Текст книги "Инженерная геоэкология"

3.6. Подземные воды

Подземные воды – это воды, которые в жидком, твердом или газообразном состоянии находятся в земной коре и активно взаимодействуют с атмосферой и поверхностными водами (океанами, морями, реками, озерами и болотами), участвуют в круговороте воды на земном шаре. Они представлены в основном капиллярной и свободной (гравитационной) водой, а также перемещающимся в порах грунта водяным паром.

Подземные воды образуются преимущественно в результате просачивания атмосферных осадков и поверхностных вод, а частично за счет конденсации водяного пара, проникающего из более глубоких земных слоев и атмосферы. На ложе океанов и морей подземные воды образуются из океанических и морских вод в процессе седиментации, т. е. отложения наносов.

По происхождению подземные воды подразделяют на следующие группы:

– инфильтрационные – воды, просачивающиеся в земную кору через зернистые породы;

– инфлюационные – воды, втекающие с поверхности по трещинам и пустотам горных пород;

– конденсационные – воды, образующиеся из парообразной влаги воздуха, заключенного в подземных порах, трещинах и других пустотах;

– ювенильные – воды магматического происхождения;

– седиментационные – воды осадочных пород.

Подземные воды Земли подразделяются на две группы: подземные воды суши и подземные воды под океанами и морями.

Подземные воды суши разделяются на два вида. Один из них – подземные воды зоны аэрации. Эта зона охватывает верхние, не насыщенные водой слои грунта, включая почву от дерновой поверхности до уровня грунтовых вод. Через эту зону подземные воды связываются с атмосферой. Другой вид – подземные воды зоны насыщения. Она характеризуется полным заполнением жидкой водой пор и пустот в ее пределах. Верхней границей этой зоны служит зона аэрации, или зона многолетнемерзлых грунтов, а нижней – глубина распространения величин температур, при которых невозможно существование жидкой воды. В зоне насыщения находятся разные по гидравлическим условиям типы вод: безнапорные грунтовые – воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта; артезианские – напорные подземные воды, залегающие в водоносных горизонтах между водоупорными пластами; глубинные – напорные воды, расположенные на больших глубинах, испытывающие воздействие гидростатического давления.

По характеру пустот в горных породах подземные воды делятся на поровые (в песках), трещинные (в гранитах и песчаниках) и карстовые (в растворимых известняках и глинах).

По химическому составу подземные воды близки к поверхностным водам суши, в них преобладают карбонаты. Подземные воды являются природными растворами, содержащими свыше 60-ти химических элементов, в том числе калий, натрий, марганец, железо, алюминий, хлор, сера, углерод, силикаты, азот, кислород и водород. Подземные воды разделяются следующим образом: пресные, солоноватые, соленые и рассолы.

Минеральные воды имеют повышенное содержание биологически активных веществ и различную температуру. Они оказывают лечебное действие на человека.

Газовый состав подземных вод характеризуется насыщением их углекислым газом, кислородом, азотом, этиленом и т. п.

Природные процессы, свойственные подземным водам, сложны, разнообразны и изменчивы во времени и пространстве; их совокупность или отдельные составляющие характеризуются режимом подземных вод. Наибольшим изменениям элементы режима (уровень, температура и др.) подвержены в водоносных горизонтах со свободной водной поверхностью, и тем больше, чем ближе воды расположены к поверхности земли. По своему режиму наиболее изменчивы грунтовые воды. В них проявляются годовые, сезонные и даже суточные колебания наиболее показательных элементов режима. Формирование режима подземных вод связано с их водным балансом.

Водный баланс подземных вод

Составляющие водного баланса подземных вод включают в себя атмосферные осадки, поверхностный сток (приходная часть); испарение с водной поверхности и воду, поступающую в зону аэрации при просачивании в грунт (расходная часть).

Водный баланс зоны аэрации складывается из воды, проникающей с поверхности, и стока в почвенном слое (подповерхностный слой). Это приходная часть. Расходная часть охватывает воду, поглощаемую корневой системой растений из зоны аэрации, и подземное испарение воды в этой зоне.

