Круговорот воды в природе

Вода обладает уникальными свойствами, делающими ее незаменимым фактором, участвующим во всех природных процессах, включая и жизнь. Она обладает довольно большой плотностью, малой вязкостью, хорошей растворяющей способностью, высокой теплоемкостью и теплопроводностью, большой скрытой теплотой парообразования и плавления, молекулы воды имеют малые размеры. Вода является непременным участником фотосинтеза - единственного природного процесса, обеспечивающего жизнь на Земле. Она играет большую термостатирующую роль, являясь высокоподвижной, переносит громадное количество растворенных веществ, в том числе своим током обес-

- 25 -

печивает растения элементами питания.

Количественно влагооборот можно описать балансом влаги, т.е. равенством приходных, расходных составляющих влагооборота и изменения запасов. При составлении баланса влаги непременно нужно оговорить объем тела, для которого составляется баланс (озеро, объем почвы, бассейн подземных вод); указать временной интервал, для которого составляется баланс. Часто для общей характеристики влагооборота используют установившиеся среднемноголетние показатели, тогда изменение запасов влаги с начала и до конца года можно не учитывать. А вот если, например, составлять баланс влаги за лето, то обязательно нужно учитывать разные запасы влаги на его начало и конец. Статьи водного баланса и его запасы измеряют для определенной территории в кубических метрах, иногда кубических километрах; для единицы площади - в миллиметрах слоя воды или в м³/га. Структура водного баланса зависит от степени открытости геосистемы, выраженности тех или иных составляющих влагооборота.

Наиболее простая структура водного баланса всей планеты Земля, которая не обменивается водой с окружающей Вселенной. Среднемноголетний баланс здесь выглядит так: испарение с поверхности океанов и суши, составляющее 577 тыс. км³, равно атмосферным осадкам. С учетом площади поверхности Земли слои осадков и испарения равны и составляют 1130 мм. Отметим, что суммарные запасы всех вод на Земле, равные 1,4 млрд. км³, гораздо больше вовлеченных в круговорот. Из всех запасов 96,5% - соленые воды океанов и морей. Запасов пресных вод на суше всего 35 млн. км³, из которых 2/3 сосредоточено в ледниках и снежном покрове Антарктиды и Арктики.

Водный баланс суши помимо осадков и испарения добавляется еще одной статьей - поверхностным и подземным стоком в мировой океан: осадки - 119 тыс. км³ или с учетом площади суши - 800 мм, испарение, соответственно, 72 тыс. км³ или 485 мм, сток - 47 тыс. км³ или 315 мм. Для мирового океана добавляется приток с суши и баланс выглядит так: осадки - 458 тыс. км³ или 1270 мм, испарение - 505 тыс. км³ или 1400 мм, приток с суши - 47 тыс. км³

или 130 мм. Структура водного баланса отдельных участков суши зависит от их широтного расположения и удаленности от океанов (степени континентальности). Составляющие среднемноголетнего водного баланса (мм/год) для некоторых ландшафтов равны:

Ландшафты Осадки Испарение Сток

Тундровые восточноевропейские 500 200 300

Среднетаежные восточноевропейские 650 350 300

Южнотаежные восточноевропейские 675 400 275

Широколиственные западноевропейские 750 525 225

Широколиственные восточноевропейские 650 510 130

Лесостепные восточноевропейские 600 510 90

Лесостепные западносибирские 425 310 115

Степные восточноевропейские 550 480 70

- 26 -

Полупустынные казахстанские 250 245 5

Пустынные туранские 150 150 0

Субтропические влажные восточноазиатские 1600 800 800

Пустынные тропические североафриканские 10 10 0

Саванновые типичные североафриканские 750 675 75

Саванновые влажные североафриканские 1200 960 240

Влажные экваториальные центральноафриканские 1800 1200 600

Влажные экваториальные амазонские 2500 1250 1250

Обращает на себя внимание очень сильная вариация годовых сумм осадков по сравнению со средней для всей суши. Испарение во влажных холодных ландшафтах ограничивается недостатком тепла, а в засушливых - недостатком влаги. Помимо испарения используется понятие испаряемость - количество влаги, которое может испариться, исходя из тепловых ресурсов местности при неограниченном количестве осадков, идущих на увлажнение почвы. Орошение в засушливых районах существенно увеличивает испарение, доводя его до испаряемости.

Помимо общего водного баланса территории для понимания природных процессов и решения важных практических задач необходимо составлять частные балансы для поверхностных, почвенных, подземных безнапорных и напорных вод. Эти частные балансы позволяют оценить влагообмен между отдельными природными телами, что, например, нужно при описании передвижения загрязняющих веществ.

