Гидрологические процессы и явления (стр. 1 )

В. В. АФОНИН, Ю. В. БОНДАРЕНКО, Б. В. ФИСЕНКО

ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ

ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ

(интерактивный курс)

Саратов 2012

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Н. И. ВАВИЛОВА»

__________________________________________________________

В. В. АФОНИН, Ю. В. БОНДАРЕНКО, Б. В. ФИСЕНКО

ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ

ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ

(интерактивный курс)

Учебно-практическое пособие

Саратов 2012

 

УДК 628.17:551.588.4(075.8)

ББК 26.222.5:28.080.1 (Я1)

Издание осуществляется при поддержке

Программы Темпус, грант Европейской

Комиссии 159188-TEMPUSPL-TEMPUS-JPCR

, , Фисенко процессы и явления (интерактивный курс): Учебно-практическое пособие / , , С.: Изд-во СГАУ, 20стр.

ISBN

В учебном пособии в интерактивной форме показаны современные представления о гидрологических процессах и явлениях. Рассматривается круговорот воды на земном шаре и влияние на него антропогенного фактора. Раскрываются основные законы гидрофизики, водного и теплового баланса, а также основные положения влияния гидрологических процессов на природные условия.

Представлена информация о процессах и явлениях, происходящих в природных водах. Описана биологическая продукция экосистем рек.

Предназначено для студентов направления подготовки 280100.68 «Природообустройство и водопользование»

Рецензенты: д. т.н., проф., (ФГБОУ ВПО Саратовский ГАУ); к. с.-х. н., доцент (ГНУ НИИСХ Юго-Востока).

Данный материал опубликован при поддержке Европейского Союза. Содержание публикации является предметом ответственности авторов и не отражает точку зрения Европейского Союза.

© , ,

, 2012

© ФГБОУ ВПО СГАУ имени

ISBN , 2012

ПРЕДИСЛОВИЕ

Одной из наиболее острых проблем современной гидрологии является разработка эффективных систем анализа, расчета и прогноза элементов гидрологического режима водоемов суши с целью рационального и эффективного использования водных ресурсов и смягчения последствий опасных гидрологических ситуаций.

Гидрологический режим – совокупность закономерно повторяющихся изменений гидрологического состояния водного объекта. Гидрологический режим является закономерным, но все же лишь внешним проявлением некоторых более сложных внутренних процессов и явлений, свойственных водному объекту, или обусловленных его взаимодействием с другими водными объектами, атмосферой, литосферой. Для их понимания и раскрытия необходимо изучить некоторые как внутренние, так и внешние процессы и явления, воздействующие на режим водного объекта. Поэтому, очень важной задачей с научной и практической стороны является изучение не только гидрологического режима, но и гидрологических процессов и явлений.

Гидрологические процессы – комплекс физических, химических, биохимических и биологических процессов, происходящих в водных объектах и определяющих его гидрологический режим.

Чтобы познать гидрологический режим, необходимо вскрыть сущность гидрологических процессов, происходящих внутри водного объекта (в его водной толще), на верхней и на нижней его поверхностях при взаимодействии водной массы, соответственно, с воздухом (атмосферой), дном и берегами (литосферой). Кроме того, познать гидрологические процессы в водном объекте невозможно без учета физико-географических условий водосбора водного объекта и влияния хозяйственной деятельности.

Гидрологические явления - явления природы, являющееся результатом гидрологических процессов: сток, инфильтрация, испарение, паводок и т. п.

Таким образом, для познания гидрологических процессов в водных объектах необходимо изучить, во-первых, явления, происходящие в водной толще, во-вторых, процессы на твердых границах водного объекта – его дна и берегах, в-третьих, явления, происходящие на водной поверхности объекта – границе раздела вода – воздух, в-четвертых, взаимосвязь водного объекта с его водосбором.

Часть I. Круговорот воды в природе и водные ресурсы земли

Модуль 1.1. Вода на земном шаре.

Вы будете изучать

-  Количество воды на земном шаре.

-  Изменение количества воды на земном шаре.

-  Круговорот теплоты на земном шаре и роль в нем природных вод.