В водном балансе водоносного горизонта грунтовых вод учитываются их питание из зоны аэрации, сток грунтовых вод, испарение с поверхности грунтовых вод, их питание из глубинных напорных горизонтов или разгрузка грунтовых вод в эти глубинные горизонты.

Роль зоны аэрации и грунтовых вод в формировании водного баланса участков речных бассейнов в разных природных условиях состоит в следующем: зоны аэрации имеют большое значение в вертикальном водообмене в речном бассейне; значительная доля в речном стоке приходится на подземную составляющую; испарение воды растениями играет большую роль в величине испарения.

Основные составляющие водного баланса подземных вод определяются характером природных условий того или иного района земного шара. Элементы водного баланса зоны аэрации и грунтовых вод в значительной мере зависят от атмосферных осадков, геологического строения района, характера почв, что сказывается на режиме вод.

От величины и изменения составляющих водного баланса в основном зависит положение уровня подземных вод. Уровень реагирует на изменения их питания, т. е. поступления вод из зоны аэрации, и изменения притока-оттока подземных вод. Величины колебаний уровня грунтовых вод определяются не только изменением запасов вод, но и водными свойствами породы, вмещающей воду, в частности водоотдачей этой породы. Один и тот же объем породы с разными водными свойствами содержит различное количество воды, способной к вытеканию. Чем меньше водоотдача, чем меньше свободной воды способна вмещать порода в единице объема, тем значительнее колебания уровня, происходящие в водоносном слое при прочих равных условиях.

Слои горных пород, насыщенные гравитационной водой, называются водоносными. Подземные воды, которые находятся под гидростатическим давлением, называются артезианскими.

Поскольку и величина элементов водного баланса, и водоотдача почвы неодинаковы во времени и пространстве, различны и временные колебания уровня подземных вод. Они бывают многолетними и вызываются колебаниями атмосферных осадков и испарения. Наиболее важны сезонные колебания уровня подземных вод. Они имеют четко выраженный зональный характер, что объясняется особенностями питания и расходования грунтовых вод в различных географических зонах. В районах многолетнемерзлых грунтов подземные воды находятся в жидком состоянии лишь в осенне-зимнее время. Максимальный уровень здесь связан с талым и дождевым питанием и обычно наблюдается в июне-июле, а при продолжительных летних дождях – и в августе-сентябре.

В умеренных широтах, где в сезонном ходе преобладает весеннее и осеннее питание грунтовых вод, а зимой зона аэрации промерзает, максимально высокое положение уровень занимает весной – за счет питания талыми водами, летом и осенью – за счет обильных дождей. Минимальные высоты уровня наблюдаются обычно в предвесеннее время.

В южных и западных районах нашей страны, где вследствие непродолжительной и мягкой зимы происходит круглогодичное питание грунтовых вод, осадки практически без перерыва проникают в грунтовые воды. В связи с этим их уровень, начиная с осени, повышается и достигает максимума к середине зимы. К концу зимы, весной и летом возрастают потери воды, так как увеличивается испарение, и минимальный уровень приходится на июль-август.

Температура грунтовых вод, залегающих неглубоко, определяется влиянием температуры воздуха и температуры вод, проникающих с поверхности.

Положение зоны с постоянной температурой грунтовых вод наиболее близко к поверхности Земли (всего несколько метров) у экватора, что объясняется небольшой величиной сезонных колебаний температуры воздуха на поверхности земли. Наиболее глубоко (до 40 м) зона постоянной температуры грунтовых вод наблюдается в условиях резко континентального климата.

В верхней части подземных вод этой зоны их температура изменяется с севера на юг от 0 до +20 °C, что примерно соответствует средней многолетней температуре воздуха на поверхности Земли (превышение ее составляет всего 1–3 °C).

В наиболее теплых южных районах температура грунтовых вод достигает +20 – +25, а местами – +30 – +35 °C, что связано с сильным прогревом поверхности.

Подземные воды бывают переохлажденными (до —20 °C), холодными (до —4 °C), теплыми (до +37 °C), горячими (до +100 °C) и перегретыми (выше +100 °C).

