океана, как уже отмечалось, представляет
собой сложный раствор солей (в среднем 35 г солей на 1 кг воды). Эти соли вместе с другими веществами находятся в воде в виде ионов. Основную массу
химических элементов, растворенных в воде морей и океанов, составляют 9 главных
ионов. Академик В.И.Вернадский, исходя из предположения о том, что соотношение
главных ионов морской воды существует в течение огромного периода времени,
близкого к миллиарду лет, предлагал принять это соотношение за константу. В
табл.3.3 приводятся главные ионы воды. Соленость воды меняется в зависимости от
глубины и по акватории, например, в Северном Ледовитом океане, она составляет
31%, в Красном море - 42%.
Огромна роль Мирового океана в регулировании
содержания углекислого газа в атмосферном воздухе. По данным МГГ* (1957-1958),
концентрация СО2 в отдельных регионах была неравномерна, ее
колебания достигали 6×10-6
(шесть частей на миллион), при этом ежегодное увеличение концентрации
углекислого газа в воздухе оценивалось в начале 60-х гг. в 0,72×10-6 – это около половины поступления СО2
в атмосферу в результате сгорания ископаемого топлива.
Таблица 3.3
Главные ионы морской воды
Ион
|
Концентрация, мг/кг
|
Процент от общей массы
|
Cl -
|
18980
|
55,4
|
Na+
|
10560
|
30,61
|
SO42-
|
2650
|
7,68
|
Mg2+
|
1270
|
3,69
|
Ca2+
|
400
|
1,16
|
K+
|
380
|
1,10
|
HCO3-,CO32-
|
140
|
0,41
|
B2-
|
65
|
0,19
|
H3BO3-
|
5
|
0,07
|
Сумма
|
34450
|
99,95
|
Вторая
половина поглощается растительными организмами путем фотосинтеза. Такое поглощение
в объеме более 5/6 происходит на поверхности Мирового океана и менее 1/6 - на
суше. Проникая (диффундируя) в морскую воду, углекислый газ усваивается
микроскопическими водорослями, развивающимися в верхних слоях океана.
Основную
массу гидросферы образует Мировой океан. Большая часть акватории Мирового
океана – 52,6% – относится к глубинам от 4000 до 6000 м, 38,7% – занимают акватории с глубиной от 200 до 4000 м, и 7,5% – площадь мелководных участков до 200 м (средняя глубина океана – 3800 м, наибольшая – 11022 м).
Поскольку вода – самый мощный поглотитель тепловой
энергии Солнца, то, естественно, масштабы, приведенные выше, обусловливают
главную роль Мирового океана в регулировании климата на планете. Мировой океан
отражает от своей поверхности около 8% солнечной радиации. Благодаря высокой
удельной теплоемкости воды на континентах не происходит резкого перепада
температур. Гигантский терморегулятор – океан – не позволяет перегреваться
континентам летом и переохлаждаться зимой.
Воды океана нагреваются в основном в экваториальном
поясе (около полосы от 150ю.ш. до 300с.ш.). В переносе
тепла от экватора к полюсам важную роль играют океанические течения, содержащие
громадное количество теплоты. Средняя скорость поверхностных течений составляет
около 0,1-0,2 м/с, а на отдельных участках доходит до 3 м/с (Гольфстрим).
Средняя температура всей толщи Мирового океана равна
5,70С без учета Арктического бассейна. Это на 22,70С выше
средней по массе температуры атмосферы.
По океанам средняя температура толщи вод составляет: в
Индийском – 6,70С, в Атлантическом – 5,60С, в Тихом – 4,70С.* Самая теплая
поверхность воды отмечена в Тихом океане (19,40С), а самая холодная
– под слоем льда Северного Ледовитого океана (0,750С).
Температурные контрасты, вызываемые циркуляцией атмосферы,
контрасты солености и неравномерного нагрева поверхности воды, гравитационные
силы и их «перепады» от притяжения Луны и Солнца и другие факторы вызывают
огромное множество перемещений водных масс Мирового океана.
