| Все реки земного шара единовременно содержат примерно 1200 км3 воды. Но речная вода все время течет. «Нельзя дважды войти в одну и ту. же реку» — сказал некогда древнегреческий ученый и философ Гераклит. Действительно, за год вода в реках меняется в среднем 30 раз. Откуда реки получают свою «вечнотекущую» воду?
Часто реки начинаются там, где подземные воды выходят на поверхность, — на склоне горы или холма, в овраге, в болотистой низине. Река Урал, например, начинается родничками, бегущими с гор, Волга вытекает из болота. Горные реки нередко начинаются у нижнего края ледников. Обычно даже большие реки образуются из небольших ручьев. Исключение составляют реки, вытекающие из озер, — Нева, Ангара, Рона и др. Питание рек может быть разное: дождевое, снеговое, ледниковое или подземное, но всегда первоисточником его служат атмосферные осадки. На суше ежегодно выпадает около 108 тыс. км3 осадков, из них 35,4 тыс. км3 стекает в океан по руслам рек и около 2,8 тыс. км3 воды поступает в океан из ледников Гренландии и Антарктиды; остальная вода испаряется.
На своем пути река с помощью притоков собирает выпадающие атмосферные осадки нередко с огромной территории, которую называют водосборным бассейном.
Количество воды, которое река за год выносит в море, океан или в бессточное озеро, называют ее стоком, а количество воды, протекающее в реке через ее поперечное сечение в одну секунду, носит название расхода реки. Сток может меняться от года к году в очень широких пределах: он зависит от количества выпавших за год атмосферных осадков. Расход реки меняется в течение года. Выше всего он бывает во время паводков и половодья.
Половодье — это продолжительный подъем уровня в реке, вызываемый основным источником ее питания; повторяется оно ежегодно в определенный сезон. Паводок — сравнительно кратковременное поднятие уровня воды, которое возникает, например, после сильных дождей. Паводки и половодье иногда приводят к катастрофическим наводнениям: затопляют села и города, разрушают жилища, уничтожают посевы и смывают верхний плодородный слой почвы.
При дождевом питании половодье у рек наступает в период дождей, при снеговом — весной, при ледниковом — летом. У рек, берущих начало на склонах высоких гор, бывает два половодья: первое — весной при таянии снега, второе — летом при таянии ледников. Период низкого уровня воды в реке по окончании половодья называют меженью.
В тропиках у рек бывает короткое половодье и длительный период межени. В умеренных и северных широтах к половодью и сменяющей его межени у рек добавляется еще зимний период, когда они скованы льдом; в это время уровень воды в реках низкий.
Во время половодья река сбрасывает в море от 2/3 до 3/4 годового стока. Это невыгодно для орошения и водоснабжения, а также и для использования речного стока гидроэлектростанциями. Чтобы выровнять сток в течение года, реки перегораживают плотинами и накапливают полые воды в водохранилищах. Помогают уменьшить паводок также задержание снега на полях, глубокая зяблевая вспашка, лесные массивы и полезащитные лесные полосы.
Плавно текут равнинные реки, образуя широкие излучины — меандры и многочисленные старицы, заполненные весенними полыми водами.
Устойчивый сток рек в сухое время года поддерживается подземными водами. Между рекой и водоносными слоями прилегающей к ней территории происходит непрерывный водообмен. Во время прибыли воды ее уровень в реке становится выше, чем уровень подземных вод, и речная вода просачивается в поры водоносных слоев и пополняет запасы подземных вод. При низком уровне воды в реке происходит обратный процесс — подземные воды питают обмелевшую реку.
Общая численность рек на Земле велика. Только в нашей стране рек, имеющих названия и нанесенных на географические карты, сотни тысяч.
При обильных дождях или при таянии снега часть воды стекает по поверхности Земли до ближайшего ручья или реки и образует поверхностный сток. Стекая по склону, вода уносит с собой частицы почвы. Собираясь в небольшие временные ручейки, вода сильнее размывает почву и образует в ней промоины, которые со временем превращаются в овраги. Этот процесс называют водной эрозией. Овраги сокращают площадь сельскохозяйственных земель, а смыв почвы уменьшает ее плодородие. На территории нашей страны ежегодно смыв почв, по подсчетам ученых, близок к 535 млн. т. И это несмотря на то, что с эрозией почв у нас ведется непрестанная борьба (см. т. 6 ДЭ, ст. «Как борются с разрушением почв»).
