13.1: Постачання прісної води та кругообіг води

Вода, повітря та їжа є найважливішими природними ресурсами для людей. Людина може прожити всього кілька хвилин без кисню, менше тижня без води, і близько місяця без їжі. Вода також має важливе значення для нашого кисню та харчування. Рослини розбивають воду і використовують її для створення кисню в процесі фотосинтезу.

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 потовиділенням. У помірному кліматі ми повинні пити близько двох квартів води на день, а люди в жаркому пустельному кліматі повинні пити до 10 кварт води на день. Втрата 15% води тіла зазвичай спричиняє смерть.

Резервуари для води

Вода - єдина поширена речовина, яка природним чином зустрічається на Землі в трьох формах: твердій, рідкій і газовій. Гідросфера - це область Землі, де відбувається рух води і зберігання води. Водойми - це місця, де зберігається вода. (Зверніть увагу, що цей термін також може стосуватися штучних озер, створених дамбами.) Вода зустрічається як рідина на поверхні (річки, озера, океани) і під поверхнею (грунтові води), як лід (полярні крижані шапки та льодовики), і як водяна пара в атмосфері. Малюнок\(\PageIndex{a}\) ілюструє середній час, який окрема молекула води може провести у великих водосховищах Землі. Час перебування - це показник середнього часу перебування окремої молекули води в певному резервуарі.

Малюнок\(\PageIndex{a}\): Середній час перебування води залишається в кожному водоймі. Вода залишається в організмах близько одного тижня, в атмосфері 1,5 тижні, в річках два тижні, як вологість грунту від двох тижнів до року, на болотах 1-10 років, в озерах 10 років, в океанах і морях 4 000 років, як грунтові води від 2 тижнів до 10000 років, і в льодовиках або як вічна мерзлота для 1 000-10 000 років. Зображення з OpenStax (CC-BY).

Земля - воістину Вода Планета. Велика кількість рідкої води на поверхні Землі відрізняє нас від інших тіл Сонячної системи. Близько 71% поверхні Землі покрито водою, і приблизно половина поверхні Землі затемнена хмарами (також зробленими з води) в будь-який час. На нашій планеті дуже великий обсяг води, близько 1,4 мільярда кубічних кілометрів (км ³) = 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).

Незважаючи на величезні обсяги води на Землі, лише 2,5% є прісною водою (цифра\(\PageIndex{b}\)), і лише 0,01% доступна для використання людиною. Якби вся світова вода скоротилася до розміру 1 галон, то загальна кількість прісної води становила б близько 1/3 склянки, а кількість придатної для використання прісної води становило б 2-3 столові ложки. Значна частина прісної води Землі знаходиться в пастці льодовиків і полярних крижаних шапок (рис.\(\PageIndex{c}\)), і ця вода незручно розташована, переважно в Антарктиді та Гренландії. Мілководні води (вода, розташована нижче поверхні Землі) - найбільший резервуар корисної прісної води. Багато організмів залежать від поверхневих вод, таких як озера та річки, які складають невелику частку прісної води на Землі. Недолік цих поверхневих вод може мати негативний вплив на екосистеми.

Рисунок\(\PageIndex{b}\): Гістограма розподілу води Землі, включаючи загальну глобальну воду, прісну воду та поверхневі води. Океани є найбільшим з водойм Землі, і лише 2,5% води Землі є прісноводними. Велика частина цієї прісної води (68,7%) знаходиться в льодовиках і крижаних шапках, 30,1% - підземні води, а 1,2% - поверхневі та інші прісні води. З них 1,2% 3,0% знаходиться в атмосфері, 0,26% в живих істотах, 0,49% в річках, 2,6% в болотах і болотах, 3,8% - як вологість ґрунту, 20,9% в озерах і 69,0% як грунтовий лід і вічна мерзлота. Зображення з USGS/Ігор Шикломанов (суспільне надбання).