В толще земной коры вода находится в разном физическом состоянии (жидком, твердом, газообразном) и распространена практически повсеместно, хотя отдельные ее виды (например, твердая фаза) встречаются не везде.

Запасы почвенной влаги на Земле исчисляются в 16 500 км³, а особенности ее залегания в значительной степени обусловлены географическим расположением.

Зональность распределения грунтовых вод на территории европейской части РФ проявляется, в частности, в том, что в направлении с севера на юг грунтовые воды углубляются и минерализуются, в них уменьшается содержание органических веществ.

Зоны грунтовых вод выделены по климатическим и геоморфологическим признакам. Особо выделяются тундровая зона и зона высоких вод на севере, а также овражно-балочная зона причерноморских и прикаспийских балок (балка – сухая долина или большой пологий овраг).

В настоящее время установлены три обособленные провинции, различающиеся между собой климатическими особенностями и своеобразием распределения грунтовых вод.

Первая провинция – область многолетней мерзлоты; она характеризуется отрицательными среднегодовыми величинами температуры воздуха. В этой провинции по условиям залегания выделяются надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные подземные воды Надмерзлотные воды залегают вблизи земной поверхности, питаются атмосферными осадками и талыми водами. Мерзлый грунт служит для них водоупором. Межмерзлотные и надмерзлотные воды при выходе на поверхность или в аллювиальные отложения речных долин служат источником питания рек.

Вторая провинция – область постоянного и переменного увлажнения; охватывает почти всю равнинную часть европейской территории РФ и часть Западно-Сибирской низменности. По мере продвижения с севера на юг минерализация и глубина залегания грунтовых вод увеличиваются.

Третья провинция – недостаточного увлажнения область. В ней выделяются районы равновесия подземного стока и испарения и районы предгорных равнин.

Для напорных вод характерно их сосредоточение в артезианских бассейнах. Они распространены в разных районах земного шара. Так, в Европе наиболее известен Парижский артезианский бассейн. Обширные артезианские бассейны имеются в Северной Африке и Австралии. В пределах Русской платформы расположены Московский и Днепровско-Донецкий бассейны. Известны Прибалтийский, Причерноморский, Приазовский, Прикаспийский, а также Якутский и Западно-Сибирский бассейны.

По способу использования подземные воды делятся на хозяйственно-питьевые, технические и промышленные. При использовании подземных вод возникают экологические проблемы, связанные с их загрязнением химически опасными стоками. К загрязнению грунтовых вод и засорению родников часто приводит создание свалок твердых бытовых отходов. Чрезмерное применение пестицидов и минеральных удобрений также приводит к загрязнению подземных вод. В свою очередь, наличие подземных вод часто приводит к заболачиванию и подтоплению территорий, а также к оползням и осадке грунтов, что вызывает неблагоприятные экологические последствия.

3.7. Мировой океан

Слово «океан» («великая река, обтекающая Землю») пришло из Древней Греции.

Из 510 млн. км² площади земного шара площадь в 363 млн. км² (70,8 %) покрыта водой Мирового океана.

Мировой океан – это не только вода, но и его берега, дно, водные животные и растения. При этом Мировой океан понимается как целостное природное образование, самостоятельный географический объект планетарного масштаба. В нем водная среда вступает в сложное взаимодействие с атмосферой, литосферой (материк, берега и дно) и биосферой (органический мир).

Мировой океан – открытая динамическая система, которая обменивается веществом и энергией со средами, находящимися с ней в контакте. Этот обмен происходит в форме планетарных круговоротов, в которых участвуют тепло, влага, соли и газы. Процессам обмена в этой системе свойственно саморегулирование, направленное на выравнивание природных возмущений и восстановление некоторого равновесия, при котором преобразование веществ в основном сбалансировано.

Важнейшее свойство Мирового океана – его единство – обеспечивается прежде всего общностью солевого состава и подвижностью вод, их непрерывным горизонтальным и вертикальным движением. В океане происходит перераспределение масс и тепла течениями, перенос вод из одних районов в другие, опускание поверхностных слоев в глубину и подъем глубинных вод к поверхности. Все это создает общую циркуляцию вод Мирового океана.

