Глобальный гидрологический цикл и его структура (стр. 5 )

В пределах участка смешения водных масс притока и главной реки (начало такого участка - в створе устья притока) выделяют­ся по минерализации воды и другим гидроэкологическим харак­теристикам три зоны (рис. 4) [1].

Две из них, сужающиеся вниз по течению, расположены у противоположных берегов реки, а между ними находится третья - расширяющаяся вниз по течению фронтальная зона. У берега, противоположного устью притока, находится зона, в которой расположена струя главной РВМ, все большая часть которой с удалением от устьевого створа вовлекается во фронтальную зону. У другого берега реки прослеживается струя все более трансфор­мирующейся водной массы притока вследствие смешения с во­дой расширяющейся фронтальной зоны. А в этой зоне с удалени­ем вниз по течению от устьевого створа все меньше становятся значения поперечного градиента характеристик состава воды. Этот градиент практически совсем исчезает в створе полного смешения обеих РВМ, на нижней границе участка фронтальной трансформации главной водной массы реки [1].

Гидрологическая структура участка смешения РВМ (т. е. соот­ношение размеров трех зон) и его протяженность до створа пол­ного смешения зависит от руслового рельефа, соотношения рас­ходов воды сливающихся рек и в особенности от водности реки. Чем больше расход воды в ней, тем длиннее этот участок смеше­ния, несмотря на то, что с увеличением расхода нередко возрас­тает скорость течения и турбулентное перемешивание водных масс. Тем

не менее при повышенных скоростях течения возрастает уда­ленность створа полного смешения от устьевого створа[1].

Наименее консервативна в этом процессе концентрация взве­шенных наносов, осаждение и взмучивание которых зависит от изменения динамического режима потока в узле слияния рек[1].

Таким образом, каждая речная водная масса - это смесь генетических типов воды, посту­пивших в речную систему с ее водосбора в одну из фаз стока. И только в русле главной реки крупной речной системы на стыке фаз стока может наблюдаться явление вытеснения вод прошед­шей маловодной фазы водной массой наступившей многоводной фазы (например, вытеснение вниз по реке вод зимней межени водной массой начавшегося половодья) [1].

Внутриводоемный сток. Еще большей трансформации подвергаются континентальные водные массы, поступающие в во­доемы суши - пресноводные озера, водохранилища и пруды. По­давляющее большинство таких водоемов проточны, т. е. из них вытекает вода в расположенные ниже участки речной сети. Про­цесс стока в каждом таком водоеме представлен медленным тран­зитным стоковым течением, направленным от устьев рек, втека­ющих в водоем, к истоку вытекающей из него реки[1].

Вследствие замедленного водообмена в водоеме происходит сме­шение РВМ не только разных рек, но и различных фаз их водного режима (половодья, межени, паводков). В результате их фронталь­ной трансформации образуется основная {озерная) водная масса (ОВМ), отличающаяся от речных водных масс прежде всего комп­лексным генетическим составом. Это означает, что каждая водная масса озерного типа представляет собой смесь множества объемов разнородных генетических типов воды, возникших в различных ланд­шафтах одного или нескольких речных водосборов в 2-3 фазах и более данного года или даже многих предшествующих лет. Благода­ря длительному воздействию многообразных внутриводоемных ди­намических процессов ОВМ даже в самых крупных водоемах мира приобретают пространственно однородные физические, химиче­ские и биологические свойства в поверхностном перемешанном слое (эпилимнионе) и глубинном слое (гиполимнионе). Различие не­консервативных характеристик качества воды в этих слоях возни­кает благодаря внутримассовой трансформации лишь в сезоны лет­ней или зимней стагнации. Эти различия исчезают в периоды пол­ной конвективной циркуляции вод в другие сезоны[1].

Таким образом, чем меньше интенсивность внутриводоемного стока, т. е. проточность водоема, тем более продолжительно время пребывания ОВМ в водоеме, тем сильнее ее внутримассовая транс­формация и больше отличие состава воды, вытекающей из водо­ема в речное русло, по сравнению с составом РВМ, питающих водоем. При этом трансформируются (сильно сглаживаются) и внутригодовые колебания характеристик водного, теплового, хи­мического стока и стока наносов. Поэтому для озерных рек, выте­кающих из слабопроточных озер, характерны следующие черты озерного регулирования стока:

а)отсутствие в их внутригодовом водном режиме многоводных и маловодных фаз;

б)постоянство минерализации и химического состава воды,
ее большая прозрачность из-за малой концентрации минеральных
взвесей[1].