Ілюстрація\(\PageIndex{c}\): 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

Кругообіг води

Водний цикл (гідрологічний цикл) показує рух води через різні водойми, до яких відносяться океани, атмосфера, льодовики, грунтові води, озера, річки та організми (рис.\(\PageIndex{d}\)). Сонячна енергія, яка прогріває океани та інші поверхневі води, і гравітація керують рухом води в круговороті води. Це призводить до випаровування (рідка вода на водяну пару) рідкої поверхневої води, сублімації (від льоду до водяної пари) замерзлої води і транспірації (втрата води з рослин в атмосферу). Коли вода в грунті забирається корінням рослин, вона рухається по трубках в рослині (судинній системі), випаровується в межах простору листа, а через продихи (невеликі отвори мікроскопа) листя. Екологи поєднують транспірацію і випаровування в єдиний термін, який описує воду, повернуту в атмосферу: випаровування. Таким чином, велика кількість води переміщається в атмосферу у вигляді водяної пари.

Малюнок\(\PageIndex{d}\): Кругообіг води. Стрілки зображують рух води до різних водойм, розташованим вище, біля і нижче поверхні Землі. Випаровування і сублімація додають воду в атмосферу, де вона конденсується, утворюючи хмари. Вода таким чином зберігається в атмосфері. Через опади вода повертається на поверхню Землі. Коли випадають опади на великій висоті, вода зберігається у вигляді снігу або льоду. Коли сніг тане, отриманий стік може поповнитися струмками. Вода з опадів також може проникати, щоб поповнити запаси підземних вод або утворювати поверхневий стік. Скидання підземних вод, вода з струмків, поверхневий стік впадає в водойми прісної води і океану. Джерело: Геологічна служба США

Водяна пара в атмосфері може мігрувати на великі відстані від океану до суші за допомогою переважаючих вітрів. Над океаном або сушею повітря може охолонути і спричинити конденсацію води назад у рідку воду. Зазвичай це відбувається у вигляді дуже дрібних крапель води, які утворюють навколо мікроскопічного шматка пилу або солі, званих ядрами конденсації. Ці дрібні крапельки води видно як хмара. Хмари будують, і як тільки краплі води досить великі, вони падають на землю як опади (дощ, сніг, град або мокрий сніг), що повертає воду на поверхню Землі.

Опади, які потрапляють на сушу, можуть відразу повернутися в атмосферу, додати в грунтові води або сформувати поверхневий стік. У більшості природних наземних середовищ дощ стикається з рослинністю до того, як він досягне поверхні ґрунту. Значний відсоток води випаровується відразу з поверхонь рослин або безпосередньо з поверхні грунту. Грунтові води поповнюються, коли вода проникає в грунт і остаточно заповнює порові простори між частинками бруду, піску та гравію або в тріщинами в гірських породах. Грунтові води повільно рухаються через скелю та неконсолідовані матеріали, і частина з них врешті-решт знову потрапляє на поверхню, де скидається як джерела і в струмки, озера та океан. Багато потоки течуть не тому, що вони поповнюються з дощової води безпосередньо, а тому, що отримують постійний приплив з підземних вод нижче. Також поверхневі води в струмках і озерах можуть знову проникати для підживлення підземних вод. Тому підключаються системи поверхневих вод і грунтових вод. Підземні води також можуть в кінцевому підсумку впасти в океан через підземні потоки підземних вод, але деякі підземні води знаходяться дуже глибоко в корені і можуть зберігатися там тисячоліттями. Поверхневий стік - це потік прісної води над сушею або від дощу, або від танення льоду. Стік може пробиватися через струмки і озера до океанів. Поверхневий стік відбудеться тільки в тому випадку, якщо грунт насититься водою в рясні опади.

Етапи кругообігу води пояснюються в відео нижче.

Солоність і кругообіг води

Важливою частиною кругообігу води є те, як змінюється вода по солоності, яка є великою кількістю розчинених іонів у воді. Морська вода в океанах сильно солона, з приблизно 35 000 мг розчинених іонів на літр морської води. Випаровування - це процес дистиляції, який виробляє майже чисту воду майже без розчинених іонів. Коли вода випаровується, вона залишає розчинені іони у вихідній рідкій фазі. Зрештою, конденсат утворює хмари, а іноді і опади. Після того, як дощова вода потрапляє на землю, вона розчиняє мінерали в гірських породах і грунті, що збільшує її солоність. Дощ і поверхневий стік є основними способами, за допомогою яких мінерали, включаючи фосфор і сірку, циркулюються від землі до води. Вплив стоку на навколишнє середовище обговорювався в біогеохімічних циклах. Прісноводна вода (наприклад, озера, річки та приповерхневі підземні води) має відносно низьку солоність.

