Природные процессы в гидросфере

Современное состояние ледника определяется ходом процесса обмена массой и энергией ледника с окружающей средой - атмосферой, земной корой, а в ряде случаев и океаном. Различают внешний и внутренний массоэнергообмен ледника. Внешний определяется процессами на дневной поверхности ледника: аккумуляцией, таянием и стоком, а также радиационным балансом и обменом тепловой энергией между ледником и прилегающим слоем воздуха. Внутренний массоэнергообмен зависит от процессов, протекающих внутри ледника и на его ложе; источниками тепла здесь служат геотермический поток, энергия движения и преобразования льда, перемещение и замерзание воды в ледниковой толще. Большое значение для массоэнергообмена имеют внутриледниковая и подледниковая абляция (убыль льда при таянии), а также экзарация (ледниковая эрозия), перенос и отложение моренного материала.

Суммарный объём ледниковых покровов в 50-70 раз больше объёма воды, принимающего участие во влагообороте. Это существенный для человека резерв пресной воды. В настоящее время наблюдается сокращение объёма оледенения и площади ледников в связи с увеличением содержания в воздухе углекислого газа, так как благодаря этому усиливается парниковый эффект.

Воды озёр также относятся к поверхностным водам. Озёра занимают площадь 2058,7 тыс. км2. Они располагаются в одиночку или группами, насчитывающими от десятка до тысяч озёр. К одиночным озёрам относятся такие крупные, как Байкал, Балхаш, Онежское, Балатон и др. Многочисленные группы образуют озёра в Фенноскандии, Северо-Американские Великие озёра, озёра приальпийских предгорий, Великие Африканские озёра; территории с многочисленными озёрами называются озёрными областями.

К поверхностным водам относят также воды болот, занимающих площадь 2682,6 тыс. км2. Болота образуются обычно при равнинном рельефе, чаще на поверхности осадочного чехла плит платформ в условиях замедленного поверхностного стока и избыточно влажного климата. Заболачиванию способствует наличие близкого водоупора в условиях обильного застойного или слабопроточного увлажнения грунта в течение большей части года.

Наиболее обширные площади болот расположены на равнинах в тундре и тайге северного полушария в районах с многолетней мерзлотой, служащей водоупором. Таковы болота Западно-Сибирской низменности и Лаврентийской равнины. Имеются болота также на востоке Индо-Гангской низменности и в Южной Америке - в Амазонии и в депрессии Пантанал.

Воды в руслах рек. Реки представляют собой естественные водные потоки, текущие в выработанных ими руслах, как правило, постоянные (лишь иногда в засушливых зонах на отдельных участках временно пересыхающие), питающиеся за счёт стока с их водосбора. В питании рек принимают участие дожди, снега, ледники и подземные воды. Главная характеристика рек - величина их стока (расход, годовой объём), которая при одной площади водосбора может быть очень различной, в зависимости от источников питания и их сочетания, которые в разных регионах связаны с географической широтой, рельефом, климатическими особенностями. Реки, в отличие от других малых составляющих гидросферы, - это быстрые транспортёры воды. Вода в них возобновляется намного быстрее, чем в любой другой составляющей гидросферы. Поэтому, имея сравнительно небольшой мгновенный запас воды в своих руслах, реки в течение года доставляют к устьям массу воды в 30-40 раз бóльшую.

2.3 Подземные воды

К подземным водам относятся воды, находящиеся в горных породах верхней части литосферы в жидком, твёрдом и парообразном состоянии. Природные системы подземных вод связаны с процессами вертикального перемещения вод в толще грунтов: это гравитационные воды, для которых характерно просачивание по трещинам под действием силы тяжести сверху вниз, и капиллярные воды, которые поднимаются по капиллярам в грунтах снизу вверх.

Природные комплексы подземных вод распространены на территории 134800 тыс. км2. Есть страны, где потребность в воде полностью (Саудовская Аравия) или частично (Тунис, Дания, Бельгия) обеспечивается за счёт подземных вод. Очень велика роль подземных вод в водообеспечении жителей пустынь и районов развития многолетней мерзлоты. В ряде стран ближнего зарубежья значительная часть используемых водных ресурсов покрывается за счёт подземных вод: в Азербайджане 60%, в Узбекистане - 50%, Туркмении и Армении - 40%.

Из различных систем подземных вод рассмотрим две - почвенную влагу и подземные льды - как имеющие наибольшее значение в формировании природных ландшафтов.

Почвенная влага как природная система занимают площадь в 82000 тыс. км2. Водный режим почвы в основном определяется атмосферными осадками - годовым количеством осадков, распределением осадков в течение года, их формой (например, при ливневых дождях вода не успевает проникнуть в почву, стекает в виде поверхностного стока) и испаряемостью. Получаемая почвой влага расходуется на почвенный сток, испарение, отсасывание корнями растений и др.