-  Круговорот воды на земном шаре.

-  Глобальный круговорот воды (гидрологический цикл).

-  Внутриматериковый влагооборот.

-  Водообмен.

-  Влияние антропогенного фактора на круговорот воды.

Цели модуля

-  Изучить количественные характеристики воды на земном шаре.

-  Рассмотреть круговорот воды и теплоты на земном шаре и роль в нем природных вод.

-  Дать представление о глобальном круговороте воды, внутриматериковом влагообороте и водообмене.

-  Обсудить влияние антропогенного фактора на круговорот воды.

После изучения модуля вы сможете

-  Иметь представление о количестве воды на земном шаре и о его динамике.

-  Знать основные закономерности и физические причины круговорота воды и теплоты на земном шаре.

-  Понимать значение выражений: глобальный круговорот воды (гидрологический цикл); внутриматериковый влагооборот; водообмен.

-  Проводить анализ и оценку влияния антропогенного фактора на круговорот воды.

Основная литература

-  Болгов проблемы оценки водных ресурсов и водообеспечения / , , . - М.: науч. изд. «Наука» , 2005. – 318 с.

-  Вода или нефть? Создание Единой Водохозяйственной Системы / , , и др.; под общей редакцией проф., д. т.н. . – М.: МППА БИМПА, 2008 – 456 с.; ил. – (Научное издание).

-  Данилов-Данильян ресурсы – стратегический фактор долгосрочного развития экономики России. – М, 2008.

-  Михайлов : Учебник для вузов / , , . – 2-е изд. исп. – М.: Высш. шк., 2007. – 463 с.: ил.

-  , , Павлинова использование водных ресурсов: Учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 2008 – 383 с.

-   

Дополнительная литература

-  Государственный доклад «О состоянии и использовании водных ресурсов Российской Федерации в 2007 году» – М.: НИА – Природа, 2008 . – 408 с.

-  Государственный водный кадастр. Обобщенные данные использования воды за 2006 г. – М.: , 2007.

-  , Раткович и состояние водных ресурсов в условиях современного развития водохозяйственного комплекса Российской федерации // Деловая слава России, вып, 2008. С. 20-26.

Ключевые слова

Круговорот воды, круговорот теплоты, гидрологический цикл, внутриматериковый влагооборот, водообмен, период условного водообмена; период условного возобновления вод, область внешнего стока, область внутреннего стока, антропогенный фактор.

1.1.1. ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ ЗЕМЛИ

Важнейшей особенностью природных условий Земли является круговорот воды. Он осуществляет в глобальном, региональном и местном масштабе обмена веществом и энергией, служит основой единства природы, обеспечивает возобновление части природных ресурсов и играет решающую экологическую роль. Движение воды на планете сопровождается переносом растворенных и взвешенных веществ, теплоты, кинетической энергии. Вода – причина процессов выветривания, основа денудационных и эрозионно-аккумулятивных процессов.

Распределение суши и воды на земном шаре. Площадь поверхности Земли 510 млн км2. Из этой площади водами Мирового океана покрыто 361 млн км2 (71 %), а площадь суши составляет 149 млн км2. В Северном полушарии соотношение воды и суши 61:39, в Южном 61:19. Таким образом, более 2/з поверхности нашей планеты покрыто водной оболочкой, состоящей из океанов и морей; причем особенно существенно вода преобладает над сушей в Южном полушарии.

Общая площадь водных объектов на поверхности суши (ледников, озер, водохранилищ, рек, болот) составляет 21,5 млн. км2, или 14,4% площади суши. Если не учитывать ледники, то на остальные водные объекты суши останется всего 5,2 млн. км2 (3,5 % площади суши).

Таким образом, общая площадь водных объектов на поверхности Земли составляет: 361 млн. км2 (океаны и моря)+ 21,5 млн. км2 (водные объекты суши, включая ледники) = 382,5 млн. км2, т. е. 75 % или 3/4 поверхности планеты.