Проблема объяснения современной циркуляции вод
Мирового океана в настоящее время не может считаться решенной даже на уровне
весьма качественных гипотез. Это было отмечено на первом съезде советских
океанологов в 1977 г. Подземные воды образуют гидросистемы в виде пластов,
содержащих поры, трещины и другие пустоты, заполняемые водой. Эти пласты
располагаются между водоупорными слоями. По вертикальному разрезу земной коры
различают три основные зоны, отличающиеся между собой периодами обмена с
поверхностными водами, составляющими гидросферы. Зона интенсивного обмена,
расположенная до глубины 0,5 км, с периодом полного обмена с поверхностными
водами в пределах 1-100 лет. Зона затрудненного водообмена – на глубине 1,5-2 км – с периодом обмена в десятки и сотни тысяч лет. Зона пассивного обмена на глубине более 2 км, с периодом полного возобновления в миллионы лет. Минерализация вод увеличивается от 1% в
верхней зоне, до 3,5% в самых глубоких слоях земной коры.
По
аналогии с другими составляющими гидросферы подземные воды представляют
равновесие системы «вода – газы», содержащей кислород и азот (активная зона
обмена), а также газы, находящиеся в почве, и углекислый газ. Глубже можно
встретить сероводород, метан и углекислый газ в большом количестве.
Подземные
воды, пожалуй, самая неизученная часть гидросферы. Не случайно, что оценка
массы этих вод неоднозначна и исходит из определения запасов воды в слоях
глубиной от 2 до 5 км. Вместе с тем, практика бурения глубоких скважин (в
частности, и самой глубокой в мире на Кольском полуострове в нашей стране,
глубина которой достигла 12 км) показывает, что вода в недрах Земли в жидком
виде может существовать и глубже 10 км. По мере углубления под действием
высокой температуры в недрах земной коры образуется парообразная вода, а затем
и пароводяная смесь, переходящая в особое состояние своего рода водяной плазмы.
Следующая по массе составляющая гидросферы –
ледниковые и снежные массивы в твердом состоянии. Основная масса льда (около
2,6×1022 г воды) сосредоточена в современных
ледниках, в том числе в Антарктическом ледниковом покрове – 2,4×1022г, в Гренландском – 0,2×1022г, остальное – в арктических, горных и
других снежно-ледовых покровах. Снежно-ледовые поверхности постоянно занимают
на суше и море 102,6 млн. км2 или около 8%, а в зимние периоды
северного полушария доходят до 20% площади поверхности Земли. Основная масса
льда сосредоточена в полярных и прилегающих (субполярных) областях нашей
планеты – в Арктике и Антарктике. Эти огромные области, круглый год скованные
морозами, имеют существенное различие, заключающееся в том, что на Северном
полюсе под ледяным трехметровым слоем расположена многокилометровая толща воды
океана, а в Антарктиде под ледяным панцирем толщиной 3-4 км находится материк (это самый высокий материк планеты, что в сочетании с географическим
положением определяет суровость климата, где температура достигает -800С,
а скорость ветра до 80 м/с).
Средняя температура воздуха зимой в Центральной
Арктике составляет –360С, а в самые теплые месяцы – около 00С.
Климат Антарктики значительно суровей условий в Арктике, так как условия в
Арктике зимой примерно такие, как в Антарктике летом*. На первый взгляд, это парадоксально, так как летом
Антарктика получает приблизительно на 7% больше солнечного тепла, чем Арктика
(Земля в своем вращении вокруг Солнца в июне находится в афелии, а в декабре в
перигелии). Объясняется это явление следующим. У Южного полюса существует
материк, самый высокий над уровнем моря из шести континентов Земли (средняя
высота Антарктики 2000 м, а следующая по высоте Азия – 900 м), при этом толщина материкового льда в Центральной части, вблизи геометрического центра
материка, составляет 3000-4000 м. Высота поверхности ледяного панциря в
Центральной Арктике, в акватории Северного Ледовитого океана, составляет всего
несколько метров и практически соответствует уровню моря. Благодаря разности
высот Антарктика в среднем должна быть холоднее Арктики на 130С (на
вершинах ледяных гор и того выше на 25-280С). Кроме того, Северный
Ледовитый океан свободно сообщается с Атлантическим океаном на обширном
пространстве между северной частью Европы и Гренландией. Мощные потоки теплой
воды Атлантики проникают подо льды Северного Ледовитого океана, смягчая климат
Арктики. Не менее важно то, что в Северный Ледовитый океан впадают крупнейшие
реки Северной Америки и Евразии, неся дополнительное тепло в Арктику.
Температура воды в Северном Ледовитом океане зимой подо льдом примерно -10С
(при солености 30 %), а на глубине более 100 м – около 10 С.
