2. Водні ресурси

До складу Світового океану входять всі водні джерела (океани, моря, озера, річки, водоймища, льодовики, болота, атмосферні, ґрунтові, підземні води) і утворюють гідросферу планети Земля. 71% площі нашої планети вкрито водами Світового океану. Розподіл води за масою в гідросфері приведено в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1. Розподіл води гідросфери.

До поверхневих вод належать води океанів, морів, озера, річок, боліт, струмків, штучних озер, ставків і ін. Океани, моря та деякі озера мають солону воду. В річках, більшості озер, ставках, струмках, штучних водосховищах, болотах міститься прісна вода. Останню використовують для житлового і господарського водопостачання.

Прісна вода становить незначну частину гідросфери (менш як 4%). Основна маса прісної води (до 77%) знаходиться в снігово-льодовиковому покритті Антарктиди, Гренландії та Арктики. Вода в льодовиках перебуває в твердому стані і характеризується найменшим вмістом солей серед відомих водних джерел в природі. Максимальна мінералізація льодовикової води становить 3 мг/л. Людство розглядаючи водний баланс майбутнього, з надією дивиться на ці величезні запаси прісної води, де зосереджено до 77 % всіх запасів прісної води Землі. Вже існують проекти буксирування айсбергів з льодовиків Антарктиди до берегів Азії, Австралії. За вартістю вода з льодовиків не перевищуватиме вартості підземних або прісних вод.

Вода в надрах землі може існувати в рідкому стані до глибини 5 км від поверхні, а в окремих випадках і до глибини до 10 км. На більшій глибині за високої температури і тиску вода перебуває в пароводному стані. У надкритичних умовах за температури 374˚С для прісної води і 425˚С і вище для солоних насичених розчинів та тиску 21,8 МПа вона утворює своєрідну водяну плазму, тобто зникає відмінність між парою і рідною водою. За цих умов молекули рідкої води набувають швидкості молекул газу, а її густина наближається до густини рідкої води.

Підземна вода може перебувати у вільному, пароподібному і фізично зв’язаному стані. До фізично зв’язаної води належить міцно зв’язана гігроскопічна вода, яка утримується молекулярними силами на поверхні часточок породи. На великих глибинах за високого тиску, який досягає сотень мегапаскалів, вода витискається з породи і переходить у вільний стан. До фізично зв’язаної води належить також капілярна вода, яка під дією капілярних сил переміщується в тонких породах і шпаринах.

За інтенсивності обміну води зі іншими складовими гідросфери у товщі земної кори розрізняють кілька зон. Зона активного водообміну до глибини 0,3 – 0,5 км. Вода в цій зоні контактує з поверхневими водоймами – річками, озерами, водосховищами, ставками, болотами і є прісною. Мінералізація її становить не більше 1 г/л з переважанням вмісту гідрогенкарбонат-іонів HCO-3. В зоні затрудненого водообміну до глибини 1,5 – 2 км вода солонувата або солона з мінералізацією 1 – 3,5 г/л з переважанням сульфат-іонів SO42-. На великих глибинах розміщена зона пасивного водообміну. Тривалість поповнення вод тут. Тривалість поповнення води тут досягає мільйонів років, а їхня мінералізація становить понад 3,5 г/м. За складом це переважно холодні води, подібні до морської води. У світових запасах прісної води частка підземних та ґрунтових вод становить близько 22,4 %.

Підземні води заповнюють пори, тріщини й пустоти, тісно контактують з ґрунтом і породою земної кори. Для них характерне пошарове розміщення водоносних горизонтів (рис), що відокремлені водонепроникними пластами породи, слабкий зв’язок з атмосферою, незначний розвиток біологічних процесів, бідність форм життя, підвищені температура і тиск. Усе це сприяє меншому забрудненню вод нечистотами та мікроорганізмами, завдяки чому вони за наближені до питних вод. Знаходячись на значних і різних глибинах, вони характеризуються стабільним хімічним складом, містять більше корисних для здоров’я людини речовин (сполук кальцію, йоду, флуору та ін.). Проте й підземні води можуть забруднюватися, якщо фільтрувального шару порід недостатньо.