Общий объем воды в водных объектов на земном шаре около 1390 млн. км3, при этом на долю Мирового океана приходится 96.4%. Из полных объектов суши наибольшее количество воды содержат ледники – 25,8 млн. км3 (1,86 % всех вод на Земле). Из этого количества воды на долю ледников Антарктиды, Гренландии и островов Арктики приходится соответственно 89,8; 9,7 и 0,3 %. На горные ледники остается всего 0,2 %.

Большие сложности представляет оценка содержания воды в земной коре (литосфере). Часть подземных вод, представленная капиллярными и гравитационными водами, находящаяся на глубинах с абсолютными отметками под поверхностью суши до минус 2000 м и участвующая в круговороте воды в природе, должна быть отнесена к гидросфере. Она оценивается гидрологами в 23,4 млн. км3 или 1,68 % общего объема вод на Земле. Некоторые исследователи приводят несколько большие величины: – 60 млн. км3, – 86,4 млн. км3. К водам, находящимся в литосфере, относят также подземные льды зоны многолетней («вечной») мерзлоты объемом 300 тыс. км3 (0,022 % объема всех вод).

Некоторый объем воды находится в живых организмах биосферы (растениях и животных). Считают, что масса живого вещества на Земле 1,4·1012 т. Если принять, что содержание воды в живых организмах в среднем 80 %, то получим массу воды в организмах, равную 1,12·1012 т, что и дает объем «биологической воды» немногим более 1 тыс. км3.

В атмосфере в среднем постоянно присутствует около 13 тыс. км3 влаги в виде водяного пара, капель воды, кристалликов льда. При этом 90 % воды находится в самом нижнем слое атмосферы – на высотах 0–5 км. Объем атмосферной влаги мог бы дать слой воды на поверхности Земли, равный всего 25 мм.

Важное значение имеет оценка количества на Земле пресной воды – наиболее ценных для человека природных ресурсов. Всего на планете 36,7 млн. км3 пресных вод (2,65 % общего объема вод). Главные аккумуляторы пресной воды – ледники, пресные подземные воды, подземные льды в зоне многолетней мерзлоты, пресные озера. Из общего количества пресных вод на Земле на твердую фазу (лед) приходится 71 %, на жидкую фазу — 29 %.

1.1.2. ИЗМЕНЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ВОДЫ НА ЗЕМНОМ ШАРЕ

За большую часть истории Земли, по мнению геологов, в результате дегазации мантии выделялось в среднем не более 0,5–1 км3 воды в год. Полагают, что и в настоящее время из недр Земли поступает приблизительно столько же воды.

С метеоритами и космической пылью на Землю ежегодно попадает в виде льда около 0,5 км3 воды, т. е. величина в сравнении с полным объемом вод на планете ничтожная. Приблизительно столько же воды рассеивается с Земли в космическое пространство.

Объемы потерь и дополнительного поступления воды, о которых только что шла речь, весьма невелики, и поэтому можно считать, что в течение достаточно длительного с геологической точки зрения периода времени (миллионы лет) количество воды на земном шаре оставалось приблизительно неизменным.

Очевидно, однако, что с течением времени происходит периодическое перераспределение воды в самой гидросфере, причем главными элементами такой изменчивой системы оказываются Мировой океан и ледники. В межледниковые периоды ледники тают и увеличивают объем воды в Мировом океане, в ледниковые периоды происходит обратный процесс – влага в виде льда аккумулируется в ледниках, уменьшая объем Мирового океана. Ряд исследователей полагают, что в ледниковые эпохи уровень Мирового океана может понизиться на 110–120 м ниже современного, а в межледниковье – подняться на 10–15 м выше современного. Если бы растаяли все покровные ледники Земли, то уровень Мирового океана, по оценке , поднялся бы по сравнению с современным на 64 м. Это привело бы к затоплению огромных прибрежных территорий площадью около 12 млн. км2 (8 % поверхности суши).

