Гидрология рек

1. Вода в географической оболочке — могучий химический деятель. Она растворяет горные породы, переносит взвешенные осадки, используется как исходный компонент — наряду с углекислым газом — для образования первичного органического вещества и биогенного кислорода.

Вода не только определяет функционирование географической оболочки, но и связывает её с  другими сферами Земли. Вода является важнейшим веществом всех живых организмов на Земле. Без воды невозможно существование живых организмов. В любом организме вода является средой, в которой происходят химические реакции, без которых не могут жить живые организмы. Фундаментальна роль воды в жизни клетки.

Важную роль в формировании природных территориальных  комплексов играют водные массы, представленные в каждом ландшафте закономерным сочетанием озер, болот, грунтовых и  поверхностных текучих вод. Основные свойства водных масс - режим, химический состав, минерализация, характер и продолжительность  водообмена - изменяются от одного ландшафта к другому и тесно связаны с их морфологической структурой. Особенно велико значение грунтовых вод, от которых зависит степень увлажнения и дренированность территории. Глубина залегания грунтовых вод, наличие или отсутствие связи их с атмосферными осадками влияют на структуру и характер фаций.

Вода является самым ценным и самым необходимым  веществом для жизнедеятельности  живых организмов. Предположительно, зарождение жизни на Земле произошло  в водной среде.

2. Почти ¾ поверхности нашей планеты занято океанами и морями. Твёрдой водой – снегом и льдом – покрыто 20% суши. Из общего количества воды на Земле, равного 1 млрд. 386 млн. кубических километров, 1 млрд. 338 млн. кубических километров приходится на долю солёных вод Мирового океана, и только 35 млн. кубических километров приходится на долю пресных вод. Всего количества океанической воды хватило бы на то, чтобы покрыть ею земной шар слоем более 2,5 километров. На каждого жителя Земли приблизительно приходится 0,33 кубических километров морской воды и 0,008 кубических километров пресной воды. Но трудность в том, что подавляющая часть пресной воды на Земле находится в таком состоянии, которое делает её труднодоступной для человека. Почти 70% пресных вод заключено в ледниковых покровах полярных стран и в горных ледниках, 30% - в водоносных слоях под землёй, а в руслах всех рек содержатся одновременно всего лишь 0,006% пресных вод.

Вода, находящаяся  во всех агрегатных состояниях, образует водную оболочку нашей планеты - гидросферу.

Так как вода содержится в литосфере, атмосфере  и в разных живых организмах, определить границы водной оболочки очень сложно. Кроме того, существуют два толкования понятия «гидросфера». Пары воды в  атмосфере называются рассеянной гидросферой, а подземные воды — погребенной  гидросферой. Известно, что во всех реках на нашей планете одновременный  объем воды невелик и составляет 1,2 тыс. км3. При этом русловые воды полностью  обновляются в среднем каждые 11 дней. Почти такая же активность водообмена свойственна рассеянной гидросфере. А вот подземным водам, водам полярных ледников иокеана для полного обновления требуются тысячелетия. Активность водообмена всей гидросферы составляет 2800 лет. Самая низкая активность водообмена у полярных ледников — 8000 лет.

 

 

3. Из общей площади земного шара Мировой океан занимает 71%, суша-29%. Мировой океан- водная оболочка земного шара.Часть суши, с которой реки несут воду в моря, соединенные с Мировым океаном называют областью внешнего стока (78%), а часть, с которой вода поступает в замкнутые, находящие на суше водоемы, не имеющие стока в океан- областью внутреннего стока (22%).Область внешнего стока разделяют на Тихоокеанско-Индийский (бассейны рек, впадающих в Тихий и Индийский окенаны) и Атлантико-Ледовитый склон. К Северному Ледовитому океану относится 14% площади суши, к Атлантическому- 35%, к Тихому-15%, к Индийскому-14%. В пределах Атлантико-Ледовитого склона протекают такие крупные реки: Амазонка, Миссисипи, Конго, Нил, Обь, Енисей, Лена. Крупнейшими реками Тихооакеанского –Индийского склона является Амур, Янцы, Ганг, Бранхапутра.

Общий объем  воды, заключенный в Мировом океане, равен 1338 млн.км3

Если объем  воды Мирового океана распределить равномерно на земной поверхности, то она окажется покрытой слоем воды глубиной 2600 м.

За счет притока  солнечной энергии с поверхности  океанов, морей, суши испаряется 577 тыс км3 воды в год, -458 тыс.км3 испарившейся с поверхности океанов снова возвращается снова в океан в виде осадков- малый круговорот.

Небольшая часть  воды из объем учавствующего в круговороте -9 тыс.км3 совершает круговорот в пределах бессточных областей. Особенностью влагообмена бессточных областей с Мировым океаном то, что вода из бессточных областей попадает в океан не путем непосредственного стока, а путем переноса ее в парообразном виде.