Водная эрозия в течение миллиардов лет формировала и продолжает формировать поверхность нашей планеты. Подсчитано, что за 125 тыс. лет вода смывает с материков в среднем слой почвы толщиной в 1 м. Реки ежегодно выносят в океаны и моря около 10—12 км3 твердых минеральных веществ (твердый речной сток) и 3300 млн. т растворенных органических веществ и минеральных солей. Например, Амударья в 1 м3 воды несет в среднем 2300 г твердого материала, Волга — 100 г, Нева — только 10 г. И все же примерно через 2 тыс. лет остров Котлин, на котором стоит Кронштадт, может соединиться с материком.
Строение и классификация болот
Болота — избыточно увлажненные участки суши со своеобразной болотной растительностью и слоем торфа не менее 0,3 м, поэтому характеризуются затрудненным обменом газов. Болота обычно содержат от 87 до 97 % воды и лишь 3-13 % сухого вещества (торфа).
При меньшей мощности торфа или его отсутствии избыточно увлажненные территории называютсязаболоченными землями.
Болота формируются при зарастании водоемов или при заболачивании местности.
Основной путь образования болот — заболачивание, которое начинается с появления периодического, а затем постоянного переувлажнения почвогрунтов. Этому способствует климат. Избыток влаги из-за обилия осадков или слабого испарения, а также высокий уровень грунтовых вод, характер грунта — плохо проницаемые породы; «вечная мерзлота», рельеф — плоские участки при неглубоком дренаже или понижения с замедленным стоком; продолжительные половодья на реках и т. д. Леса в условиях избытка влаги, а значит, анаэробных условий и кислородного голодания погибают, что способствует большему заболачиванию из-за сокращения транспирации.
На переувлажненных землях поселяется влаголюбивая растительность, приспособленная к недостатку кислорода и минерального питания, — мох и др. Моховая дернина, хорошо впитывающая и задерживающая влагу, напоминающая мокрую губку, способствует еще большему заболачиванию суши. Так что в дальнейшем именно растительности принадлежит ведущая роль в заболачивании. В условиях недостатка кислорода происходит неполное разложение растительных остатков, которые, накапливаясь, образуют торф. Поэтому заболачивание практически всегда сопровождается торфонакоплением.
Наиболее благоприятные условия для накопления торфа существуют в лесах умеренного пояса, особенно Западной Сибири, где в пределах лесоболотной зоны заболоченность составляет иногда более 50 % территории, мощность торфа 8-10 м. К северу и югу от лесной зоны мощность торфяной залежи сокращается: к северу вследствие уменьшения прироста растительной массы в условиях холодного климата, к югу — из-за более интенсивного разложения растительных остатков в теплом климате. В условиях жаркого влажного климата огромный прирост биомассы компенсируется интенсивным процессом распада отмерших растений, и болот немного, хотя вечнозеленые экваториальные леса переувлажнены.
Строение торфяной залежи болот, возникших на месте озер или суходолов, различно. Торфяники, образовавшиеся в результате заболачивания озер, имеют под слоем торфа озерный ил — сапропель, а при заболачивании суши торф залегает непосредственно на минеральном грунте.
Болота развиваются в различных климатических условиях, но особенно характерны для лесной зоны умеренного пояса и тундр. На их долю в Полесье приходится 28 %, в Карелии — около 30 %, а в Западной Сибири (Васюганье) — свыше 50% территории. Резко уменьшается заболоченность в степных и лесостепных зонах, где меньше осадков, а испаряемость усиливается. Общая площадь, занимаемая болотами, составляет около 2 % площади суши Земли.
Типы болот
По характеру водного питания и растительности болота подразделяют на три типа: низинные, верховые и переходные.
Низинные болота образуются на месте бывших озер, в долинах рек и в понижениях, которые постоянно или временно затопляются водой. Питаются они преимущественно грунтовыми водами, богатыми минеральными солями. В растительном покрове господствуют зеленые мхи, различные осоки и злаки. На более старых болотах появляются береза, ольха, ива. Эти болота отличаются слабой заторфованностью — мощность торфа не превышает1 — 1,5 м.
Верховые болота формируются на плоских водоразделах, питаются в основном атмосферными осадками, для растительности характерен ограниченный видовой состав — сфагновые мхи, пушица, багульник, клюква, вереск, а из древесных — сосна, береза, реже кедр и лиственница. Деревья сильно угнетены и низкорослы. Сфагновый мох лучше произрастает в середине болотного массива, на окраинах он угнетается минерализованными водами. Поэтому верховые болота несколько выпуклые, их середина возвышается на 3-4 м. Торфяной слой достигает 6-10 м и более.
Переходные болота, или смешанные представляют переходную стадию между низинными и верховыми. В низинных болотах происходит накопление растительных остатков, поверхность болота повышается. В результате этого грунтовая вода, богатая солями, перестает питать болото. Травяная растительность отмирает и заменяется мхами.
