Тема 7. Материковые воды

1. Мировой круговорот и баланс воды

2. Подземные воды

3. Реки

4. Озера

5. Болота

6. Ледники

1. Мировой круговорот и баланс воды. Гидросфера или водная оболочка Земли состоит из Мирового океана и вод суши. Общий объем гидросферы примерно равен 1400 млн. км ³, причем главная масса воды, - 96, 5 %, - приходится на воды Мирового океана. На долю материковых вод приходится лишь 3, 5%, из которых 1, 6 % содержится в виде льда и 1, 5 % находится в жидком состоянии (реки, озера, подземные воды). Остальной объем водной оболочки Земли, или гидросферы, находится в связанном состоянии в земной коре, в живых организмах и в атмосфере (примерно 0, 3 %).

Мировой круговорот воды - это процесс непрерывного перемещения воды под воздействием солнечной энергии и силы тяжести, охватывающий гидросферу, атмосферу, литосферу и живые организмы. С земной поверхности под действием солнечного тепла вода испаряется, причем большая ее часть (около 86%) испаряется с поверхности Мирового океана. Попадая в атмосферу, водяные пары при охлаждении конденсируются, и под действием силы тяжести вода возвращается на земную поверхность в виде осадков. Значительное количество осадков выпадает снова в океан. Круговорот воды, в котором принимают участие только океан и атмосфера, называется малым, или океаническим, круговоротом воды. В мировом, или большом, круговороте воды участвует суша: испарение воды с поверхности океана и суши, перенос водяных паров с океана на сушу, конденсация паров, образование облаков и выпадение осадков на поверхность океана и суши. Далее - поверхностный и подземный сток вод суши в океан (рис.1). Таким образом, круговорот воды, в котором кроме океана и атмосферы принимает участие и суша, называется мировым круговоротом воды.

Рис.1. Мировой круговорот воды

В процессе мирового круговорота воды происходит постепенное ее обновление во всех частях гидросферы. Так, подземные воды обновляются за сотни тысяч - сотни миллионов лет; ледники за 8-500 тыс. лет; воды Мирового океана - за 2, 5-3 тыс. лет; замкнутые, бессточные озера - за 200-300 лет, проточные - за несколько лет; реки - за 12-14 суток; вода в организме человека - за 10 суток; водяной пар атмосферы - за 8 суток. Мировой круговорот воды связывает все внешние оболочки Земли и организмы.

В современных схемах баланса воды на Земле объем испарившейся над океанами и морями воды многими исследователями считается равным объему вод, вернувшихся в Мировой океан с осадками, речным и поверхностным стоком, таянием ледников.

Современный баланс воды на поверхности Земли можно представить в виде схемы, представленной на рис.2.

Рис. 2. Схема водного баланса Земли

2. Подземные воды. Воды суши - это часть водной оболочки Земли. К ним относятся подземные воды, реки, озера, болота и ледники. Воды суши заключают всего 3, 5 % общих мировых запасов воды. Из них только 2, 5 % составляют пресные воды.