Влага, выпадающая на поверхность суши, идет частично на увлажнение листьев и испаряется с них, не доходя до поверхности почвы. При сильных осадках или при таянии снега часть воды не успевает впитаться и стекает в реки, доля поверхностного стока на влажных территориях может превышать половину суммы осадков. Впитавшаяся влага в основном расходуется на транспирацию растениями, которые используют очень много воды для производства единицы фитомассы: в среднем для естественного растительного по-

крова на 1 кг сухой фитомассы расходуется 400 кг воды. Сельскохозяйственные растения тратят еще больше воды: для производства 1 кг продукции, т.е. полезной фитомассы, зерновым культурам надо 900 - 1200 кг воды, овощам - 200 - 250 кг, картофелю - около 180 кг, хлопчатнику- 1500 - 2000 кг, а самой влаголюбивой культуре - рису, растущему под слоем воды - 3500 - 4500 кг воды.

Некоторая часть воды испаряется с поверхности почвы в зависимости от ее влажности и затененности растениями, оставшаяся часть просачивается вглубь, питая подземные воды, хотя на подтопленных территориях подземные воды за счет капиллярных сил могут подниматься вверх и потребляться корнями растений. В засушливых районах при высокой минерализации подзем-ных вод это приводит к засолению земель.

- 27 -

Структура водного баланса в широколиственном лесу, расположенном на водораздельной территории, для среднего года выглядит примерно так:

осадки 750 мм,

испарение с поверхности листьев 70 мм,

поступает на поверхность почвы 750-70=680 мм,

поверхностный сток 140 мм,

впитывается в почву 680-140=540 мм,

испарение с поверхности почвы 60 мм,

транспирация деревьями 400 мм,

просачивается вглубь 540-60-400=80 мм.

Заметим, что с данной территории возвращается в атмосферу 70+60+400=530 мм, т.е. существенно меньше, чем выпадает в виде осадков, следовательно, данная территория существует за счет постоянного притока воды извне.

Запишем частные балансы для поверхностных, почвенных, безнапорных и напорных подземных вод суши за некоторый промежуток времени, добавив искусственные, управляемые человеком статьи (орошение, дренаж):

DWпов = Ос - Ил - Ивп + Ппов - Спов - Вп + Ор;

DWпочв = Вп - Ип - Тр - g;

DWгр = g + Фк + Пгр - Сгр + Р - Др;

DWнп = -Р + Пн - Снп - Дрн;

где DWпов, DWпочв, DWгр, DWнп - изменение запасов поверхностных, почвенных, подземных безнапорных и напорных вод, соответственно;

Ос - атмосферные осадки;

Ил, Ивп, Ип, Тр - испарение с листьев, с водной поверхности, с почвы, транспирация растениями, соответственно;

Ппов, Пгр, Пн, Спов, Сгр, Снп - приток на балансовую территорию поверхностных, подземных безнапорных и напорных вод, а также отток этих вод с территории, соответственно;

Вп - впитывание влаги в почву;

g - просачивание (инфильтрация) части почвенной влаги в грунтовые воды;

иногда это может быть и капиллярное подпитывание, т.е. с обратным знаком;

P - напорное подпитывание со стороны глубже залегающих напорных подземных вод, которое также может быть и с обратным знаком, т.е. разгрузка безнапорных вод в напорный пласт при соответствующем соотношении напоров в этих пластах, особенно когда идет откачка воды из напорного пласта.

Искусственные статьи баланса: Ор - подача воды на орошение; Др - отвод безнапорных вод дренажем; Дрн - откачка напорных вод; Фк – питание грунтовых вод за счет фильтрации из каналов.

Человек также может регулировать приток и отток вод с территории. Таким образом, можно существенно изменять структуру водного баланса для повышения продуктивности территории, управлять потоками влаги при борь-

- 28 -

бе с загрязнением. Всегда надо иметь в виду, что статьи водного баланса взаимозависимы: например, изменение увлажненности территории путем орошения изменяет практически все другие статьи: испарение, инфильтрацию, поверхностный и подземный отток. Из этого следует одно важное обстоятельство: балансовые равенства надо дополнять уравнениями движения вод, позволяющими учесть указанную взаимозависимость.

Если сложить четыре приведенные балансовые равенства, то в них сократятся важные статьи: впитывание в почву, инфильтрация в грунтовые воды, взаимодействие между безнапорными и напорными подземными водами, что существенно обеднит анализ влагооборота.

Вместо балансовых равенств можно записывать уравнения баланса, в которых могут содержаться неизвестные трудноизмеряемые статьи, но при их вычислении надо иметь в виду, что неизвестная статья будет вычислена с ошибкой, равной сумме погрешностей измерения всех других статей и может превысить 100%.

Практически важно составление балансов поверхностных и подземных вод суши вместе с водами водотоков и водоемов - рек, водохранилищ, озер. В этом случае используют понятие речной бассейн, объединяющий водосборную площадь и реку со всеми ее притоками. Для такой территории в практическом плане составляют водохозяйственные балансы, где подробно расписываются все естественные составляющие: осадки, испарение, сток, инфильтрацию, а также водозабор поверхностных и подземных вод для разных нужд, объем возвратных вод. Такие расчеты нужны при принятии решений о водораспределении, пополнении запасов, недопущении загрязнения при сбросе вод потребителями и др.