Чтобы испарить 577 тыс.км3 расходуется более 40% солнечной энергии. Для осуществления круговорота воды расходуется 22% всей достигающей земли солнечной энергии.

Количественное  выражение глобальный круговорот воды находит в водном балансе Земли - соотношении между количеством воды, поступающей на земную поверхность в виде осадков, и уходящей с нее за счет испарения в определенный интервал времени. Среднегодовые количество осадков и испарение взаимно уравновешивают друг друга и составляют 1030 мм, или 525·1012 м3.

На поверхность  Мирового океана выпадает 458·1012 м3 воды, что на 47·1012 м3 меньше испарившейся с него влаги. Эта разность переносится  на континенты и вместе с водой, испарившейся на суше, формирует атмосферные осадки (119·1012 м3). Часть выпавшей на суше влаги  снова вовлекается в испарение (72·1012 м3), другая часть формирует  сток (реки, ледники, подземные воды и др.), который направляется в  океан, компенсируя превышение атмосферных  осадков над испарением. Однако не всюду на поверхности океанов  испарение превышает осадки. В  умеренных и полярных областях, а  также в приэкваториальной зоне осадков выпадает больше, чем испаряется.Общую схему круговорота воды на поверхности Земли можно описать уравнениями водного баланса:

- для поверхности Мирового океана:

E0 = X0+f;

- для поверхности  суши:

Ec = Xc-f,

где Е0 - испарение  с поверхности океанов; Ес - испарение с поверхности суши; Х0 - атмосферные осадки над океаном; Хс - атмосферные осадки над сушей; f - сток с континентов.Водный баланс связан с тепловым через испарение, так как на него затрачивается тепло, которое освобождается при конденсации водяного пара. Влагооборот сопровождается перераспределением тепла между геосферами и отдельными районами Земли, что важно для функционирования географической оболочки. Помимо этого, в процессе влагооборота происходит обмен веществом (солями, газами).

4. Молекула воды Н2О состоит из одного атома кислорода, связанного ковалентной связью с двумя атомами водорода.

В молекуле воды главным действующим лицом  является атом кислорода.

Поскольку атомы  водорода друг от друга заметно отталкиваются, угол между химическими связями (линиями, соединяющими ядра атомов) водород - кислород не прямой (90°), а немного  больше - 104,5°.

Химические  связи в молекуле воды – полярные, так как кислород подтягивает  к себе отрицательно заряженные электроны, а водород - положительно заряженные электроны. В результате вблизи атома  кислорода скапливается избыточный отрицательный заряд, а у атомов водорода - положительный.

Поэтому вся  молекула воды является диполем, то есть молекулой с двумя разноименными  полюсами. Дипольная структура молекулы воды во многом определяет ее необычные  свойства.

Изотопный состав воды — процент содержание молекул с различной изотопной массой (изотопологов) в воде. Содержание воды, состоящей из лёгких стабильных изотопов 1H216O («лёгкой воды», в отличие от содержащей повышенное количество тяжелого изотопа водорода 2H «тяжёлой воды») в природной воде составляет 99.73 — 99.76 мол.%

Молекула  воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Водород имеет  два стабильных изотопа — протий (Н) — 1H и дейтерий (D) — 2H.

У кислорода  три устойчивых изотопа: 16O, 17O и 18O

Учитывая  все разнообразие изотопного состава  водорода и кислорода, можно говорить о большом разнообразии изотопных  разновидностей воды. Девять из них  включают только стабильные изотопы  и составляют основное содержание природной  воды.

5. Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. При нагревании воды от 0 до 4°С плотность ее также увеличивается. При 4°С вода имеет максимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании ее плотность уменьшается.

Количество  водородных связей и их разветвлённая  структура определяют высокую температуру  кипения воды и её удельную теплоту  парообразования.

Большое значение в жизни природы имеет и  тот факт, что вода. обладает аномально  высокой теплоемкостью [4,18 Дж/(гК)], Поэтому .в ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, таким образом, регулято­ром температуры на земном шаре.

При температуре  перехода в твёрдое состояние  молекулы воды упорядочиваются, в процессе этого объёмы пустот между молекулами увеличиваются и общая плотность воды падает, что и объясняет причину меньшей плотности (большего объёма) воды в фазе льда. При испарении, напротив, рвутся все связи. Помимо большой удельной теплоёмкости, вода также имеет большие значения удельной теплоты плавления (при 0 °C — 333,55 кДж/кг) и парообразования (2250 кДж/кг). Вода обладает также высоким поверхностным натяжением среди жидкостей, уступая в этом только ртути.Относительно высокая вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.