Подземные воды - это воды, находящиеся в верхней части земной коры (до глубины 12-16 км) в жидком, твердом и парообразном состояниях. Основная масса их образуется вследствие просачивания с поверхности дождевых, талых и речных вод. Подземные воды постоянно перемещаются как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Глубина их залегания, направление и интенсивность движения зависят от водопроницаемости пород. К водопроницаемым породам относят галечники, пески, гравий. К водонепроницаемым (водоупорным), практически не пропускающим воду - глины, плотные без трещин горные породы, мерзлые грунты. Слой горной породы, в котором заключена вода, называется водоносным. По условиям залегания подземные воды подразделяют на три вида: почвенные, находящиеся в самом верхнем, почвенном слое; грунтовые, залегающие на первом от поверхности постоянном водоупорном слое; межпластовые, находящиеся между двумя водоупорными пластами. Грунтовые воды питаются просочившимися атмосферными осадками, водами рек, озер, водохранилищ. Уровень грунтовых вод колеблется по сезонам года и различен в разных зонах. Так, в тундре он практически совпадает с поверхностью, в пустынях находится на глубине 60-100 м. Распространены они почти повсеместно, не обладают напором, перемещаются медленно (в крупнозернистых песках, например, со скоростью 1, 5-2, 0 м в сутки). Химический состав подземных вод неодинаков и зависит от растворяемости прилегающих пород. По химическому составу различают пресные (до 1 г солей на 1 л воды) и минерализованные (до 50 г солей на 1 л воды) подземные воды. Естественные выходы подземных вод на земную поверхность называется источниками (родниками, ключами). Они образуются обычно в пониженных местах, где земную поверхность пересекают водоносные горизонты. Источники бывают холодными (с температурой воды не выше 20 °С, теплыми (от 20 до 37 °С) и горячими, или термальными (свыше 37 °С). Периодически фонтанирующие горячие источники называются гейзерами. Они находятся в областях недавнего или современного вулканизма (Исландия, Камчатка, Новая Зеландия, Япония). Воды минеральных источников содержат разнообразные химические элементы и могут быть углекислыми, щелочными, соляными и т.д. Многие из них имеют лечебное значение. Подземные воды пополняют колодцы, реки, озера, болота; растворяют различные вещества в породах и переносят их; вызывают оползни, заболачивание. Они обеспечивают растения влагой и население питьевой водой. Источники дают наиболее чистую воду. Водяной пар и горячая вода гейзеров служат для отопления зданий, теплиц и энергетических установок. Запасы подземных вод очень велики - 1, 7 % от общей массы гидросферы Земли, но возобновляются крайне медленно, и это необходимо учитывать при их расходовании. Не менее важна и охрана подземных вод от загрязнений.

3. Реки. Река - это естественный водный поток, текущий по одному и тому же месту постоянно или с перерывами в сухой сезон (пересыхающие реки). Место начала реки называется ее истоком. Истоком могут служить озера, болота, источники, ледники. Место впадения реки в море, озеро или другую реку называется устьем. Река, впадающая в другую реку, называется притоком. Устья рек могут быть дельтами и эстуариями. Дельты возникают на мелководных участках моря или озера в результате накопления речных отложений, в плане они имеют форму треугольника. Русло реки здесь ветвится на множество рукавов и проток, располагающихся обычно веерообразно. Эстуарии – это однорукавные, воронкообразные устья рек, расширяющиеся в сторону моря (устья Темзы, Сены, Конго, Оби). Обычно прилегающая к эстуарии часть моря имеет большие глубины, а речные наносы удаляются морскими течениями. Эстуарии рек образуются в местах заметных приливно-отливных явлений. Немноговодные пустынные реки иногда оканчиваются слепыми устьями, т.е. не доходят до водоема (Мургаб, Теджент, Куперс-Крик).

Главная река со всеми притоками образует речную систему. Территория, с которой река собирает поверхностные и подземные воды, называется бассейном. У каждой реки свой бассейн. Крупнейшие бассейны имеют реки Амазонка (более 7 млн. км 2), Конго (около 4 млн. км 2), в России - Обь (около 3 млн. км 2). Граница между бассейнами рек называется водоразделом. Текучая вода реки за длительное время вырабатывает длинные и сложные речные долины. Речная долина – это вогнутая (отрицательная) извилистая форма рельефа, которая тянется от истока до устья и имеет уклон в сторону устья. Она состоит из русла, поймы, надпойменных террас. Русло - углубление в речной долине, по которому постоянно текут воды реки. Пойма - часть речной долины, которая заполняется водой в период половодья. Над поймой обычно поднимаются склоны долины, часто ступенчатой формы. Эти ступени называются террасами. Они возникают в результате размывающей деятельности (эрозии) реки. Речное русло в плане обычно имеет извилистую форму и характеризуется чередованием более глубоких участков (плесов) с более мелкими (перекатами). Извилины реки называются излучинами, или меандрами, линии наибольших глубин - фарватером. Важными количественными характеристиками реки служат ее падение, уклон, скорость течения, расход и сток. Падение реки - превышение ее истока над устьем (разность высот двух пунктов). Уклон русла - отношение падения к длине реки. К примеру, высота истока Волги 226 м, устья -28 м, длина 3530 км. Тогда ее уклон будет равен: 226 - (-28) / 3530 = =7, 2 см/км. Так же вычисляются падения и уклоны отдельных участков реки, если известны их высота и длина. Падение и уклон, как правило, уменьшаются от истоков к устью, от их величины зависит скорость течения, они характеризуют энергию потока. Каждая река имеет верхнее, среднее и нижнее течения. Верхнее течение отличается значительными уклонами и большой размывающей деятельностью, нижнее - наибольшей массой воды и меньшей скоростью. Скорость течения водного потока измеряется в метрах в секунду (м/с) и неодинакова в различных ее частях. Она последовательно увеличивается от дна и стенок русла к средней части потока. Измеряется скорость различными способами, например, гидрологическими поплавками или гидрометрическими вертушками. Водный режим реки характеризуется расходом воды и стоком. Расход - это количество воды, проходящее по руслу реки в одну секунду, или объем воды, протекающий через поперечное сечение потока в единицу времени. Обычно расход выражается в кубических метрах в секунду (м³/с). Он равен площади поперечного сечения потока умноженной на среднюю скорость течения. Расход воды за длительное время - месяц, сезон, год - называется стоком. Количество воды, которое несут реки в среднем за год, называется водоносностью.