Важную роль в тепловом режиме планеты и стоке рек
играет сезонный снежный покров, который в среднем занимает свыше 40 млн. км2.
Среди малых по массе составляющих гидросферы это, прежде всего, воды озер,
суммарная масса которых оценивается в 2,8×1020
г.* Площадь всех
озер (соленых и пресных) на нашей планете несколько больше 2 млн. км2.
К крупнейшим озерам мира относится Каспийское море, площадь которого составляет
371 тыс. км2. Наибольшее скопление крупных озер находится в Северной
Америке, где в областях древнего оледенения и тектонических разломов земной
коры образовались Великие озера. Самое крупное пресноводное озеро в мире с
площадью 82,1 тыс. км2 – озеро Верхнее. Но по объему воды (11,6 тыс.
км3) и максимальной глубине (406 м) озеро Верхнее уступает Байкалу (24,0 тыс. км3 и 1741 м) и Танганьике (18,9 тыс. км3 и 1435 м). Далее по величине площади следуют озеро Виктория в Африке – 69,0 тыс. км2 и
печально-трагической судьбы Аральское море – 51,0 тыс. км2 . Самое
крупное в Европе Ладожское озеро имеет площадь 17,7 тыс. км2 ,
наибольшую глубину 230 м, затем Онежское озеро – 9,7 тыс. км2. Самые
глубокие озера мира – Байкал с глубиной 1741 м. и Танганьика в Африке – 1435 м. По солености озера весьма разнообразны, а по концентрации растворенных веществ
они ближе к подземным водам, чем к океану. Самым соленым озером считается озеро
Виктория в Африке, вода в котором превосходит океанскую по солености в 11 раз,
а озеро Балхаш в Казахстане отличается редким качеством, западная часть озера
пресная, а восточная солоноватая.
Воды озер содержат разные газы, вместе с атмосферным
кислородом, азотом, углекислым газом имеется сероводород, метан и другие газы.
В нашей стране насчитывается 2,85 млн. озер: с
площадью поверхности от 100 до 1000 км2 – 131 озеро, с площадью
более 1000 км2 – 27 озер и с площадью от 1 до 100 км2 –
около 50 тыс. озер.
Болота – малая составляющая гидросферы,
характеризующаяся специфическим подбором растительности, приспособленной к
повышенной увлажненности и недостатку кислорода в воде. Общая площадь болот и
увлажненных земель - около 3 млн. км2, из которых на территорию
нашей страны приходится до 2 млн. км2. Масса воды в болотах
приблизительно оценивается равной 1×1020
г.
Почвенные воды гидросферы обеспечивают влагой
растительный покров и внутрипочвенные организмы. По данным ученого-гидролога
М.И.Львовича, масса почвенной воды составляет 1,0-0,8×1013г.
Реки мира в отличие от других составляющих гидросферы
весьма разнообразны по своим характеристикам. Такие великаны, как Нил и
Амазонка (длиной более 6 тыс. км каждая) вместе взятые, имеют длину, почти
равную диаметру нашей планеты, за ними по длине следует Миссисипи с Миссури и
Янцзы. Однако по площади бассейна реки Обь с Иртышем уступают лишь двум рекам
мира – Амазонке и Миссисипи с Миссури, а по расходу воды в устье за этими двумя
гигантами следуют реки Конго – 41 тыс. м3/с, Янцзы – 34 тыс. м3/с
(табл.3.4).
Таблица
3.4
Десять крупнейших рек мира (по К.С.Лосеву)
Река
|
Длина, км
|
Площадь бассейна, тыс. км2
|
Расход воды в устье, м3/с
|
Континент
|
Амазонка
(с Мараньоном)
|
6437
|
6915
|
200000
|
Южная
Америка
|
Миссисипи
(с Миссури)
|
5971
|
3268
|
18000
|
Северная
Америка
|
Нил
|
6671
|
2870
|
3000
|
Африка
|
Янцзы
|
5800
|
1808
|
34000
|
Азия
|
Обь
(с Иртышем)
|
5410
|
2990
|
12800
|
Азия
|
Хуанхэ
|
4845
|
771
|
1500
|
Азия
|
Меконг
|
4500
|
810
|
14800
|
Азия
|
Амур
|
4444
|
1855
|
10900
|
Азия
|
Лена
|
4400
|
2490
|
16800
|
Азия
|
Конго
|
4370
|
3820
|
41000
|
Африка
|
Скорость
течения воды в реках разная: от 0,5-1,0 м/с на равнинах до 10 м/с в горных
потоках, а на водопадах и того выше.