За последние 18 тыс. лет уровень Мирового океана повысился не менее чем на 100 м, что соответствует приращению объема вод в Мировом океане на огромную величину – 37,5 млн. км3, или 2,8 %. В последние 5–6 тыс. лет уровень Мирового океана в целом стабилизировался при небольшой тенденции к повышению. Стабилизировался в целом и объем воды в водных объектах суши. Однако более детальные исследования свидетельствуют о том, что небольшое перераспределение воды между водными объектами разных типов все же происходит.

По данным (1985), за 82 года (1894—1975) произошло некоторое перераспределение воды между сушей и Мировым океаном: объем воды в водоемах суши (в основном за счет ледников и подземных вод) уменьшился на 25,91 тыс. км3, а Мирового океана, наоборот, увеличился на эту же величину. Это должно было сопровождаться повышением уровня Мирового океана с интенсивностью около 0,91 мм/год.

Более новые данные (, 2000) указывают на то, что объем вод в Мировом океане в настоящее время увеличивается на 610 км3 в год, что должно давать прирост его уровня с интенсивностью 1,7 мм/год и ускорение повышения уровня Мирового океана.

1.1.3. КРУГОВОРОТ ТЕПЛОТЫ НА ЗЕМНОМ ШАРЕ И РОЛЬ В НЕМ ПРИРОДНЫХ ВОД

Энергетической основой движения вод на Земле служат в первую очередь солнечная радиация и тепловые процессы, а во вторую – сила тяжести. Поэтому прежде чем проанализировать закономерности круговорота воды на земном шаре, рассмотрим особенности круговорота теплоты на Земле и роль в нем гидросферы.

Единственным внешним источником поступления теплоты на Землю служит Солнце – излучаемая им коротковолновая радиация. Современная средняя величина солнечной постоянной принимается равной 1367 Вт/м2. Учитывая шарообразность Земли, можно получить, что на верхнюю границу атмосферы поступает 1/4 указанной величины, т. е. 341,8 Вт/м2. С учетом площади поверхности Земли (510 млн. км2) получим, что величина приходящей к планете коротковолновой солнечной радиации составляет 341,8 Вт/м2·510·1012 м=1,743·1017 Вт или за «средний» год (365025 сут. = 31,56·106 с) 5,50·1024 Дж.

Тепловой баланс атмосферы и земной поверхности очень сложен (, , 2001). Для приближенной оценки теплового баланса Земли воспользуемся схемой, предложенной (1980). Эта схема относительно проста, но вполне достаточна, чтобы уяснить роль гидросферы в тепловом балансе Земли.

Обычно принимают, что планетарное альбедо Земли равно 30 %. Это означает, что 30 % коротковолновой солнечной радиации отражается Землей и уходит обратно в мировое пространство. Остальная часть солнечной радиации (70 %, или 239,3 Вт/м2, а всего для планеты 12,20 · 1017 Вт, т. е. 3,85 · 1024 Дж в год) поглощается атмосферой и земной поверхностью.

Земля в течение длительного времени сохраняет свое тепловое равновесие; это означает, что в мировое пространство должно уходить то же количество теплоты, что и поглощается Землей (239,3 Вт/м2), но уже в виде длинноволнового излучения.

Поглощаемая Землей солнечная радиация (239,3 Вт/м2) расходуется, по оценкам , следующим образом: 66 % поглощается земной поверхностью, а остальные 34 % – атмосферой. Радиационный баланс земной поверхности (R) равен поглощенной этой поверхностью радиации за вычетом эффективного излучения (I). На долю R и I приходится соответственно около 10 и 53 Вт/м2, или 44 и 22 % поглощенной всей Землей солнечной радиации.

Большая часть радиационного баланса земной поверхности (84 %) тратится на испарение воды. Это количество теплоты (около 88 Вт/м2) составляет 37 % всей поглощенной Землей солнечной радиации.

Затраты такого большого количества теплоты на испарение воды, безусловно, оказывают регулирующее влияние на тепловые процессы на Земле, и в этом проявляется важнейшая роль гидросферы в формировании климата планеты. Отметим также, что такие большие затраты теплоты на испарение обязаны одному из уникальных свойств самой воды – аномально большой удельной теплоте испарения. Испарение воды – это основа круговорота воды.