Самая многоводная река земного шара - Амазонка. Ее средний расход - 20 тыс. м³/с, годовой сток около 7 тыс. км³. В нижнем течении ширина Амазонки в некоторых местах доходит до 80 км. На втором месте по водности стоит р.Конго (расход - 46 тыс. м³/с), затем Ганг, Янцзы. В России наиболее многоводные реки Енисей (расход 19, 8 тыс. м³/с) и Лена (17 тыс. м³/с). Самая длинная река в мира - Нил (с Кагерой) - 6671 км, в России - Амур (с Аргунью) - 4440 км. Реки в зависимости от рельефа разделяются на две большие группы: равнинные и горные. Многие реки в верховьях - горные, в среднем и нижнем течении - равнинные. Участки рек с бурным течением, приуроченные к местам выходов на поверхность трудноразмываемых пород, носят название порогов. Падение воды с отвесного уступа в русле реки называется водопадом. Самый высокий водопад на Земле - Анхель (1054 м) на р.Карони (приток Ориноко, Ю.Америка); водопад Виктория на р.Замбези (Африка) имеет высоту 120 м, а ширину – 1800 м.

Значительную часть водного потока составляют растворенные соли и твердые вещества. Весь переносимый рекой твердый материал называют твердым стоком. Выражают его массой или объемом материала, который переносит река за определенное время (сезон, год). От объема твердого стока зависит мутность воды, которая измеряется в граммах вещества, содержащегося в 1 м³ воды. На равнинах мутность речных вод наименьшая в лесной зоне (в тайге - до 20 г/м³), а наибольшая - в степной (500 - 1000 г/м³).