На обширных пространствах Мирового океана не одинаковы приход тепла на поверхность и его расход, атмосферная циркуляция и другие явления, что приводит к созданию неоднородностей в распределении гидрологических характеристик (температуры, солености и плотности воды), а также в системах течений, приливов, биологической продуктивности, видового состава организмов и т. д. Природные различия в Мировом океане определяются как глобальными факторами, связанными главным образом с географической широтой, так и местными условиями (влиянием суши, конфигурацией береговой линии, рельефом дна, материковым стоком и др.). Наиболее заметно отличаются друг от друга крупные части океанских пространств, разделенные сушей в процессе формирования Земли.

Мировой океан делится на четыре океана: Тихий (50 % площади Мирового океана), Атлантический (25 %), Индийский (21 %) и Северный Ледовитый (4 %).

Деление Мирового океана на части необходимо для решения научных и прикладных задач, и прежде всего для гидрографической службы. В ее задачи входит составление навигационных карт, лоций и других пособий для обеспечения мореплавания в любой части Мирового океана. Мировой океан омывает берега многих государств, каждое из которых имеет право на территориальные воды и особую юрисдикцию в зонах экономических интересов прибрежных стран.

Мировой океан разделяют по многим признакам. При этом важны обоснованность и четкость проведения границ между отдельными частями. Очевидной естественной границей любой части Мирового океана служит берег, оконтуривающий водные пространства, которые и выделяются как самостоятельные природные объекты. Делят Мировой океан и по степени обособленности его отдельных частей подводными хребтами и возвышенностями, т. е. по геоморфологическим признакам. Разделение Мирового океана усложняется при определении морских границ между его частями. В этом случае границы проводятся по гидрологическим признакам (системы течений, зоны встречи теплых и холодных вод и др.). Границами нередко служат линии, проводимые по карте между характерными пунктами на берегу (например, мысами, входами в бухты и т. п.). Таким образом, разделение Мирового океана включает в себя обоснованное выделение его отдельных частей – природных образований – и проведение правильных границ между ними.

Течения воды в океане

Вода в океанах и морях постоянно циркулирует под действием гравитационных сил, в результате изменения температуры и плотности воды. Циркуляция образует течения: в океанах – океанические, в морях – морские.

Течения делятся на следующие типы:

– ветровые (основной вид движения поверхностного слоя воды);

– плотностные (вызываются силами гравитации);

– стоковые (образуются за счет разности уровня вод);

– компенсационные (за счет замены убывшей воды).

По физико-химическим признакам течения делятся на теплые (Гольфстрим, Куросио) и холодные (Лабрадорское, Курильское), а также на соленые и опресненные течения.

По характеру изменчивости течения могут быть постоянными, временными и периодическими (приливно-отливными).

На поверхности океана течения распространяются широкими полосами; на глубине течения медленнее, чем на поверхности, и движутся чаще всего в обратном направлении. Гольфстрим омывает значительную часть берегов Америки и Европы, Куросио – берега Японии и Северной Америки; они создают благоприятные климатические условия на суше.

Благодаря подвижности частицы воды под действием различных сил выходят из состояния равновесия и начинают колебаться, образуя волны.

Воды океана перемещаются в горизонтальном и вертикальном направлениях. Волны вызываются ветрами, приливами и землетрясениями.

Ветровые волны образуются под действием трения о склоны наветренных гребней воды. Их развитие начинается с образования ряби. Возрастая, рябь становится гравитационной, увеличивающейся по длине и высоте. Эти волны бегут параллельными рядами и затем распадаются на обособленные гребни. Длина волн может достигать 400 м, а скорость распространения – 15 м/с. Затухание ветровой волны происходит при снижении скорости ветра и уменьшении глубины океана.

Волны, возникающие за счет сдвига участков дна океана при сильных подводных и прибрежных землетрясениях и извержениях вулканов, называются цунами. Они охватывают всю толщу воды и имеют весьма большую длину. Малая сжимаемость воды и быстрота процесса при этом не позволяют воде растекаться; на ее поверхности возникают возвышения или понижения. Скорость распространения цунами может достигать 1000 км/ч, а высота волны – до 50 м.