Оставшаяся часть энергии радиационного баланса (16 % от R или 7% от всей поглощенной планетой солнечной радиации) расходуется на турбулентный теплообмен с атмосферой.

Важно отметить, что огромное количество теплоты, затраченной на испарение воды, полностью возвращается в атмосферу при конденсации водяного пара. Эта «возвращаемая» теплота обогревает атмосферу и становится причиной ее активности, особенно в тропиках. Атмосфера, следовательно, получает теплоту из трех источников: поглощенной коротковолновой радиации (34 % всей солнечной радиации, перехваченной Землей), прихода теплоты в результате конденсации водяного пара (37%) и турбулентного потока теплоты от земной поверхности (7%) (всего 78%). Вместе с эффективным излучением земной поверхности (22%) это дает 100%, т. е. сумму длинноволнового излучения всей Земли в мировое пространство, в точности равное поглощенной планетой коротковолновой солнечной радиации.

Отношение эффективного излучения ко всему уходящему в мировое пространство длинноволновому излучению, равному 0,22, значительно меньше отношения поглощенной земной поверхностью радиации ко всей приходящей к верхней границе атмосферы коротковолновой солнечной радиации, равного 0,66. Это, как указывает (1980), и характеризует влияние парникового эффекта на тепловой баланс Земли. Парниковый эффект создают содержащиеся в атмосфере водяной пар, С02 и другие газы. По некоторым оценкам (Экологический энциклопедический словарь, 1999), энергетический вклад С02 в парниковый эффект составляет около 50 Вт/м2. Увеличение концентрации С02 в XX в. повысило, по данным Б. Болина (2003), антропогенное энергетическое воздействие С02 на парниковый эффект на 2,5 Вт/м2. Это относительно небольшое энергетическое влияние С02 на приземную часть атмосферы оказалось достаточным, чтобы повысить температуру воздуха на 0,6 °С.

Важно подчеркнуть различия в тепловом балансе поверхности суши и Мирового океана. Установлено, что на суше на испарение воды затрачивается около 54% энергии радиационного баланса, а на поверхности океана – уже более 90 %.

Океан, имея температуру поверхностного слоя в среднем более высокую, чем атмосфера (приблизительно на 3 °С), играет важнейшую роль в глобальном теплообмене и обогревает атмосферу. По расчетам (1983), в океане (в основном в его поверхностном слое) содержится 31,8·1027 Дж теплоты, что в 21 раз больше, чем в атмосфере.

Помимо отмеченного значения гидросферы в тепловом балансе Земли, необходимо обратить внимание на очень важную роль, которую она играет в перераспределении теплоты на земной поверхности.

В целом для поверхности Земли радиационный баланс и затраты теплоты на испарение и теплообмен с атмосферой полностью балансируются, но на различных широтах это уже не наблюдается. В экваториальной части планеты в приполярных районах соотношение обратное. Чтобы избыток теплоты в низких и дефицит теплоты в высоких широтах в целом для Земли балансировались, необходимо существование постоянно действующего механизма передачи теплоты из экваториальной зоны к полюсам. Осуществляют этот меридиональный перенос теплоты в основном океанские течения. Физической причиной течений служит неоднородность распределения плотности воды, а она, в первую очередь, – различиями в температуре разных частей океана.

Следует добавить, что в результате неравномерного распределения теплоты на земном шаре складывается неравномерное распределение атмосферного давления, температуры воздуха и испаряемости, и также атмосферных осадков.

Заметим, что испаряемость (потенциально возможное, т. е. не лимитируемое запасами воды испарение в данном месте при существующих атмосферных условиях) и температура в целом повторяют кривую распределения по широте радиационного баланса, от которой они зависят. Обращает на себя внимание и такой факт. В условиях арктического, субарктического, антарктического и субантарктического, а также частично умеренного и экваториального климата осадки х превышают теоретически возможное испарение (испаряемость z0); здесь наблюдается избыток влаги и расположены области с избыточным увлажнением («индекс сухости» z0/х <0,45, по ) – арктические пустыни, тундра, лесотундра, альпийские луга и занятые лесами области с достаточным увлажнением (z0/х= 0,451,00). В условиях субтропического, тропического, субэкваториального и частично умеренного и экваториального климата отмечаются, наоборот, превышение испаряемости над осадками и дефицит влаги; здесь расположены области с недостаточным увлажнением (z0/х = 1,00 ÷3,00) – лесостепь, ксерофитная субтропическая растительность, а также сухие области полупустынь и пустынь (z0/х >3,0). Условия увлажнения, как будет показано далее, играют важнейшую роль в формировании водного баланса и гидрологического режима речных бассейнов, озер и морей.