Рис. 2.1. 1 – верховодка; 2 – між пластові безнапірні води; 3 – ґрунтові води; 4 – між пластові напірні води.

За глибиною залягання підземні води поділяють на три зони. Верхня зона, глибина якої здебільшого становить 2 – 6 м, але може досягти 20 – 60 (середня частина України) і навіть 300 м (південна частина України), має активний водообмін, зазнає дії фільтрівних атмосферних опадів та деякою мірою атмосферного повітря. Мінералізація води коливається в межах 0,1 – 1 мг/л. Середня зона розміщена на глибині 300 – 600, інколи до 2000 м. Цю воду використовують для бальнеологічних цілей. Нижня зона залягає на глибині кількох кілометрів. У цій зоні практично немає водообміну і містяться високо мінералізовані води хлорнатрієво-кальцієвого складу, інколи зі значним умістом сірководню, брому та рідкісних елементів. Ці води використовують у промисловості для добування йоду, брому та рідкісних елементів.

Із господарьско-питною метою використовують здебільшого воду верхньої зони. Якість води залежить від типів ґрунтів і порід, розміщених нижче. Ґрунти торф'яно-тундрової зони збагачують воду органічними речовинами рослинного походження. Це стосується також і болотних вод. Чорноземи, каштанові та солончакові ґрунти зумовлюють появу у воді переважно мінеральних речовин. Зі збільшенням глибини залягання води зменшується число мікроорганізмів і на глибині 6 м і більше воно дорівнює нулю. Шар ґрунту завтовшки 3,5 – 4 м на полях фільтрації затримує до 90 % мікроорганізмів.

Господарська діяльність людей спричинює забруднення підземних вод. На хімічний склад цих вод найбільше впливають інтенсивний розвиток промисловості міст і хімізація сільського господарства, які супроводжуються появою значної кількості стічних вод і газових викидів. При цьому в атмосферу, ґрунти й поверхневі води потрапляють різні органічні та неорганічні речовини. Біологічне забруднення підземних вод зумовлюють різні мікроорганізми (бактерії, віруси та ін.). Найнебезпечнішим є забруднення води хвороботворними мікроорганізмами, Що можуть надходити в ґрунтові води з полів фільтрації, скотних дворів, вигрібних ям і інших забруднювачів.

У підземних водах розчиняється велика кількість газів – кисню, азоту, оксиду карбону, метану, сірководню, водню. Загальна маса розчинених у підземних водах газів перевищує їхній уміст у Світовому океані (до 20 см³/л) і наближається до Рівня всієї атмосфери Землі.

Вода – найпоширеніша речовина у природі. Вона перебуває у вільному стані (океани, моря, озера, ріки, льодовики), міститься в мінералах, гірських породах, ґрунті та входить до складу живих організмів (50 – 90 % їхньої маси, а в тілі медузи і огірка – близько 98 %).

Планета Земля містить близько 16 млрд км води, що становить 0,25 % її маси. Основна частина води знаходиться в глибинних зонах (мантії) Землі. За місцем розміщення воду поділяють на атмосферну, поверхневу та підземну.

Усі водні джерела (океани, моря, ріки, озера, водоймища, льодовики, болота, атмосферні та підземні води) входять до складу Світового океану й утворюють гідросферу планети Земля. Більша частина поверхні планети (близько 71 %) вкрита водами Світового океану. Загальний об'єм води в ньому становить 1 370 323 тис. км – близько 94 % усієї води планети. Верхня межа гідросфери проходить на висоті нижніх шарів стратосфери до висоти озонового екрана (приблизно на висоті 20 км). Вода в атмосфері перебуває в пароподібному стані й переміщується. Нижня межа біосфери проходить у літосфері на глибині 3 – 3,5 км від поверхні землі.