Взаємодія людини з кругообігом води

Люди змінюють кругообіг води, видобуваючи велику кількість прісної води з поверхневих вод, а також підземних вод (див. Використання води). Крім того, зміни в землекористуванні, такі як вирубка лісів, сільське господарство та урбанізація, зменшують рослинний покрив, що зменшує інфільтрацію та збільшує поверхневий стік. (Рослинність природним чином затримує опади при падінні, уповільнює поверхневий стік потоку та збільшує швидкість інфільтрації.) Це посилює затоплення та посилює ерозію, знижуючи якість ґрунту та спричиняючи забруднення осаду у воді. Крім того, люди перенаправляють потік води, будуючи греблі і акведуки (рис.\(\PageIndex{e}\)). З річки Колорадо на заході США видаляється або перенаправляється стільки води, що, незважаючи на значні розміри, через кілька років вона суха, перш ніж дістатися до моря в Мексиці. У крайньому прикладі Аральське море в Центральній Азії зменшилося лише до 10% від початкового розміру після того, як вода була відведена для сільського господарства (докладніше див. У цьому тематичному дослідженні).

Малюнок\(\PageIndex{e}\): Каліфорнійський акведук несе воду, необхідну для сільського господарства від Північної Каліфорнії до Південної Каліфорнії. Зображення USGS (суспільне надбання).

водні ресурси

Прісноводні ресурси в кінцевому підсумку поповнюються опадами. Потім цю воду можна отримати з поверхневих вод, таких як річки та озера, і з водоносних шарів, які зберігають грунтові води.

Первинні прісноводні ресурси: опади

Рівні опадів нерівномірно розподілені по всій земній кулі, впливаючи на доступність прісної води (рис.\(\PageIndex{f}\)). Загалом, через нерівномірне нагрівання Землі та глобальних осередків циркуляції повітря, що виникає внаслідок обертання Землі, повітря піднімається поблизу екватора та близько 60° північної та південної широт і опускається на полюсах і 30° північної та південної широт. Як обговорювалося в «Вплив клімату на біоми», інтенсивне сонячне світло на екваторі нагріває повітря, змушуючи його підніматися та охолоджуватися, що зменшує 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.

Розмір материків, гір, переважаючі вітри, схеми циркуляції океану і навіть близькість водойм можуть впливати на місцеві кліматичні структури. Наприклад, коли холодні вітри дмуть через відносно тепле Велике Солоне озеро, повітря прогрівається, що змушує його набирати вологу. Це локальне збільшення вмісту вологи в повітрі може врешті-решт впасти як сніг або дощ на довколишніх горах, явище відоме як «опади з ефектом озера».

Малюнок\(\PageIndex{f}\): Середньорічні опади за країнами в 2014 році. Країнами з найбільшою кількістю опадів (3000-3500 мм) є Нікарагуа, Коста-Ріка, Панама, Колумбія, Сьєрра-Леоне (в Західній Африці), Бангладеш, а багато островів Південно-Східної Азії. Країнами з найменшою кількістю опадів (0-100 мм) є Саудівська Аравія і кілька країн Північної Африки. США мають проміжні опади (500-750 мм). Світові тропічні ліси ростуть у районах з великою кількістю опадів, тоді як райони з дуже невеликою кількістю опадів - це пустелі. Зображення змінено з нашого світу в Data/Світовий банк (CC-BY).

У США 100-й меридіан приблизно позначає межу між вологою і посушливою частинами країни (рис.\(\PageIndex{g}\)). Зрошення потрібно для вирощування сільськогосподарських культур на захід від 100-го меридіана. На Заході поверхневі води зберігаються у водоймах (штучних озерах) та гірських снігопаках і стратегічно виділяються через систему каналів під час високого використання.