Важнейшей характеристикой рек является их питание. Выделяются четыре источника питания: снеговое, дождевое, ледниковое, подземное, смешанное. Роль каждого из них в разные сезоны года и в разных местах неодинакова. Большинство рек имеет смешанное питание. Дождевое характерно для рек экваториальных, тропических и муссонных областей. Снеговое питание отмечается у рек умеренных широт с холодными, снежными зимами. Ледниковое питание получают реки, начинающиеся в высоких, покрытых ледниками горах. Почти все реки в той или иной мере питаются подземными водами. Благодаря им реки не пересыхают летом и не иссякают подо льдом. От питания в значительной мере зависит режим рек. Режим рек - это изменение величины расхода воды по сезонам года, колебание уровня, изменение температуры воды. В годовом водном режиме рек выделяются периоды с типично повторяющимися уровнями, которые называются меженью, половодьем, паводком. Межень - наиболее низкий уровень воды в реке. В межени расход и сток рек незначительны, главный источник питания - подземные воды. В умеренных и высоких широтах бывает летняя и зимняя межень. Летняя межень наступает в результате поглощения осадков почвой и сильного испарения, зимняя межень - в результате отсутствия поверхностного питания. Половодье - высокий и длительный подъем уровня воды в реке, сопровождающийся затоплением поймы. Наблюдается ежегодно в один и тот же сезон. В половодье реки имеют наибольшую водность, на этот период приходится большая часть годового стока (до 60-80%). Половодья вызываются весенним таянием снега на равнинах или летним таянием снега и льда в горах и в полярных областях. Нередко половодья вызывают длительные и обильные дожди в теплый период года. Паводок - быстрое, но кратковременное поднятие уровня воды в реке. В отличие от половодья паводок возникает нерегулярно. Образуется обычно от дождей, иногда от быстрого таяния снега или сбросов воды из водохранилищ. Вниз по реке паводок распространяется волной, которая постепенно затухает. Наводнения - наиболее высокие подъемы воды, затопляющие местности, расположенные в речной долине, и прилегающие низинные территории. Наводнения образуются в результате обильного притока воды в период снеготаяния или ливней, а также вследствие загромождения русла льдом в период ледохода. В Калининградской области (р.Преголя) и Санкт-Петербург (р.Нева) они связаны также с ветровым нагоном воды со стороны моря и подпора речного потока. Наводнения часты на реках Дальнего Востока (муссонные дожди), на Миссисипи, Огайо, Дунае, Ганге и др. Они причиняют большой вред. Реки холодных и умеренных широт в холодный период года замерзают и покрываются льдом. Мощность ледяного покрова может достигать 2 м и более. Однако некоторые участки рек не замерзают, например, на мелком участке с быстрым течением, или при выходе рек из глубокого озера, или на месте большого количества источников. Эти участки называются полыньями. Вскрытие реки весной, при котором наблюдается движение разломанных льдин вниз по течению реки, называется ледоходом. Ледоход нередко сопровождается заторами и зажорами. Заторы - скопление плывущего льда, вызванное какими-либо препятствиями. Зажоры - скопление внутриводного льда. Те и другие вызывают резкий подъем уровня воды, а при прорыве - быстрое ее движение вместе со льдом.

4. Озера. Озеро - это замкнутое углубление суши, заполненное водой и не имеющее непосредственной связи с океаном. В отличие от рек озера - водоемы замедленного водообмена. Общая площадь озер Земли около 2, 7 млн. км², или около 1, 8 % поверхности суши. Озера распространены повсеместно, но неравномерно. На географическое размещение озер большое влияние оказывает климат, обусловливающий их питание и испаряемость, а также факторы, содействующие образованию озерных котловин. В районах с влажным климатом озер много, они полноводны, пресны и в основном проточные. В районах с сухим климатом при прочих равных условиях озер меньше, зачастую они маловодны, чаще бессточные, а в связи с этим нередко соленые. Таким образом, распределение озер и их гидрохимические особенности обусловлены географической зональностью.

Самое крупное озеро - Каспийское (площадь 368 тыс. км 2). Крупнейшими являются также озера Верхнее, Гурон и Мичиган (Сев. Америка), Виктория (Африка), Аральское (Евразия). Самыми глубокими являются Байкал (Евразия) - 1620 м и Танганьика (Африка) - 1470 м.

Озера принято классифицировать по четырем признакам:

• происхождение озерных котловин;
• происхождение водной массы;
• водный режим;
• соленость (количество растворенных веществ).

По происхождению озерных котловин озера подразделяются на пять групп.

1. Тектонические озерные котловины образуются в результате образования трещин, разломов и опусканий земной коры. Они отличаются большой глубиной и крутизной склонов (Байкал, Великие Североамериканские и Африканские озера, Виннипег, Большое Невольничье, Мертвое море, Чад, Эйр, Титикака, Поопо и др.).

2. Вулканические, которые образуются в кратерах вулканов или в понижениях лавовых полей (Курильское и Кроноцкое на Камчатке, многие озера о.Явы и Новой Зеландии).

3. Ледниковые озерные котловины образуются в связи с выпахивающей деятельностью ледников (размывом) и скоплением вод перед ледниковыми формами рельефа, когда ледник при таянии отлагал переносимый материал, образуя холмы, гряды, возвышенности и понижения. Эти озера обычно узкие и длинные, сориентированные по линиям таяния ледника (озера Финляндии, Карелии (Онежское, Ладожское, Чудское), Альп, Урала, Кавказа и др.).