Крім вод Світового океану найбільше води знаходиться в літосфері – підземні води гідросфери (ґрунтові, підґрунтові, міжпластові безнапірні й напірні води, води тріщин карстових порожнин). Підземні води становлять 60 млн км, або 4,12 % загального об'єму, і знаходяться на різних глибинах (до кількох сотень метрів). Проте в зоні активного водообміну їх міститься менш як 4 млн км. У льодовиках знаходиться 24 млн км води, в озерах і водосховищах – 280 тис. км, у грунтах – 85 тис. км, в атмосфері – 14 тис. км. Вода, що знаходиться в руслах річок, становить лише 1,2 тис. км.

Озера різняться як за складом, так і за концентрацією розчинених у їхніх водах речовин. За своїм складом вони наближаються до підземних вод. У посушливих і пустельних зонах Землі переважають солоні й солонуваті озера. Наприклад, в озері Вікторія вміст солей в 11 разів більший, ніж в океанічних водах.

Болота є проміжною ланкою біосфери між озерами і підземними водами. Значна їх кількість знаходиться в помірних і високих широтах. У них нагромаджується болотний торф, до складу якого входить вуглець. До боліт належать і перезволожені ґрунти, які здебільшого поширені в тропічних районах. У них торф не нагромаджується, оскільки органічні речовини розкладаються повністю. Загальна площа боліт і перезволожених ґрунтів становить близько 3 млн км². У прибережних морських районах вода в болотах буває солоною чи солонуватою.

Ґрунтові води за інтенсивністю обміну з поверхневими водами та атмосферою подібні до поверхневих вод, за дією капілярних сил – до підземних вод, а за вмістом різних речовин (газів, органічних сполук і організмів) – це середовище, в якому інтенсивно відбуваються біогеохімічні процеси. Останні забезпечують родючість ґрунтів. Масу прісної озерної і болотної води оцінюють у 0,35 % загальної прісної води на Землі.

Річки і струмки – джерела прісної води, яка відтворюється в них найшвидше порівняно з іншими складовими біосфери. Маючи невелику миттєву масу (близько 1,2 – 1012 т), вони впродовж року доставляють води у 37 – 38 разів більше (близько 4,5 – 1013 т), ніж самі водойми. Середня мінералізація цих вод – 90 мг/л. Солоні річки трапляються дуже рідко. Це здебільшого річки, які живляться солоними підземними водами або мають у своїх руслах поклади солі. Хімічний склад річкових вод визначається переважно особливостями ґрунтів, рослинності, клімату територій, на яких вони течуть, і характеризується середніми показниками (табл.).

Таблиця. 2.2. Середній хімічний склад річкових вод, мг/л

Загальна маса води в живих організмах становить близько 1,12 – 10¹² т.

Вода в біосфері перебуває у безперервному русі, бере участь у геологічному та біологічному колообігах речовин. Колообіг води у природі – це безперервний процес руху та обміну водою між складовими гідросфери під впливом тепла і гравітаційних сил. Під дією теплової радіації сонця вода випаровується з поверхні океанів, морів, річок, озер, водосховищ, ставків та суші і надходить до атмосфери. В атмосфері водяна пара конденсується з утворенням хмар. Крім того, водяна пара охолоджується, конденсується і під дією гравітаційних сил випадає у вигляді опадів – дощу, снігу, граду. Отже, вода переходить з одного агрегатного стану (газуватого) в інший (рідкий або твердий) і перерозподіляється на поверхні Землі, сприяючи руху поверхневих і підземних вод і навіть течіям в океанах та морях.

У колообігу беруть участь усі води гідросфери, які тісно пов'язані між собою. Однак швидкість переміщення окремих видів води (океанічної, атмосферної, льодовикової, ґрунтової, озерної, біологічної) неоднакова. Тому тривалість їх поновлення дуже різниться і коливається в широких межах (табл. 2.3) – від кількох годин для біологічної води до десятків тисячоліть для підземних вод.

Таблиця 2.3. Тривалість періодів поновлення запасів води на Землі

Ґрунтова волога, що має приблизно річний цикл нагромадження, витрачається переважно на випаровування і транспірацію та частково на стікання в русла річок. Води боліт здебільшого витрачаються на випаровування і меншою мірою на стік унаслідок фільтрації в русла річок.