Таким образом, низинные болота превращаются в верховые, а последние покрываются затем кустами или луговой растительностью, превращаясь в суходольные луга. Поэтому в природе редко встречаются моховые или травяные болота в чистом виде.
Болота имеют большое хозяйственное значение. Так, торфяные болота — источник топлива для промышленности. Первая тепловая электростанция в мире, работающая на торфе, была построена в России в 1911 г. (в г. Электроугли).
Торф низинных болот — хорошее органическое удобрение. Поэтому частично низинные болота осушают и превращают в плодородные угодья. Но не все болота подлежат осушению, часть из них надо сохранять, чтобы не нарушить сложившиеся в природе взаимосвязей.
Болота увлажняют воздух местности, являются местами произрастания ценных видов растений (клюквы, морошки, голубики) и обитания многих видов животных, особенно птиц, являются природными резервуарами воды, которые питают реки.
Подземные воды.
Воды, находящиеся в верхней части земной коры, носят название подземных вод.
Подземные воды образуются преимущественно путем инфильтрации. Атмосферные осадки, речные и другие воды под действием силы тяжести просачиваются по крупным порам и трещинам пород. На глубине они встречают водоупорные слои. Вода задерживается и заполняет пустоты пород. Так создаются водоносные горизонты. Количество воды, инфильтрующейся с поверхности, определяется действием многих факторов: характером рельефа, составом и фильтрующей способностью пород, климатом, растительным покровом, деятельностью человека и т.д.
Русский ученый А.Ф. Лебедев доказал, что в образовании подземных вод принимает участие также конденсация водяных паров, которые проникают в поры пород из атмосферы. Этот путь образования подземных вод хорошо прослеживается в рыхлых породах, которые служат основанием сооружений. Вследствие того, что эти породы имеют температуру ниже окружающих пород, в них происходит конденсация паров и формирование подвешенного горизонта подземной воды под фундаментом.
Воды земной коры постоянно в течение длительного геологического времени пополняются ювенильными водами, которые возникают в глубине земли за счет кислорода и водорода, выделяемых магмой. Прямой выход на поверхность Земли ювелиальные воды в виде паров и горячих источников имеют при вулканической деятельности.
Физические свойства и химический состав подземных вод.
Основными физическими свойствами природных вод являются: температура, цвет, прозрачность, вкус и запах.
Температура подземных вод колеблется в широких пределах, но чаще всего плюс 7-11°. Химически чистая вода бесцветна. Окраску воде придают механические примеси (желтоватая, изумрудная и т.д.). Прозрачность воды зависит от цвета и наличия мути. Вкус связан с составом растворенных веществ: соленый - от хлористого натрия, горький - от сульфата магния и т.д. Запах зависит от наличия газов биохимического происхождения (сероводород и др.) или гниющих органических веществ.
Химический состав подземных вод. Все подземные воды всегда содержат в растворенном состоянии большее или меньшее количество солей, газов, а также органических соединений.
Растворенные в воде газы (О, С02, CH4, Н2S и др.) придают воде определенный вкус и свойства. Количество и тип газов обусловливает степень пригодности воды для питьевых и технических целей. Подземные воды у поверхности земли нередко загрязнены органическими примесями (различные болезнетворные бактерии, органические соединения, поступающие из канализационных систем, и т.д.). Такая вода имеет неприятный вкус и опасна для здоровья людей.
Соли. В подземных водах наибольшее распространение имеют хлориды, сульфаты и карбонаты. По общему содержанию растворенных солей подземные воды разделяют на пресные (до 1 г/л растворенных солей), солоноватые (от 1 до 10 г/л), соленые (10-50 г/л) и рассолы (более 50 г/л). Количество и состав солей устанавливается химическим анализом. Полученные результата выражают в виде состава катионов и анионов, мг/л или мг-экв/л.
Присутствие солей придает воде такие свойства, как жесткость и агрессивность.
Жесткость обусловливается значительным количеством растворенных в воде солей кальция и магния. Такая вода дает большую накипь в паровых котлах, плохо мылится и т.д. В настоящее время в СНГ жесткость принято выражать количеством миллиграмм-эквивалентов кальция и магния, 1 мг-экв жесткости соответствует содержанию в 1 л воды 20,04 мг иона кальция или 12,6 мг иона магния. В других странах жесткость измеряют в градусах (1 мг-экв = 2,8°). По жесткости воду разделяют на мягкую (менее 3 мг-экв или 8,4°), средней жесткости (3-6 мг-экв или 8,4 - 16,8°), жесткую (6-9 мг-экв или 16,8 - 25,2°) и очень жесткую (более 9 мг-экв или 25,2°). Наилучшим качеством обладает вода с жесткостью не более 7 мг-экв/л.
