13.1: Цикл води та прісне водопостачання

Вступ

Вода, повітря та їжа є найважливішими природними ресурсами для людей. Людина може прожити всього кілька хвилин без кисню, близько тижня без води, і близько місяця без їжі. Вода також має важливе значення для нашого кисню та харчування. Рослини, яким для виживання потрібна вода, забезпечують кисень за допомогою фотосинтезу і становлять основу нашого продовольчого запасу. Рослини ростуть в грунті, який утворюється в результаті реакцій вивітрювання між водою і гірською породою.

Вода є найважливішою сполукою для життя Землі загалом. Людські діти складають приблизно 75% води, а дорослі - 60% води. Наш мозок - це близько 85% води, кров і нирки - 83% води, м'язи - 76% води, і навіть кістки - 22% води. Ми постійно втрачаємо воду від поту; в помірному кліматі ми повинні пити близько 2 чверті води на день, а люди в жаркому пустельному кліматі повинні пити до 10 квартів води на день. Втрата 15% води тіла зазвичай спричиняє смерть. Земля - воістину Вода Планета. Велика кількість води на Землі відрізняє нас від інших тіл Сонячної системи. Близько 70% поверхні Землі покрито океанами і приблизно половина земної поверхні затемнена хмарами в будь-який час. На нашій планеті дуже великий обсяг води, близько 1,4 мільярда кубічних кілометрів (км3) (330 мільйонів кубічних миль) або близько 53 мільярдів галонів на людину на Землі. Вся земна вода могла покрити Сполучені Штати на глибину 145 км (90 миль). З точки зору людини проблема полягає в тому, що понад 97% її становить морська вода, яка занадто солона, щоб пити або використовувати для зрошення. Найбільш часто використовуваними джерелами води є річки та озера, які містять менше 0,01% води світу!

Однією з наших найважливіших екологічних цілей є забезпечення чистого, достатнього та сталого водопостачання для світу. На щастя, вода є поновлюваним ресурсом, і її важко знищити. Випаровування та опади об'єднуються, щоб постійно і швидко поповнювати наш запас прісної води; проте доступність води ускладнюється її нерівномірним розподілом по Землі. Посушливий клімат і густонаселені райони об'єдналися в багатьох частинях світу, щоб створити дефіцит води, який, за прогнозами, погіршиться в найближчі роки. Діяльність людини, така як надмірне використання води та забруднення води, значно посилила водну кризу, яка існує сьогодні. Сотні мільйонів людей не мають доступу до безпечної питної води, а мільярди людей не мають доступу до покращеної санітарії так само просто, як вбиральня. В результаті майже два мільйони людей помирають щороку від діарейних захворювань, і 90% смертей трапляються серед дітей віком до 5 років. Більшість з них легко запобігти смертельним наслідкам.

Водойми та кругообіг води

Вода - єдина речовина, яка природним чином зустрічається на землі в трьох формах: твердій, рідкій і газовій. Він поширений в різних місцях, званих водоймами. Океани на сьогоднішній день є найбільшим з водойм з приблизно 97% всієї води, але ця вода занадто солона для більшості використання людиною (рисунок нижче). Крижані шапки та льодовики - найбільші резервуари прісної води, але ця вода незручно розташована, переважно в Антарктиді та Гренландії. Мілководні води є найбільшим резервуаром корисної прісної води. Хоча річки та озера є найбільш широко використовуваними водними ресурсами, вони представляють лише крихітну кількість води у світі. Якби вся світова вода скоротилася до розміру 1 галон, то загальна кількість прісної води становила б близько 1/3 склянки, а кількість легкопридатної прісної води становило б 2 столові ложки.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Водосховища Землі. Гістограма Розподіл води Землі, включаючи загальну глобальну воду, прісну воду та поверхневу воду та іншу прісну воду та кругову діаграму Вода, яка використовується людьми та джерелами корисної води. Джерело: Глава географічного огляду Сполучених Штатів Ігоря Скікломанова «Світові прісні водні ресурси» в Peter H. Gleick (редактор), 1993, Вода в умовах кризи: путівник по свіжим водним ресурсам

Водний (або гідрологічний) цикл (який ми розглянули в розділі «Екосистеми та біосфера») показує рух води через різні водосховища, які включають океани, атмосферу, льодовики, підземні води, озера, річки та біосферу. Сонячна енергія і гравітація керують рухом води в круговороті води. Простіше кажучи, кругообіг води передбачає переміщення води з океану в атмосферу шляхом випаровування, утворюючи хмари. З хмар він випадає як опади (дощ і сніг) як на воду, так і на сушу, де може пересуватися різними способами. Вода на суші може або повертатися в океан поверхневим стоком (неканалізоване переповнення суші), річками, льодовиками та підземними підземними водами, або повертатися в атмосферу шляхом випаровування або транспірації (втрата води рослинами в атмосферу).