Поновлення вод озер коливається в широких межах: від одного року для малих озер посушливих районів до кількох сотень років для найбільших озер. Так, поновлення водних запасів Байкалу відбувається впродовж 380 років. Вільні води земної кори до глибин 2000 м поновлюються впродовж 1400 років. Підземні води витрачаються як унаслідок дренування їх річками, так і внаслідок безпосереднього потрапляння в океан. Активність водообміну підземних вод залежить від глибини залягання і зменшується зі збільшенням відстані від земної поверхні. Найшвидше поновлюються води верхніх горизонтів, що залягають на глибині не більше ніж 200 м від поверхні. Надзвичайно повільно поновлюються солонуваті води в глибоких горизонтах, що перетворюються на солоні води і ропу, які часто мають застійний характер.

Кількість вологи, що надходить з океанів на сушу, різна для окремих районів світу. Загальна величина річних опадів становить майже 119 тис. км³. Якби всі опади рівномірно розподілилися на всій площі суші, то товщина шару їх становила б 800 мм. Найменша кількість опадів випадає в Антарктиді й Австралії, де їхні середні річні величини відповідно дорівнюють 178 і 456 мм. Сумарна величина опадів тут становить 5,2 % загальної кількості опадів, що випадають на суші, тоді як площа цих континентів становить 13 % всієї площі суші. В Азії та Південній Америці, площа яких становить 41 % суші, випадає 50 % всієї суми опадів.

Середня величина стоку всіх річок світу становить 46 800 км за рік. Найбільший стік припадає на Азію – 31 %, Південну (26 %) і Північну (17 %) Америку, Африку – 10, Європу – 7, Антарктиду – 5, Океанію – 4 %.

У зв'язку зі зростанням чисельності населення планети водозабезпеченість одного жителя весь час зменшується. Так, упродовж 1971 – 1994 рр. величина річкового стоку, яка припадає на одного мешканця протягом року, в Європі зменшилася на 8 %, у Північній Америці – на 27, в Австралії та Океанії – на 29, в Азії – на 38, у Південній Америці – на 42, в Африці – на 58 %. Водозабезпеченість одного мешканця Землі в 1971 р. становила 12,9 тис. м³ на рік, у 1975 р. – 11,8 і в 1994 р. – 8,27 тис. м³ на рік, тобто за період з 1971 по 1994 р. водозабезпеченість зменшилася на 36 %.

Розподіл водних ресурсів на земній поверхні нерівномірний як у межах континентів, так і в межах кожного з них. Так, у Європі величина стоку змінюється від 5000 мм на південно-західному узбережжі Норвегії до 15 мм у південно-східних районах європейської території Російської Федерації. На південному сході Азії стік становить понад 4000 мм і зменшується до 1 мм в посушливих районах Середньої і Центральної Азії. Африка, за винятком екваторіальних районів басейну Конго і північно-східні області, є сухим континентом. Найсухішим материком є Австралія, на значній частині якої стік не перевищує 1 мм. Отже, в Європі та Азії, де зосереджено 73,5 % населення світу (на 1994 р.), припадає лише 38 % світових запасів прісних вод. У Південній Америці, де мешкає 5,6 % населення світу, водні ресурси становлять 25 % загального об'єму світового річного стоку.

Стік річок дуже нерівномірно розподілений упродовж року. Більша його частина (60 – 70 %) припадає на паводковий (повеневий) період, і для різних континентів він змінюється у різні місяці. Так, у Європі 48 % стоку відбувається в квітні – липні, в Азії 80 % стоку – в травні – жовтні, в Африці 74 % стоку – в січні – червні, у Північній Америці 54 % стоку – в травні – серпні. Отже, багатоводний сезон охоплює березень – вересень. Протягом цього періоду надходить до 70 % річного стоку, тому запаси води на континенті збільшуються на 28 %. Загалом для всього суходолу Землі багатоводний сезон триває з травня до жовтня. За цей час усі річки світу скидають 63 % річного стоку. Сумарні запаси прісних вод на всіх континентах збільшуються на 26 %. Нерівномірність розподілу впродовж року сумарного стоку річок окремих континентів і всього світу зумовлює необхідність його штучного регулювання створенням водосховищ різного призначення.