Вода является хорошим растворителем полярных веществ. Чистая вода — хороший изолятор. Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60 % парникового эффекта.

Высокая теплоёмкость жидкой воды.Высокая вязкость.Высокое поверхностное натяжение.Отрицательный электрический потенциал поверхности воды.

6. Вода является наилучшим растворителем: в ней в той или иной степени растворяются почти все неорга­нические вещества и немало органических. По сходным причинам вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные -- атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.

В морях и  океанах находятся в растворенном состоя­нии свыше 60 элементов периодической системы. Так, золота в Мировом океане содержится столько, что если его полностью извлечь, то на каждого жителя Земли достанется по 3 килограмма. Вода легко поглощает газы, в том числе и такие, которые при соединении с водой образуют кислоты, а кислая вода обладает повышенной растворяющей способностью. В кислотах, например, растворяются (правильнее сказать: с кислотами взаимодействуют) металлы. Вода, в которой растворено какое-то вещество, естественно, отличается по своим свойствам от чистой воды. Известно, например, что этиловый спирт хорошо растворяется в воде. При этом некоторые свойства воды изменяются незначительно: она остается прозрач­ной, маловязкой жидкостью. Зато изменяются запах, вкус, плотность, температура затвердевания и многие другие свойства.

7. Минерализацией называют сумму содержащихся в воде минерал веществ. Минерализацию пресных вод принято выражать в м: граммах 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 видов классификации природных вод по степени минерализации,. Выделяют несколько классификаций природных вод по минерализации. Округляя различные пределы значений, О.А.Алекин наметил следующее деление природных вод по минерализации:

1) рассолы  (соленость > 50‰);

2) морские (соленость 25 - 30‰);

3) солоноватые (соленость 1 - 25‰);

4) пресные (соленость до 1‰).

Горные породы и минералы как источники солей  для минерализации природных  вод целесообразно разделить на три группы:

 а) изверженные,  магматические породы, образующие  растворимые соли при их разложении;

б) соли, рассеянные в сухом, растворенном или адсорбированном  состоянии в различных осадочных породах;

 в) минералы  и растворимые соли, находящиеся  в виде скоплений или залежей  (известняки, мергели, доломиты, гипсы,  каменная соль и пр.).

Соленость определяется как общее количество твердого вещества, выделенного из 1 т морской воды, когда все карбонаты превращены в окислы; бром и иод замещены хлором, а органическое вещество полностью окислено. Соленость природных вод может колебаться от 0 до 40 %. Соленость морских вод составляет, как правило, 33— 37 %, в среднем примерно 35 %. В некоторых закрытых водоемах таких, как Большое Соленое озеро в штате Юта или Мертвое море, соленость значительно превышает 40 %.

 

 

8. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПРИРОДНЫХ ВОД – совокупность растворенных в природных водах минеральных и органических веществ в ионном, молекулярном, комплексном и коллоидном состояниях (ГОСТ 17403-72). В природных водах растворены почти все известные на Земле химические элементы, из 87 стабильных химических элементов, установленных в земной коре, в настоящее время в природных водах обнаружены около 80. При повышении чувствительности аналитических методов, очевидно, будут установлены и остальные. Распределение химических элементов в водных объектах определяется типом природной системы и свойствами самих элементов (их распространенностью в земной коре и растворимостью в воде). Х.с.п.в. представляет собой сложный комплекс растворенных газов, различных минеральных солей и органических соединений. Его условно делят на шесть групп: главные ионы (см. макрокомпоненты природных вод); растворенные газы (см. газовый состав природных вод); биогенные вещества (см.); органические вещества; микроэлементы (см.) и загрязняющие вещества (см.). Сложность Х.с.п.в. определяется не только присутствием в них большого числа химических элементов и многообразием их форм и соединений, но и разным содержанием каждого из них, которое к тому же меняется в различных типах вод, что связано с особенностями условий их формирования (табл. 1). Под формированием химического состава природных вод понимается совокупность процессов, приводящих к образованию того или иного химического состава природной воды (ГОСТ 17403-72). Количество растворенных веществ в воде будет зависеть, с одной стороны, от состава тех веществ, с которыми она соприкасается в процессе своего круговорота, с другой — от условий, в которых происходили эти взаимодействия. Факторы, определяющие формирование Х.с.п.в. могут быть разделены на прямые и косвенные. Прямые — факторы, непосредственно влияющие на состав воды (т.е. действие веществ, которые могут обогащать воду растворимыми соединениями, или, наоборот, выделять их из воды). К ним относятся: горные породы, живые организмы, обмен с другими типами природных вод, а также деятельность человека. К косвенным относятся факторы, определяющие условия, в которых протекает взаимодействие веществ с водой: климат (см.), рельеф (см.), водный режим (см.),