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Кругообіг води. Стрілки зображують рух води до різних водойм, розташованим вище, біля і нижче поверхні Землі. Джерело: Геологічна служба США

Важливою частиною кругообігу води є те, як змінюється вода по солоності, яка є великою кількістю розчинених іонів у воді. Океанську воду називають солоною водою, оскільки вона сильно сольова, з приблизно 35 000 мг розчинених іонів на літр морської води. Випаровування (де вода змінюється з рідини на газ при температурі навколишнього середовища) - це процес дистиляції, який виробляє майже чисту воду з майже відсутністю розчинених іонів. Коли вода випаровується, вона залишає розчинені іони у вихідній рідкій фазі. Зрештою, конденсація (де вода переходить з газу на рідину) утворює хмари, а іноді і опади (дощ і сніг). Після того як дощова вода потрапляє на сушу, вона розчиняє мінерали, що збільшує її солоність. Більшість озер, річок і приповерхневих підземних вод мають відносно низьку солоність і називаються прісною водою. Наступні кілька розділів обговорюють важливі частини кругообігу води щодо прісних водних ресурсів.

Первинні прісні водні ресурси: опади

Опади є основним контролем доступності прісної води, і вона нерівномірно розподілена по всій земній кулі (див. Малюнок нижче). Більше опадів випадає поблизу екватора, а сухопутні маси там характеризуються кліматом тропічних лісів. Менше опадів, як правило, випадає близько 2030 північної та південної широт, де розташовані найбільші в світі пустелі. Ці опади та кліматичні моделі пов'язані з глобальними клітинами циркуляції вітру. Інтенсивне сонячне світло на екваторі нагріває повітря, змушуючи його підніматися і охолоджуватися, що знижує здатність повітряної маси утримувати водяну пару і призводить до частих дощів. Близько 30 градусів північної та південної широти, спадні умови повітря виробляють тепліше повітря, що збільшує його здатність утримувати водяну пару і призводить до сухих умов. Як умови сухого повітря, так і теплі температури цих широтних поясів сприяють випаровуванню. На глобальні опади та кліматичні моделі також впливають розміри материків, основні океанічні течії та гори.

Ілюстрація\(\PageIndex{3}\): Світова карта опадів. На карті помилкового кольору вище показано кількість дощу, який випадає по всьому світу. Області з великою кількістю опадів включають Центральну та Південну Америку, Західну Африку та Південно-Східну Азію. Оскільки ці райони отримують стільки опадів, саме там росте більшість світових тропічних лісів. Райони з дуже невеликою кількістю опадів зазвичай перетворюються в пустелі. Пустельні райони включають Північну Африку, Близький Схід, Західну Північну Америку та Центральну Азію. Джерело: Форум Землі геологічної служби США, Х'юстонський музей природничих наук

Поверхневі водні ресурси: річки, озера, льодовики

Протікає вода з дощового і талого снігу на суші надходить в річкові русла по поверхневому стоку (див. Рис. Поверхневий стік (рис. Нижче) і просочування підземних вод (див. Рис. Річковий стік описує обсяг води, що рухається по річковому руслу з плином часу (рисунок нижче). Відносний внесок поверхневого стоку проти просочування підземних вод у стік річок залежить від структури опадів, рослинності, рельєфу, землекористування та характеристик ґрунту. Незабаром після сильного зливу річковий стік збільшується за рахунок поверхневого стоку. Стійкий нормальний стік річкових вод в основному з підземних вод, що скидаються в річку. Гравітація тягне річкову воду під гору до океану. По дорозі рухома вода річки може розмивати частинки грунту і розчиняти мінерали, створюючи навантаження річки з рухомих осадових зерен і розчинених іонів. Підземні води також сприяє великій кількості розчинених іонів у річковій воді. Географічний район, осушений річкою та її притоками, називається дренажним басейном. Дренажний басейн річки Міссісіпі включає приблизно 40% США, захід, який включає менші дренажні басейни (також називаються вододілами), такі як річка Огайо та річка Міссурі, які допомагають її скласти. Річки є важливим водним ресурсом для зрошення і багатьох міст по всьому світу. Деякі світові річки, які мали міжнародні суперечки щодо водопостачання, включають Колорадо (Мексика, південний захід США), Ніл (Єгипет, Ефіопія, Судан), Євфрат (Ірак, Сирія, Туреччина), Ганг (Бангладеш, Індія) та Йорданія (Ізраїль, Йорданія, Сирія).