Длинные волны с периодом прохождения до 5 мин называются тягунами; они характерны для портов, бухт и гаваней и возникают под действием ветра. Интенсивность тягуна зависит от периода колебаний собственных вод залива и от изменения его глубины.

В небольших акваториях иногда возникают внутренние волны, связанные с зыбью.

Изучение волн имеет практический интерес, связанный с проблемами мореплавания.

Температурный режим океана

В реальных природных условиях величина температуры воды в Мировом океане изменяется в широких пределах по горизонтали, вертикали и во времени. Главные причины этого: значительные различия прогрева вод за счет солнечной радиации и их охлаждения при отдаче тепла в атмосферу в разных районах океана; перераспределение тепла течениями; смешение верхних и нижележащих слоев; образование и таяние льда в высоких широтах.

Средняя температура поверхностных вод всего Мирового океана равна 17,5 °C. На его обширных пространствах температура может колебаться от —2 до +29 °C. Нижняя граница определяется температурой замерзания, а верхняя – теплообменом на поверхности океана. При этом верхний слой воды толщиной 1 см поглощает до 94 % солнечной энергии.

В Мировом океане распределение температуры на поверхности носит зональный характер, так как поступление солнечного тепла зависит от географической широты. Оно наибольшее в экваториальной зоне, поэтому в ней наблюдается и самая высокая поверхностная температура воды. Линия наивысшей температуры воды называется термическим экватором. Здесь средняя годовая температура воды составляет +27 – +28 °C. В Северном полушарии эта линия смещается на 7—10 ° к северу летом и к югу – зимой. В тропиках температура воды +25 – +27 °C отмечается в западной части Мирового океана, а в восточных районах она на 8—10 °C ниже, что объясняется притоком относительно холодных вод с севера в Северном и с юга – в Южном полушариях. В умеренных широтах температура воды составляет около +14 – +15 °C в Северном полушарии и около +13 °C – в Южном. В полярных водах температура воды на поверхности находится в пределах от нулевых значений до близких к ним отрицательных величин.

Широтная изменчивость поверхностной температуры воды неодинакова в разных районах Мирового океана.

Течения местами переносят более теплые или более холодные воды из одних широтных зон в другие, повышая либо понижая температуру воды в этих районах. Наиболее характерные примеры: перенос теплых вод Гольфстримом в северо-западной части Атлантического океана и течением Куросио – в северозападном районе Тихого океана. В этих районах температура воды на поверхности несколько выше, чем ее среднеширотные значения.

В тепловом балансе океанических вод значительную роль играют материковые воды, поступающие летом в прибрежную часть Северного Ледовитого океана. Температура воды на поверхности здесь выше по сравнению с ее среднеширотными величинами.

Средняя годовая температура на поверхности океанов неодинакова: Тихий океан имеет температуру +19,1 °C, Индийский – +17,1 °C, Атлантический – +16,9 °C, Северный Ледовитый —0,75 °C. Высокая среднегодовая температура поверхностных вод Тихого океана объясняется тем, что его пространства располагаются между тропиками, они наиболее прогреваемые и занимают преобладающую часть площади всего океана. В Атлантическом океане заметно ощущается влияние холодных вод Северного Ледовитого океана, который сообщается с Северной Атлантикой. Сезонные изменения температуры воды на поверхности наиболее заметны в полярных и умеренных широтах и невелики у экватора и в тропиках.

В Мировом океане температура воды неодинакова от поверхности до дна. Она, как правило, понижается с глубиной, но это понижение происходит по-разному в различных районах океана. В общем случае величины температуры сохраняются до горизонтов 50–75 м, откуда они понижаются, что особенно заметно между горизонтами 200—1000 м и, местами, до 2000 м. Глубже воды довольно однородны по температуре, которая несколько понижается до дна; в природных водах она в основном равна +2 – +3 °C.