4. Карстовые озера, котловины которых возникали в результате провалов, просадок почвы и размыва горных пород (известняки, гипсы, доломиты). Растворение этих пород водой приводит к образованию глубоких, но незначительных по площади озерных котловин.

5. Запрудные (завальные, или плотинные) озера возникают в результате преграждения русла (долины) реки глыбами пород при обвалах в горах (о.Севан, Тана, многие озера Альп, Гималаев и других горных стран). От большого горного обвала на Памире в 1911 г. образовалось Сарезское озеро глубиной 505 м.

Ряд озер образован иными причинами:

· лиманные озера распространены на берегах морей - это прибрежные участки моря, обособившиеся от него посредством прибрежных кос;

· озера-старицы - озера, возникшие в старых руслах рек.

По происхождению водной массы озера бывают двух типов.

1. Атмосферные - э то озера, которые никогда не были частью Мирового океана. Такие озера на Земле преобладают.

2. Реликтовые, или остаточные, озера, которые появились на месте отступивших морей (Каспийское, Аральское, Ладожское, Онежское, Ильмень и др.). В недалеком прошлом Каспийское море соединялось с Азовским морем проливом, существовавшим на месте нынешней долины реки Маныч.

По водному режиму также выделяют два типа озер - сточные и бесточные.

1. Сточные озера - это озера, в которые впадают и из которых вытекают реки (озера имеют сток). Эти озера находятся чаще всего в зоне избыточного увлажнения.

2. Бессточные - в которые реки впадают, но ни одна не вытекает (озера не имеют стока). Такие озера находятся преимущественно в зоне недостаточного увлажнения.

По количеству растворенных веществ выделяется четыре типа озер: пресные, соленые, солоноватые и минеральные.

1. Пресные озера - соленость которых не превышает 1 ‰ (одной промилле).

2. Солоноватые - соленость таких озер до 24 ‰.

3. Соленые - с содержанием растворенных веществ в пределах 24, 7-47 ‰.

4. Минеральные (более 47 ‰). Эти озера бывают содовыми, сульфатными, хлоридными. В минеральных озерах соли могут выпадать в осадок. Например, самосадочные озера Эльтон и Баскунчак, где добывается соль.

Обычно сточные озера пресные, так как вода в них непрерывно обновляется. Бессточные озера чаще бывают солеными, потому что в расходе воды у них преобладает испарение, а все минеральные вещества остаются в водоеме.

Озера, как и реки, - важнейшие природные ресурсы; используются человеком для судоходства, водоснабжения, рыболовства, орошения, получения минеральных солей и химических элементов. В отдельных местах небольшие озера нередко искусственно создаются человеком. Тогда их также называют водохранилищами.

5. Болота. В результате накопления наносов и зарастания озера постепенно мелеют, а затем превращаются в болота и становятся сушей.

Болота – это избыточно увлажненные участки суши со своеобразной болотной растительностью и слоем торфа не менее 0, 3 м мощности. При меньшей мощности торфа или его отсутствии избыточно увлажненные территории называются заболоченными землями. Болота формируются при зарастании водоемов или застое воды в лесах, на лугах, вырубках, гарях и т.п. Они могут возникать как в пониженных участках рельефа, так и на водоразделах. Развитию болот способствуют равнинный и слабо расчлененный рельеф, избыточное увлажнение, водонепроницаемость грунтов, близкое расположение грунтовых вод, а также многолетняя мерзлота. Болота развиваются в разных климатических условиях, но особенно характерны для лесной зоны умеренного пояса и тундр. На их долю в Полесье приходится 28 %, в Карелии - около 30 %, а в Западной Сибири (Всюганье) - свыше 50 % территории. Резко уменьшается заболоченность в степных и лесостепных зонах, где меньше осадков, а испаряемость усиливается. Общая площадь, занимаемая болотами, составляет около 2 % площади суши.

По характеру водного питания и растительности болота делятся на три типа: низинные, верховые и переходные.

Низинные болота образуются на месте бывших озер, в долинах рек и в понижениях, которые постоянно или временно затапливаются водой. Питаются они преимущественно грунтовыми водами, богатыми минеральными солями. В растительном покрове господствуют зеленые мхи, различные осоки и злаки. На более старых болотах появляются береза, ольха, ивы. Эти болота отличаются слабой заторфованностью - мощность торфа не превышает 1-1, 5 метров.