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Поверхневий стік Поверхневий стік, частина сухопутного потоку у водному циклі Джерело: Джеймс Піз на Вікісховищі

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Просочування підземних вод. Просочування підземних вод можна побачити в Каньйоні Бокс в Айдахо, де приблизно 10 кубічних метрів в секунду просочування виходить від його вертикальної головки. Джерело: NASA

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Річка Скидання річки Колорадо, США. Річки є частиною сухопутного стоку в круговороті води і важливим ресурсом поверхневих вод. Джерело: Гонзо фан2007 на Вікісховищі

Озера також можуть бути відмінним джерелом прісної води для використання людиною. Вони зазвичай отримують воду з поверхневого стоку і скиду грунтових вод. Вони, як правило, недовговічні в геологічному часовому масштабі, оскільки вони постійно заповнюються осадом, що постачається річками. Озера утворюються різними способами, включаючи зледеніння, недавній тектонічний підйом (озеро Танганьїка, Африка) та виверження вулканів (озеро Кратер, Орегон). Люди також створюють штучні озера (водосховища) шляхом загребання річок. Великі зміни клімату можуть призвести до серйозних змін розміру озера. Оскільки Земля виходила з останнього льодовикового періоду близько п'ятнадцяти тисяч років тому, клімат на заході США змінився від прохолодного та вологого до теплого та посушливого, що призвело до зникнення понад 100 великих озер. Велике Солоне озеро в штаті Юта є залишком набагато більшого озера під назвою озеро Бонневіль.

Хоча льодовики являють собою найбільший резервуар прісної води, вони, як правило, не використовуються як джерело води, оскільки розташовані занадто далеко від більшості людей (див. Малюнок нижче). Танення льодовиків дійсно забезпечують природне джерело річкової води і підземних вод. Під час останнього льодовикового періоду в льодовиках було на 50% більше води, ніж сьогодні, що призвело до того, що рівень моря був приблизно на 100 м нижче. За минуле століття рівень моря частково підвищувався через танення льодовиків. Якщо клімат Землі продовжить тепло, танення льодовиків спричинить додаткове підвищення рівня моря.

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Гірський льодовик в Аргентині Льодовики є найбільшим резервуаром прісної води, але вони не використовуються багато як водний ресурс безпосередньо суспільством через їх віддаленість від більшості людей. Джерело: Лука Галуцці - www.galuzzi.it

Ресурси ґрунтових вод

Хоча більшість людей у світі використовують поверхневі води, підземні води є набагато більшим резервуаром корисної прісної води, що містить понад 30 разів більше води, ніж річки та озера разом узяті. Грунтові води є особливо важливим ресурсом у посушливому кліматі, де поверхневих вод може бути дефіцитним. Крім того, підземні води є основним джерелом води для сільських домовласників, забезпечуючи 98% цієї потреби у воді в США. Грунтові води - це вода, розташована в невеликих просторах, званих поровим простором, між мінеральними зернами і тріщинами в підземних земних матеріалах (гірська порода або осад, тобто пухкі зерна). Більшість підземних вод походить від дощу або танення снігу, який проникає в землю і рухається вниз, поки не досягне насиченої зони (де грунтові води повністю заповнюють порові простори в земних матеріалах).

Інші джерела підземних вод включають просочування з поверхневих вод (озера, річки, водосховища, болота), поверхневі води, навмисно закачані в грунт, зрошення та підземні системи очищення стічних вод, тобто септики. Області підживлення - це місця, де поверхневі води проникають у землю, а не впадають у річки або випаровуються. Водно-болотні угіддя та на рослинних ділянках загалом є чудовими районами підживлення.

Земляний матеріал, який здатний подавати грунтові води з колодязя з корисною швидкістю (має відносно високу проникність і середню до високої пористість), називається водоносним шаром. Щоб знайти великий водоносний горизонт для міста, гідрогеологи (геологи, які спеціалізуються на підземних водах) використовують різноманітну інформацію, включаючи знання земних матеріалів на поверхні та надрах, а також випробувальні свердловини. Підземні та поверхневі води (річки, озера, болота та водосховища) сильно взаємопов'язані, оскільки обидва є частиною одного загального ресурсу.