Подземные льды являются аналогами подземных вод в зоне многолетнемёрзлых пород. Они занимают площадь около 21000 тыс. км2, располагаясь преимущественно в субарктическом и арктическом поясах, и только в Восточной Сибири проникают далеко на юг в умеренные широты[6,78].

Глава 3 Антропогенные процессы в гидросфере

3.1 Сооружение водохранилищ и их влияние на окружающую среду

В антропогенном перераспределении ресурсов пресных вод создаваемые водохранилища играют большую роль, даже если при сооружении плотины главной целью было создание ГЭС, а не мелиоративные мероприятия. Сооружение водохранилищ в аридных областях позволяет до некоторой степени компенсировать недостаток запасов пресных вод, получить резерв воды для орошения значительных площадей земельных угодий, для промышленных и бытовых нужд, несколько увлажнить и смягчить климат прилегающего района. Однако, давая некоторый экономический эффект, водохранилища вызывают также ряд отрицательных, часто не запрограммированных и не учтённых последствий в воздействии на окружающую среду[8,103].

Воздействие водохранилищ на окружающую среду разнообразно. При изучении антропогенного воздействия на литосферу уже отмечался рост случаев спровоцированных водохранилищами землетрясений.

Влияние водохранилищ на режим вод. При строительстве водохранилищ резко уменьшается проточность, турбулентность воды, сокращается водообмен, создаются условия для возникновения застойных зон. Затопленные плодородные почвы и растительность обогащают воду большим количеством питательных элементов. Это приводит к изменению гидрохимического состава воды, к созданию благоприятных условий для развития болезнетворных бактерий и водорослей в водоёмах.

Влияние водохранилищ на осадконакопление. Общая площадь созданных человеком на Земле водохранилищ оценивается к настоящему времени около 500 тыс. км2, а полный объём их вод - свыше 6000 км3; что же касается естественных озёр, то площадь их зеркала составляет 2682 тыс. км2 при объёме вод около 250000 км3. Показательно, что ежегодное осадконакопление в акваториях водохранилищ составляет 13,38 млрд. т, а в естественных озёрах лишь 4,83 млрд. т. Сопоставляя приведённые цифры, получим, что, хотя площадь искусственных водохранилищ меньше площади естественных озёр в 6 раз, а объём вод меньше в 45 раз, ежегодное осадконакопление в водохранилищах более чем в 2,7 раза превышает естественное осадконакопление в озёрах. Это обусловлено тем, что модуль седиментации (или скорость осадконакопления на единицу площади акватории) водохранилищ почти в 17 раз выше модуля седиментации в естественных озёрах. Иначе говоря, скорость антропогенного осадконакопления в искусственных водохранилищах в связи с замедленной проточностью вод многократно превысила скорость подобного процесса, протекающего в естественных условиях, и вес ежегодно отлагающихся осадков в водохранилищах уже намного выше веса осадков, накапливающихся в озёрах естественного происхождения.

Мелководья в водохранилищах. Для водохранилищ, сооружаемых на равнинных реках, характерно широкое развитие мелководий, например, акватория Киевского водохранилища на 50% приурочена к мелководью. Это увеличивает нерациональные потери затопленных сельскохозяйственных земель, тогда как рост запасов воды на мелководьях весьма незначителен.

При создании водохранилищ в горных ущельях удаётся значительно сократить площадь затопляемых земель и образующихся мелководий; однако у плотин на горных реках, из-за резкого снижения скорости течения при большой массе транспортируемого обломочного материала, наблюдается быстрое заполнение водохранилища наносами и соответствующее уменьшение накапливаемых вод.

Воздействие водохранилищ на берега. У водохранилищ различают зоны постоянного, временного затопления и подтопления. В зоне временного затопления из-за переувлажнения грунтов развиваются процессы размыва и обрушения берега, чему способствуют также абразионная деятельность волн и разрушение в этой полосе почвенно-растительного покрова. Зона подтопления формируется под влиянием подъёма уровня грунтовых вод и может достигать многокилометровой ширины в зависимости от фильтрационных свойств грунтов, режима и уровня грунтовых вод. В этой зоне может происходить заболачивание и ухудшение санитарных условий местности; в области лесных ландшафтов в зоне подтопления происходит деградация древостоя и снижение товарной ценности леса.

Сооружение крупных водохранилищ в условиях умеренного климата с достаточным увлажнением способствует росту влажности климата в окружении акватории и особенно с подветренной стороны по отношению к господствующим ветрам, в результате чего избыток влаги приводит к деградации почвенно-растительного покрова. Подобные последствия заболачивания наблюдались нами в районах Рыбинского водохранилища и Московского моря.

Влияние водохранилищ на районы ниже плотины ярко прослеживается в субтропических и тропических широтах, где, из-за прекращения или резкого сокращения затопления пойменных земель, приостанавливается поступление плодородного ила на заиливавшиеся ранее земли, а также происходит исчезновение мелких притоков - местообитаний рыбы. Это приводит к резкому снижению продуктивности земель и вызывает неблагоприятные экономические последствия. Так обстоит дело с районами ниже плотин Акосомбо на р.Вольта, Каинджи на р.Нигер, Асуанской на р.Нил и др[4,16].