1.1.4. КРУГОВОРОТ ВОДЫ НА ЗЕМНОМ ШАРЕ

Круговорот воды на земном шаре – замечательная особенность гидросферы Земли и природных условий планеты в целом. Круговорот воды создает основной механизм перераспределения на Земле вещества и энергии, объединяет в единое целое не только водные объекты, но и разные части планеты. Круговорот воды на Земле – основа возобновляемости водных ресурсов.

В последнее время в России вместо термина «круговорот воды» стали применять широко распространенный в западных странах термин «гидрологический цикл». Будем считать эти два понятия синонимами.

В круговороте воды на земном шаре (глобальном гидрологическом цикле) проявляется единство природных вод Земли и их связь с атмосферой, литосферой, биосферой. писал: «Любое проявление природной воды – глетчерный лед, безмерный океан, река, почвенный раствор, гейзер, минеральный источник - составляют единое целое, прямо или косвенно, но глубоко связаны между собой, с земной атмосферой и с живым веществом».

Физической причиной круговорота воды на земном шаре служат солнечная энергия и сила тяжести. Солнечная энергия – это причина нагревания и последующего испарения воды. Неравномерное распределение по Земле солнечной энергии приводит к неравномерному распределению атмосферного давления, вызывает воздушные потоки – ветры, переносящие испарившуюся влагу (водяной пар) и создающие ветровые течения в океане. Неравномерное распределение солнечной энергии приводит также к неравномерному распределению плотности воды в океане и, как следствие, к возникновению плотностных течений.

Сила тяжести вынуждает сконденсировавшуюся в атмосфере при благоприятных условиях влагу выпадать в виде атмосферных осадков, а также все поверхностные и подземные воды стекать сначала к дренирующим местность рекам, а в конечном счете, к океану. Естественно, что стекание вод под действием силы тяжести объясняется наклоном поверхности Земли и слоев в земной коре, что, в свою очередь, создается тектоническими и геоморфо­логическими процессами.

В круговороте воды на земном шаре проявляются закономерности сохранения вещества и водного баланса. В уравнениях полного баланса Земли в целом, и океана и суши, в частности, не учитывались ничтожные объемы водообмена Земли с космическим пространством, а также затраты воды в процессе фотосинтеза и несущественное поступление воды вследствие дегазации мантии. Эти величины заведомо во много раз меньше возможных ошибок расчета других составляющих мирового водного баланса. Заметим попутно, что наибольшую точность имеют данные об атмосферных осадках на территории суши, о речном стоке, подтверждаемые прямыми наблюдениями. Наименьшую точность имеют данные об испарении и осадках в Мировом океане.

1.1.5. ГЛОБАЛЬНЫЙ КРУГОВОРОТ ВОДЫ

(ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ЦИКЛ)

В глобальном круговороте воды выделяют два звена: океаническое звено, представляющее собой многократно повторяющийся цикл: испарение с поверхности океана – перенос водяного пара над океаном – осадки на поверхность океана – океанические течения – испарение и т. д.; материковое звено, представляющее собой многократно повторяющийся цикл: испарение с поверхности суши – перенос водяного пара – осадки на поверхность суши – поверхностный и подземный сток – испарение и т. д. Оба звена связаны между собой переносом водяного пара с океана на сушу и, наоборот, поверхностным и подземным стоком с суши в океан.

С океана ежегодно испаряется в среднем 505 тыс. км3, возвращается в виде атмосферных осадков 458 тыс. км3. Испаряется с океана, таким образом, больше, чем возвращается с осадками.