Верховые болота формируются на плоских водоразделах, питаются в основном атмосферными осадками, для растительности характерен ограниченный видовой состав - сфагновые мхи, пушица, багульник, клюква, вереск, а из древесных пород - сосна, береза, реже кедр и лиственница. Деревья сильно угнетены и низкорослы. Сфагновый мох лучше произрастает в середине болотного массива, на окраинах он угнетается минерализованными водами. Поэтому верховые болота несколько выпуклые, их середина возвышается на 3-4 м. Торфяной слой достигает толщины 6-10 м и более.

Переходные болота занимают промежуточное положение, по характеру питания и растительности являются смешанными. Они имеют грунтовое и атмосферное питание. Здесь встречаются осока и камыши, много торфяных мхов, заросли берез и т.д.

В Белгородской области встречаются низинные болота. Болото переходного типа под названием «Моховое» находится на поверхности надпойменной террасы р. Ворскла в Грайворонском районе. По его берегам встречается клюква.

Болота не остаются неизменными. Наиболее характерный процесс - смена низинных болот в результате накопления растительной массы и торфа переходными, а затем верховыми. Верховые болота зарастают луговой или лесной растительностью.

Болота имеют большое значение. В них добывается торф, который используется как экологически чистое топливо и удобрение, а также для получения ряда химических веществ. После осушения болота превращаются в высокоурожайные поля и луга. Но вместе с тем болота влияют на климат прилегающих мест, являются природными резервуарами воды, которые часто питают реки.

6. Ледники. Ледник - движущиеся массы льда, возникшие на суше в результате накопления и постепенного преобразования твердых атмосферных осадков. Образование их возможно там, где в течение года твердых осадков выпадает больше, чем успевает растаять или испариться. Граница, выше которой возможно накопление снега (преобладание отрицательных температур в течение года), называется снеговой линией. Ниже снеговой линии преобладают положительные температуры и весь выпавший снег успевает растаять. Высота снеговой линии зависит от климатических условий, на экваторе она расположена на высоте 5 км, в тропиках - 6 км, а в полярных районах опускается до уровня океана.

В леднике выделяют области питания и стока. В области питания снег, накапливаясь, образует лед. В области стока происходит таяние ледника и осуществляется его разгрузка механическим путем (отрывы, обвалы, сползание в море). Положение нижнего края ледника может изменяться, он наступает или отступает. Ледники движутся медленно, от 20 до 80 см в сутки, или 100-300 м в год в горных странах. Полярные ледники (Гренландия, Антарктида) движутся еще медленнее - от 3 до 30 см в сутки (10-130 м в год).

Ледники делятся на материковые (покровные) и горные. Материковые (Гренландия, Антарктида и др.) занимают 98, 5% площади современного оледенения, покрывают поверхность суши независимо от ее рельефа. Они имеют плоско-выпуклую форму в виде куполов или щитов, поэтому и называются ледяными щитами. Движение льда направленно по уклону поверхности ледника - от центра к периферии. Лед материковых ледников расходуется главным образом за счет обламывания его концов, спускающихся в море. В результате образуются плавающие ледяные горы - айсберги, которые чрезвычайно опасны для мореплавания. Пример материкового (покровного) оледенения - ледяной покров Антарктиды. Его мощность достигает 4 км при средней толщине 1, 5 км. Горные ледники отличаются значительно меньшими размерами и многообразием форм. Они расположены на вершинах гор, занимают долины и понижения на склонах гор. Горные ледники расположены на всех широтах: от экватора до полярных островов. Формы ледника предопределяются рельефом, но наибольшее распространение имеют долинные горные ледники. Самые крупные горные ледники находятся на Аляске и Гималаях, Гиндукуше, на Памире и Тянь-Шане.

Общая площадь ледников на Земле около 16, 1 млн. км 2, или 11 % суши (преимущественно в полярных широтах). Ледники - огромные природные кладовые пресных вод. В них сосредоточено во много раз больше пресной воды, чем в реках и озерах вместе взятых.