Речные
воды, обычно пресные (за редким исключением, связанным с питанием рек
подземными солеными водами), на поверхности суши создают разнообразную речную
сеть. Так, крупных рек длиною более 1000 км на Земле более полусотни с общей протяженностью их русел 180 тыс. км. На территории нашей страны насчитывается
около 150 тыс. рек с длиной 10 км.
На
территории нашей страны размещение водных ресурсов крайне неравномерно, более
4/5 всего речного стока приходится на бассейны крупнейших рек Сибири и Дальнего
Востока – Оби, Енисея, Лены, Амура и др., тогда как наиболее заселенная часть
Европейской России, а также засушливые районы Средней Азии и Казахстана имеют
сравнительно небольшие ресурсы вод.
Однако с помощью косвенных методов гидрологами
подсчитано, что в руслах всех рек мира (при среднем уровне воды) одновременно
сосредоточено около 2120 км3 воды. Ежегодно реки выносят в океан
свыше 45 тыс. км3 воды. Это относительно небольшой объем,
составляющий около двух объемов вод Байкала или Великих Американских озер.
Распределение речных вод по континентам весьма неравномерно. Так, в Европе и
Азии, где проживает около 70% населения мира, сосредоточено лишь 39% мирового
запаса речной воды.
Пресные
источники на протяжении длительного исторического периода вполне удовлетворяли
потребности человеческого общества в питьевой воде. Однако во второй половине
ХХ в. быстрый рост населения и развитие научно-технического прогресса привели к
резкому росту потребления пресной воды. В результате возникла острая проблема
нехватки пресной воды в большинстве развитых промышленных районов многих стран
мира. Огромное количество воды расходуется на промышленные нужды в различных
отраслях – на земледелие, энергетические комплексы, бытовые нужды и т.д.
Недостаток пресной воды уже сейчас испытывает более 1/3 населения планеты.
Пресная вода стала предметом экспорта (примеры: Гонконг, транспортирующий воду
из Китая, целая страна Алжир, живущая на привозной воде и т.д.). Несомненно,
что расход пресной воды на самые разнообразные нужды человечества будет
возрастать и в дальнейшем, поэтому вода в наше время является самым драгоценным
сырьем. В этой связи чрезвычайно важной проблемой человеческого общества в
целом является сохранение водных ресурсов от загрязнения.
Наименьшее
количество воды на поверхности планеты находится в реках, именно эта вода
наиболее важна для человека.
* В разных литературных
источниках эти данные составляют от 96,5 до 97,2%, незначительные отклонения
встречаются и по данным объемов вод, составляющих гидросферу, например, в
списке литературных работ см. Г.В.Стадницкого и др.
* МГГ (1957-1958) -
Международный геофизический год, когда было привлечено внимание к отдаленному
антарктическому континенту. Одним из важнейших документов МГГ стал
международный договор, ратифицированный в 1959 г. шестью государствами, который провозгласил Антарктиду немилитаризованной зоной, сохраняемой
для научных исследований 90 лет.
* Самая
высокая среднегодовая температура воздуха на Земле составляет 310С в
Лу, в Сомали, а самая низкая -55,60С на станции Восток в Антарктиде.
Самая высокая температура воздуха, 580 и 57,80С, отмечена
в Мексике, в Сан-Луис-Потоси (11 авг. 1933г.) и в Северной Африке, в Ливии, в
Эль-Азизии (близ г. Триполи). Полюсом холода считается станция Оймякон в
Якутии, где зарегистрирована температура воздуха -77,80С (1938 г.). На станции Восток, в Антарктиде, в 1982 г. была зафиксирована температура -89,20С,
но этот результат не засчитан рекордным, так как станция Восток расположена на
высоте 3480 м над уровнем моря, в отличие от метеорологических исследований на
уровне моря, при которых самая низкая температура отмечена в Оймяконе.
* По комплексному индексу
Бодмана, учитывающему и температуру, и ветер.
* Доктор географических наук
К.С.Лосев приводит также и другие оценки массы воды озер: 7,5×1020 г и 1,76×1020 г.
|