В водообмене озер мира участвует в среднем за многолетний период более 2,2 тыс. км3/год речных вод и атмосферных осадков, образующих ежегодно возобновляющиеся динамические водные ре­сурсы озер. Они составляют всего 1% суммарного объема аккуму­лированной в озерах воды, равного 176 тыс. км3. Остальные 99% этого объема представляют собой вековые стационарные озерные ресурсы (водные и биологические). Время пребывания воды в озе­рах разных морфогенетических типов варьирует очень сильно - от нескольких месяцев в сильно проточных водоемах до 300 лет в оз. Байкал, выделяющемся самым замедленным водообменом среди проточных водоемов Земли. Среднее значение времени пребыва­ния воды в озерах мира - около 80 лет[1].

В каждой реке, вытекающей из озера, по мере впадения в нее все большего количества РВМ ее притоков с незарегулирован­ным русловым стоком озерные воды, вследствие фронтальной трансформации, приобретают черты, более свойственные речной водной массе - внутригодовое чередование многоводных и мало­водных фаз стока с генетически обусловленным изменением в реке физических, химических и биологических характеристик воды[1].

Завершается континентальный этап ГГЦ метаморфизацией РВМ в устьевой области, где пресная речная вода смешивается с мор­ской водной массой (МВМ). Здесь на стыке континентального и океанического звеньев ГГЦ главную роль в коренном изменении свойств воды играют следующие процессы:

прекращение перемещения влекомых наносов и осаждение большей части взвешенных наносов вследствие уменьшения уклона речного потока и скорости течения; фронтальное смешение РВМ с намного большим объемом соленой морской воды, сопровождающееся ее пересыщением кар­бонатными ионами, кристаллизацией СаСО3 и его осаждением (при участии водных организмов) на дно приустьевого взморья[1].

Аналогичные процессы метаморфизации состава пресных РВМ протекают и в аридных областях внутреннего стока - в солоноватоводных озерах и приустьевых заливах минеральных озер, куда впадают питающие их реки. Здесь особенно ярко проявляется роль испарения в повышении солесодержания ОВМ (до 100 -300 %о и более), превращающейся в рапу, из которой происходит осаж­дение на дно различных по химическому составу солей[1].

Глава 2. ХИМИЯ КОНТИНЕНТАЛЬНЫХ ВОД, ДЕЛЬТ РЕК И МОРСКОЙ ВОДЫ

2.1. Химия континентальных вод

Континентальные воды очень важны для человека, поскольку они являются единственным надежным источником питьевой воды. Химический состав рек, озер и грунтовых вод сильно варьирует и контролируется преимущественно тремя фактора­ми: химией элементов, режимами выветривания и биологиче­скими процессами. Кроме того, сильное влияние на некоторые системы питьевой воды может оказать воздействие человека [3].

2.1.1. Химия элементов

Двадцать крупнейших рек Земли несут около 40% общего кон­тинентального стока. Эти реки дают наилучшее представление о среднем гло­бальном химическом составе речных вод, который можно срав­нить со средним составом континентальной коры. Такое сравнение позволяет выделить три особенности:

В растворенном состоянии в химическом составе пресной воды преобладают четыре металла, присутствующие в виде простых катионов (Са2+, Na+, К+ и Mg2+). Концентрация ионов в растворе низка. Ионный состав растворенных веществ в пресной воде принципиально отличается от континентальной коры, несмотря на то, что все катионы в речной воде, за исклю­чением некоторого количества натрия и хлора, являются результатом процессов выветривания.

Различие между составом коры и растворенных веществ речной воды особенно заметно для алюминия и железа по срав­нению с другими металлами (табл.1). Такое различие является результатом того способа, каким ионы металлов вза­имодействуют с водой [3].

Таблица 1

Сравнение среднего состава основных катионов в породах континентальной коры и речных водах

Катионы	Континентальная кора, мг·кг-1	Речные воды, мг·кг-1
Алюминий Al3+	80,0	0,05
Железо Fe3+	35,0	0,04
Кальций Са2+	30,0	13,0
Натрий Na+	29,0	5,2
Калий К+	28,0	1,3
Магний Мg2+	13,0	3,4

Ионные соединения хорошо растворимы в полярных раство­рителях типа воды. Однако, находясь в раство­ре, различные ионы вступают в реакции с водой по-разному. Ионы с низким зарядом 1+,2+,1-, 2-) обычно растворяются в виде простых катионов или анионов. Такие ионы слабо взаимо­действуют с водой, за исключением того, что каждый из них окружен ее молекулами. Ионы меньшего размера с более высоким зарядом вступают в реакции с водой, притягивая ОН-, и образуют незаряженные и нерастворимые гидроксиды, высвобождая в ходе реакции ионы водорода [3].

Кроме того, небольшие и более высокозаряженные ионы взаимодействуют с водой с образованием относительно боль­ших и устойчивых ионов (так называемых оксианионов), на­пример сульфата (S042-), путем притягивания ионов кислорода и опять же высвобождая ионы водорода [3].