Несколько иначе распределяется температура воды по вертикали в Северном Ледовитом океане. На поверхности подо льдом она характеризуется близкими к 0° отрицательными величинами. В подповерхностном слое температура имеет невысокие положительные значения, а на горизонтах 200–800 м она составляет +1,3 – +2,0 °C. Это ее повышение объясняется проникновением в Северный Ледовитый океан теплых атлантических вод, которые заметно повышают температуру в этом слое. Глубже температура воды понижается, и у дна она равна —1,0 °C. Наиболее значительное изменение температуры воды с глубиной наблюдается В экваториально-тропической зоне. В полярных широтах температура воды изменяется по вертикали незначительно.

Морская вода в полярных широтах замерзает; льды под действием ветра и течений постоянно дрейфуют в южном направлении и тают в экваториальных водах. Многолетние льды называются паковыми. В Арктике их толщина составляет 3–5 м. Материковый лед отрывается от берегов Антарктики и Гренландии и в виде айсбергов также движется к экватору, где и тает.

Средняя плотность поверхностных вод Мирового океана равна 1,02 г/см³. Величина плотности зависит от температуры и солености воды, а на глубинах – и от давления. Она несколько изменяется по пространствам Мирового океана в соответствии со значениями температуры и солености воды. Самая общая закономерность распределения плотности на поверхности Мирового океана – изменение ее величины от минимальных значений в экваториальной зоне до максимальных в полярных областях. Это объясняется понижением температуры от экватора к полюсам, влияние которой на плотность более значительно, чем воздействие солености.

Самая низкая плотность воды на поверхности (1,02427) наблюдается в Тихом океане, самая высокая – в Атлантическом океане (1,02543). В Северном Ледовитом океане плотность равна 1,02525, а в Индийском – 1,02488. Низкая плотность воды в Тихом океане связана с особенно большим развитием в нем экваториальной зоны и высоким прогревом поверхностных вод.

В Мировом океане плотность увеличивается с глубиной. При этом в верхних слоях, примерно до горизонтов 1000–1500 м, она довольно быстро повышается.

Уровень Мирового океана непрерывно колеблется, особенно у его берегов. Причинами этого являются приливы и отливы, изменение атмосферного давления и плотности морской воды, а также сгонно-нагонные ветры. Периодические колебания уровня океана, связанные с приливами, имеют полусуточный или суточный период. Непериодические колебания носят сезонный характер; их величина составляет 3–5 м. Периодические колебания уровня моря (приливы) обусловлены притяжением Луны. Приливы делятся на долгопериодные (периоды составляют 18,6 года; 1 год; 0,5 года; 1 месяц; 2 недели); суточные (периоды: 25,8 ч; 23,9 ч), полусуточные (12,4 ч и 12,0 ч) и на краткопериодные волны с периодом 0,33 суток. Величина и характер приливов зависят от географической широты, глубины моря и формы береговой линии. Наибольшая высота приливов – 18 м (Атлантическое побережье Канады), в Пенжинской губе (Охотское море) она достигает 13 м. Прилив в реке может вызвать крутую волну.

Водные массы океана находятся в состоянии постоянного перемешивания, в результате которого происходит их гидрологическое и гидрохимическое выравнивание. Эти процессы проходят в горизонтальном и вертикальном направлениях. Перемешивания имеют турбулентный и конвективный тип. Турбулентное перемешивание происходит под действием ветра и приливов. Приливные перемешивания, происходящие по всей толще воды, происходят периодически. Конвективное (плотностное) перемешивание также происходит по периодам; при этом увеличивается плотность вышележащего слоя за счет повышения температуры и солености воды. Конвекция имеет большое значение при зимнем охлаждении океана. Чем ниже температура слоев воды и чем больше их тепловое различие, тем больше уплотнение слоев воды и глубина их перемешивания. В зоне сходимости течений происходит погружение поверхностных вод; при этом вода получает кислород и обогащается питательными веществами. Эти воды являются ценными в промысловом отношении.

Экологические проблемы Мирового океана заключаются в его постоянном антропогенном загрязнении (особенно водами впадающих в океан рек). Кроме того, парниковый эффект ускоряет таяние льдов, и соленость океана уменьшается, что приводит к нарушению экологических систем в океане и на земле.