3.2 Сточные воды и их образование

Сточными водами называются воды, загрязнённые отходами с промышленного или сельскохозяйственного производства и бытовыми отходами. Обычно сточные воды удаляются с территории населённых мест и промышленных предприятий системами канализации. К сточным водам относят также воды, образующиеся в результате выпадения атмосферных осадков и таяния снега в пределах населённых пунктов и промышленных объектов, иногда называемые ливневыми стоками.

По оценке ООН, объём сточных вод, подвергающихся очистке и собирающихся в разные резервуары на Земле, составляет около 700 км3/год. Из них 1/3 настолько грязна, что вторичное их использование невозможно. Для естественной самоочистки таких вод нужны чистые воды в объёме, в 12–15 раз превышающем объём загрязнённых вод, то есть на это понадобилось бы 12% всех водных запасов мира.

Сточные воды можно подразделить на три основные вида по их происхождению: производственные стоки, сельскохозяйственные и коммунально-бытовые.

Состав производственных стоков зависит от рода промышленных предприятий, типа оборудования, используемого сырья и реагентов, технологии производства, степени очистки вод и ряда других причин. Среди них немаловажную роль играют общественно-политические и социальные условия, психологическое отношение производственников к экологическим проблемам. Однако по отраслям промышленности можно проследить ряд характерных особенностей.

Например, производственные стоки нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности содержат обычно эмульгированные углеводороды, нафтеновые кислоты, меркаптаны (органические сернистые соединения, аналоги спиртов).

В сточных водах химической промышленности обычны фенолы, спирты, смолы, натрий, кальций, хлориды, сульфаты.

Сточные воды ТЭС разнообразны. На электростанциях, работающих на твёрдом топливе, сбросовые воды из системы гидрозолоудаления, после освобождения от золы и шлака, имеют повышенную концентрацию фторидов, мышьяка, ванадия, часто содержат канцерогенные органические соединения, фенолы. На станциях, работающих на жидком топливе, сточные воды содержат нефтепродукты.

Наибольшую опасность для биосферы представляет поступление в реки со сточными водами ртути, так как она аккумулируется в гидробионтах и, в частности, в рыбе в бóльших на 3-4 порядка концентрациях, чем содержится в водной среде.

В числе промышленных стоков, поступающих в реки, следует особо отметить шахтные воды и сбросы, поставляемые предприятиями по обогащению добываемых руд. Вблизи таких фабрик накапливаются отходы, образующие так называемые хвостохранилища, из которых большое количество загрязнителей вымывается атмосферными осадками и поступает в близлежащие реки.

Антропогенный характер имеют многие случаи эвтрофирования водоёмов (повышения биологической продуктивности, зарастания), когда этот процесс не обусловлен следствиями естественного старения озера. Крупным примером является широко известное эвтрофирование озера Эри, куда ежегодно сливалось 43,5 млрд. л промышленных сточных вод и 7 млрд. л бытовых. Последнее время принимаются меры по восстановлению нормальной жизни в озере.

Сельскохозяйственные сточные воды формируются в результате внесения минеральных и органических удобрений, а также средств борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур.

36-40% вводимого с удобрениями в почвы азота смывается и попадает в реки, что способствует бурному размножению бактерий и водорослей, создавая угрозу кислородного голодания. В организме человека, пьющего воду, загрязнённую азотом, накапливаются нитраты, которые, превращаясь в нитриты, нарушают дыхательную функцию крови. Доля смыва с полей фосфорных удобрений менее значительна.

Речная сеть принимает в себя также громадное количество употребляемых в сельском хозяйстве пестицидов и является их переносчиком на большие расстояния. В водных экосистемах пестициды накапливаются в жировых тканях рыб, подавляя скорость их роста, нарушая миграции и активность. Происходит биоконцентрирование ДДТ (инсектицида) из воды и водных осадков планктоном, затем в возрастающих концентрациях по пищевым цепям переносится последовательно червям, рыбам и птицам.

Коммунально-бытовые сточные воды. К 1970 г. производство детергентов (синтетических поверхностно-активных веществ, широко используемых как моющие средства) достигло 3500 тыс. т. В развитых странах ещё в 60-е годы на долю детергентов уже приходилось 90% от общего количества всех моющих средств, а на долю мыла и мыльных порошков - 10%. Детергенты - сильные токсиканты, биологически почти не разложимые. В развитых странах их концентрация в сточных водах достигает 5–15 мг/л, так как они плохо поддаются очистке, и в водоёмы попадает 50–60% их первоначального количества. С ростом плотности населения становится совершенно недопустимым сброс коммунально-бытовых сточных вод даже после неполной их очистки[5,34].