Разность в 47 тыс. км3 составляют воды, которые переносятся с океана на сушу в виде водяного пара. Таким образом, в океаническое звено круговорота воды на Земле вовлечено 458 тыс. км3 воды в год.

На поверхность суши ежегодно выпадает в среднем 119 тыс. км3 атмосферных осадков. Они слагаются из воды, испарившейся с поверхности суши (72 тыс. км3), и влаги, принесенной с океана (47 тыс. км3) в год. Важно отметить, что из 72 тыс. км3 испаряющейся ежегодно с поверхности суши воды 30 тыс. км3 (42%) приходится на транспирацию растительным покровом.

Водообмен между сушей и океаном составляет, как уже сказывалось, 47 тыс. км3 в год. Переносимая с океана влага возвращается в него с равным ей по величине материковым стоком. Материковый сток (47 тыс. км3 воды в год) слагается из поверхностного (44,7 тыс. км3 в год) и подземного, не дренируемого реками (2,3 тыс. км3 в год). Поверхностный сток, в свою очередь, включает водный сток рек, впадающих в океан (41,7 тыс. км3 в год), и ледниковый сток (3,0 тыс. км3 в год). Последний представляет собой разгрузку покровных ледников в виде откалывающихся от него айсбергов и поступление непосредственно в океан талой воды из покровных ледников. Наибольшую часть ледникового стока дает Антарктида (2,3 тыс. м3 в год).

По данным аэрологических измерений установлено, что полный перенос влаги на сушу равен 101 тыс. км3 в год. В обратном направлении – с суши на океан – переносится около 54 тыс. км3 в год. Полагают, что из этих 54 тыс. км3 воды одна часть (19 тыс. км3) – результат испарения океанической воды, выпавшей над сушей в виде осад­ков, а другая – 35 тыс. км3 – та же океаническая вода, прошедшая над сушей «транзитом».

При исследовании гидрологических процессов на суше очень важно учитывать, что суша подразделяется на две части — области внешнего стока, откуда выпавшие атмосферные осадки так или иначе поступают в Мировой океан, и области внутреннего стока (бессточные области), не дающие стока в Мировой океан. На долю областей внешнего стока приходится 80 % площади суши, на долю областей внутреннего стока (бессточных) – 20 %.

Главный водораздел земного шара делит всю сушу на два склона: первый – со стоком рек в Атлантический и Северный Ледовитый океаны и второй – со стоком рек в Тихий и Индийский океаны. Главный водораздел проходит по Южной и Северной Америке от мыса Горн по Андам, Скалистым горам до Берингова пролива, по восточному нагорью Азии, пересекает его в широтном направлении, а затем продолжается вдоль восточной окраины Африки к ее южной оконечности. К бассейну Северного Ледовитого океана относится 15 % всей площади суши, Атлантического – 34, Тихого – 17, Индийского – 14 %.

К наиболее обширным областям внутреннего стока (бессточным областям) относятся: в Европе – водосборный бассейн Каспийского моря; в Азии – обширная Туранская низменность, включающая водосборные бассейны Аральского моря и оз. Балхаш, пустыни Алашань, Гоби, Такла-Макан, часть Аравийского полуострова и др.; в Африке – пустыни Сахара, Ливийская, Нубийская, Калахари, водосборы озер Чад, Рудольф и др.; в Северной Америке – пустыня Большого Бассейна, включая район Большого Соленого озера и др.; в Южной Америке – водосборы озер Титикака – Поопо, полупустынные плато Патагонии и др.; в Австралии – западная и центральная части материка (более 50 % всей его площади).

В областях внешнего стока ежегодно выпадает 110 тыс. км3 осадков, а испаряется 63 тыс. км3. Разница (47 тыс. км3) и составляет материковый сток в океан. В областях внутреннего стока выпадает в общей сложности 9 тыс. км3 осадков в год, и весь этот объем воды в конечном счете испаряется.