Використання води в США та світі

Людям потрібна вода, щоб виробляти їжу, енергію та мінеральні ресурси, які вони використовують - як правило, великі її кількості. Розглянемо, наприклад, ці приблизні потреби у воді для деяких речей, які люди в розвинених країнах світу використовують щодня: один помідор = 3 галони; один кіловат-годину електроенергії (від термоелектростанції) = 21 галон; один батон хліба = 150 галонів; один фунт яловичини = 1600 галонів; і одна тонна сталь = 63 000 галонів. Людським істотам потрібно лише близько 1 галона на день, щоб вижити, але типова людина в домогосподарстві США використовує приблизно 100 галонів на день, що включає приготування їжі, миття посуду та одягу, промивання туалету та купання.

Потреба у воді місцевості є функцією населення та інших видів використання води. Існує кілька загальних категорій використання води, включаючи використання за течією, яке видаляє воду з її джерела, наприклад, зрошення, виробництво термоелектричної енергії (охолодження обладнання, що виробляє електроенергію на викопному паливі, атомних та геотермальних електростанціях), промисловість та громадське постачання ; споживче використання, яке є видом використання поза течією, коли вода не повертається до поверхневих вод або грунтових вод відразу після використання, наприклад, зрошувальна вода, яка випаровується або йде на ріст рослин; і instream використання, яке є водою, що використовується, але не видаляється з річки, в основному для гідроелектроенергетики покоління. Відносний розмір цих трьох категорій є instream використання поза течієм> споживче використання. У 2005 році США використовували приблизно 3,300 мільярдів галонів на день для використання instream, 410 мільярдів галонів на день для використання поза течією та 100 мільярдів галонів на день для споживчого використання. Основними видами використання цієї води були термоелектричні (49%), зрошення (31%), громадське постачання (11%) та промисловість. Близько 15% загального водозабору в США в 2005 році становили солону воду, яка майже повністю використовувалася для виробництва термоелектричної енергії. Майже вся вода, що використовується для виробництва термоелектричної енергії, повертається до річки, озера чи океану, звідки вона прийшла, але близько половини зрошувальної води не повертається до вихідного джерела через випаровування, транспірацію рослин та втрати під час транспортування, наприклад, протікання труб. Загальний відбір води в США фактично дещо зменшився з 1980 по 2005 рік, незважаючи на стабільно зростаюче населення. Це пов'язано з тим, що дві найбільші категорії використання води (термоелектричні та зрошувальні) стабілізувалися або зменшилися за цей період часу завдяки кращому водному господарству та збереженню. На відміну від цього, попит на воду для населення неухильно зростав з 1950 року (коли почалися оцінки) до 2005 року. Приблизно 77% води для використання за течією в США в 2005 році надходила з поверхневих вод, а решта - з підземних вод.

Рисунок\(\PageIndex{8}\): Тенденції загального водозабору за категоріями водокористування, 1950-2005 Тенденції загального водозабору в США з 1950 по 2005 рік за категоріями водокористування, включаючи бари для термоелектричної енергії, зрошення, громадського водопостачання та сільського господарства та тваринництва. Тонка синя лінія представляє загальну кількість відведення води за допомогою вертикальної шкали праворуч. Джерело: Геологічна служба США

Рисунок\(\PageIndex{9}\): Тенденції у джерелах відведення прісної води в США з 1950 по 2005 рік Тенденції джерел відбору прісної води в США з 1950 по 2005 рік, включаючи бари для поверхневих вод, підземних вод та загальної води. Червона лінія дає населення США за допомогою вертикальної шкали праворуч. Джерело: Геологічна служба США

На відміну від тенденцій в США, глобальне загальне використання води неухильно зростає зі швидкістю, більшою, ніж зростання світового населення (див. Малюнок нижче). Протягом ХХ століття населення світу збільшилося втричі, а попит на воду зріс у шість разів. Збільшення світового попиту на воду, що перевищує темпи зростання населення, обумовлено покращенням рівня життя без зниження за рахунок збереження води. Збільшення виробництва товарів і енергії тягне за собою велике зростання попиту на воду. Основними світовими джерелами використання води є зрошення (68%), громадське постачання (21%) та промисловість (11%).

Рисунок\(\PageIndex{10}\): Тенденції світового водокористування з 1900 по 2000 рік та прогнозовані до 2025 року Для кожної основної категорії використання води, включаючи тенденції для сільського господарства, побутового використання та промисловості. Темніший кольоровий бар являє собою загальну кількість води, витягнутої для цієї категорії використання, а світліший кольоровий бар являє собою споживану воду (тобто воду, яка не швидко повертається до поверхневих вод або системи підземних вод) для цієї категорії використання. Джерело: Ігор Олександрович Шикломанов, Державний гідрологічний інститут (SHI, Санкт-Петербург) та Організація Об'єднаних Націй з питань освіти, науки і культури (ЮНЕСКО, Париж), 1999

Автори та атрибуція

• Template:ContribCCEssofEnvSc