Жесткость бывает временной и постоянной. Временная жесткость обусловлена присутствием бикарбонатов и может быть устранена кипячением. Постоянная жесткость, обусловленная сернокислыми и хлористыми солями, кипячением не устраняется. Сумма временной и постоянной жесткости называется общей жесткостью.
Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном воздействии растворенных в воде солей на строительные материалы, в частности, на портландцемент. Поэтому при проектировании и строительстве фундаментов и различных подземных сооружений необходимо уметь оценивать степень агрессивности подземных вод и определять меры борьбы с ней. В существующих нормах, оценивающих степень агрессивности вод по отношению к бетону, кроме химического состава воды учитывается коэффициент фильтрации пород. Одна и та же вода может быть агрессивной и неагрессивной. Это обусловлено различием в скорости движения воды - чем она выше, тем больше объемов воды войдет в контакт с поверхностью бетона и, следовательно, значительнее будет агрессивность.
По отношению к бетону различают следующие виды агрессивности подземных вод:
- общекислотная - оценивается величиной рН: в песках вода считается агрессивной, если рН меньше 7,а в глинах - меньше 5;
- сульфатная - определяется по содержанию иона S042-; при содержании S042- в количестве более 200 мг/л вода становится агрессивной;
- магнезиальная - устанавливается по содержанию иона Мg2+;
- карбонатная - связанная с воздействием на бетоны агрессивной углекислоты; этот вид агрессивности возможен только в песчаных породах.
Агрессивность подземных вод устанавливают сопоставлением данных химических анализов воды с требованиями предъявляемыми нормативной документацией. После этого определяют меры борьбы с ней. При этом используют специальные цементы, производят гидроизоляцию подземных частей зданий и сооружений, понижают уровень грунтовых вод устройством дренажей и т.д.
Классификация подземных вод, условия их залегания
По условиям залегания выделяют три типа подземных вод: верховодку, грунтовые и напорные, или артезианские.
Верховодкой называются подземные воды, залегающие вблизи поверхности земли и отличающиеся непостоянством распространения и дебита. Обычно верховодка приурочена к линзам водоупорных или слабо проницаемых горных пород, перекрываемых водопроницаемыми толщами. Верховодка занимает ограниченные территории, это явление – временное, и происходит оно в период достаточного увлажнения; в засушливое время гола верховодка исчезает. Верховодка приурочена к первому от поверхности земли водоупорному пласту. В тех случаях, когда водоупорный пласт залегает вблизи поверхности или выходит на поверхность, в дождливые сезоны развивается заболачивание.
К верховодке нередко относят почвенные воды, или воды почвенного слоя. Почвенные воды представлены почти связанной водой. Капельно-жидкая вода в почвах присутствует только в период избыточного увлажнения.
Грунтовые воды. Грунтовыми называются воды, залегающие на первом водоупорном горизонте ниже верховодки. Обычно они приурочены к выдержанному водонепроницаемому пласту и характеризуются более или менее постоянным дебитом. Грунтовые воды могут накапливаться как в рыхлых пористых породах, так и в твёрдых трещиноватых коллекторах. Уровень грунтовых вод представляет собой неровную поверхность, повторяющую, как правило, неровности рельефа в сглаженной форме: на возвышенностях он ниже, в пониженных местах – выше. Грунтовые воды перемещаются в сторону понижения рельефа.
Уровень грунтовых вод подвержен постоянным колебаниям. Как отмечалось выше, на него влияют различные факторы: количество и качество выпадающих осадков, климат, рельеф, наличие растительного покрова, хозяйственная деятельность человека и многое другое.
Грунтовые воды, накапливающиеся в аллювиальных отложениях – один из источников водоснабжения. Они используются как питьевая вода, для полива. Выходы подземных вод на поверхность называются родниками, или ключами.
Напорные, или артезианские воды. Напорными называют такие воды, которые находятся в водоносном слое, заключенном между водоупорными слоями, и испытывают гидростатическое давление, обусловленное разностью уровней в месте питания и выхода воды на поверхность. Область питания у артезианских вод обычно лежит выше области стока воды и выше выхода напрных вод на поверхность Земли. Если в центре такой чаши, или мульды, заложить артезианскую скважину, то вода из нее будет вытекать в виде фонтана по закону сообщающихся сосудов.
Размеры артезианских бассейнов бывают весьма значительными – до сотен и даже тысячи километров. Области питания таких бассейнов зачастую значительно удалены от мест извлечения воды. Так, воду, выпавшую в виде осадков на территории Германии и Польши, получают в артезианских скважинах, пробуренных в Москве; в некоторых оазисах Сахары получают воду, выпавшую в виде осадков над Европой.
Артезианские воды характеризуются постоянством дебита и хорошим качеством, что немаловажно для её практического использования.
| |