Все крупнейшие реки мира дренируют области внешнего стока, но и в областях внутреннего стока (бессточных областях) имеются довольно крупные реки с суммарным стоком около 1 тыс. км3 в год. Среди этих рек Волга, Амударья, Сырдарья, Или. На долю Волги приходится около ¼ стока всех рек бессточных областей. Реки в бессточных областях несут свои воды в замкнутые бессточные озера, где эти воды и испаряются.

1.1.6. ВНУТРИМАТЕРИКОВЫЙ ВЛАГООБОРОТ

Осадки на любом участке суши складываются из «внешних», сконденсировавшихся из водяного пара, пришедшего извне, и «внутренних» (или местных), сконденсировавшихся из влаги, испарившейся с поверхности данного конкретного участка суши. Этот сложный многократно повторяющийся процесс называется внутриматериковым влагооборотом.

Важной характеристикой внутриматерикового влагооборота служит отношение внешних и внутренних (местных) осадков или отношение всех осадков к внешним осадкам . Последнюю величину называют коэффициентом влагооборота: .

По ,

(1)

где испарение с рассматриваемого участка суши; длина участка; и – средняя скорость воздушного потока; а – среднее влагосодержание воздуха на наветренной стороне участка. Из выражения (1) следует, что интенсивность внутриматерикового влагооборота тем больше, чем больше размер территории и больше испарение, и тем меньше, чем больше влагосодержание приходящего извне воздуха. Для небольших по площади участков суши приближается к 1. Величина свидетельствует о возможностях влагообеспечения территории за счет местных ресурсов воды. В засушливых районах меньше, в увлажненных – больше. В среднем для частей света получены следующие величины : Европа – 1,42; Азия –1,62; Африка –1,42; Северная Америка – 1,54; Южная Америка –1,68; Австралия – 1,14.

1.1.7. ВОДООБМЕН

В пределах каждого водного объекта происходит обмен вод. Его интенсивность весьма приближенно может быть охарактеризована с помощью коэффициента условного водообмена Кв, представляющего собой отношение приходных или расходных членов уравнения водного баланса к среднему объему вод в водном объекте V. В общем виде это отношение равно:

(2)

где – приток поверхностных вод к водному объекту; – приток подземных вод к водному объекту; X– осадки на его поверхность; – отток поверхностных вод из водного объекта; – фильтрация вод из водного объекта; – испарение с его поверхности. Все характеристики, кроме V, измеряются в м3 или км3 в год, V – в м3 или км3. При вычислении для водных объектов некоторых типов в формуле (2) могут отсутствовать отдельные члены: например, для ледников практически равны нулю, для океана = 0, ~ 0. Слово «условный» введено в понятие для интенсивности водообмена в водном объекте из-за того, что в действительности быстрой и полной замены «старых» вод «новыми» не происходит (не все части водного объекта в равной мере участвуют в обновлении вод). Поэтому коэффициент водообмена весьма приближенно (условно) характеризует действительное обновление вод. Таким образом, коэффициент условного водообмена Кв показывает, сколько раз в году сменяются воды в водном объекте (при Кв> 1) или какая часть объема воды сменяется в течение года (при Кв<1).

Величина, обратная коэффициенту условного водообмена, называется периодом условного водообмена или периодом условного возобновления вод:

(3)

Величина характеризует время, в течение которого произойдет полная замена вод в водном объекте при принятом выше допущении; измеряют в годах, если Кв> 1, и в долях года (ее можно выразить в сутках), если Кв< 1. Так, например, в процессе ежегодного водообмена с атмосферой и сушей принимает участие 505 тыс. км3 океанических вод, т. е. всего 0,04 % их общего объема. Период условного возобновления вод Мирового океана составит: 1338·106/505 · 103 = 2650 лет. Годовой сток всех рек (41,7 тыс. км3) почти в 20 раз больше объема воды, единовременно в них находящегося (2,12 тыс. км3). Поэтому воды в реках должны возобновляться в среднем за 2120/41700 = 0,051 года, или 19 дней. Заметим, что сооружение водохранилищ на реках привело к увеличению объема воды, находящейся в речной сети, и, соответственно, к возрастанию периода условного водообмена.