Малюнок\(\PageIndex{g}\): Розподіл опадів в США. 100-й меридіан приблизно там, де середні опади переходять від відносно вологого до сухого. Східні штати переважно зелені, що свідчить про більшу кількість опадів, ніж більшість західних штатів, які переважно оранжеві або червоні (що вказує на низьку кількість опадів). (Джерело: Геологічна служба США)

Поверхневі води: Річки та озера

Річки є важливим водним ресурсом для зрошення сільськогосподарських земель та питної води для багатьох міст світу. Протікає вода з дощового і талого снігу по суші надходить в русла річок по поверхневому стоку (рис.\(\PageIndex{h}\)) і просочується з навколишньої землі. Географічний район, осушений річкою і її притоками, називається вододілом. Вододіл річки Міссісіпі включає приблизно 40% США, захід, який включає менші вододіли, такі як річка Огайо та річка Міссурі, які допомагають скласти його. 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\(\PageIndex{h}\): Поверхневий стік, частина сухопутного потоку у водному циклі Джерело: Джеймс Піз на Wikimedia Commons

Крім річок, озера також можуть бути відмінним джерелом прісної води для використання людиною. Вони зазвичай отримують воду з поверхневого стоку і грунтових вод. Будуючи греблі, люди створюють штучні озера (водосховища).

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. Велика площа надр, пориста гірська одиниця або осад, що утримує видобувні грунтові води, є водоносним шаром. Насичена зона водоносного горизонту - це місце, де грунтові води повністю заповнюють порові простори в земляних матеріалах. Рівень води - це самий верхній рівень, при якому пори повністю насичуються водою (рис.\(\PageIndex{i}\)).

Малюнок\(\PageIndex{i}\): Ненасичені і насичені зони водоносного шару, в якому зберігаються грунтові води. Рівень води - верхній рівень насиченої зони. Поверхня суші покрита рослинністю, а верхівка поверхневих вод суцільна з грунтом води. У нижній частині зображення показані щілинні скелі (зліва) та гравій (праворуч), обидва з яких містять простори, що зберігають повітря та воду. Над рівнем ґрунту вода (не грунтові води) утримується молекулярним тяжінням і оточує поверхні частинок гірських порід. Всі отвори під землею води наповнені ґрунтом води. Зображення USGS (суспільне надбання)

Поєднання місця для введення води (пористості) і здатності переміщати воду (проникність) робить хороший водоносний шар. Пористість - це міра відкритого простору в гірських породах - виражена у відсотках відкритого простору, що становить загальний обсяг породи або осадового матеріалу. Проникність - це міра взаємопов'язаності пір в породі або осаду. З'єднання між порами дозволяє цьому матеріалу пропускати воду. Пористість і проникність є функціями складу частинок грунту. Наприклад, глини зазвичай мають дуже високу пористість, але пори погано з'єднуються, тим самим викликаючи низьку проникність.

Водоносні горизонти зазвичай бурять, а також встановлюють свердловини, щоб забезпечити водою для сільського господарства та особистого користування. У багатьох випадках водоносні горизонти виснажуються швидше, ніж поповнюються водою, що проникає зверху. 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.

У міру відкачування грунтових вод з водяних свердловин зазвичай відбувається локалізоване падіння рівня грунтових вод навколо свердловини, яке називається конусом поглиблення (рис.\(\PageIndex{j}\)). При наявності великої кількості свердловин, які тривалий час перекачують воду, регіональний рівень води може значно впасти. Це називається видобутком підземних вод, яка може змусити буріння більш глибоких, дорожчих свердловин, які зазвичай стикаються з більш солоними грунтовими водами. Річки, озера та штучні озера (водосховища) також можуть виснажуватися через надмірне використання. Деякі великі річки, такі як Колорадо в США та Жовті в Китаї, через кілька років сухі.

Малюнок\(\PageIndex{j}\): У міру видобутку грунтових вод зі свердловини рівень води водоносного шару провалюється, утворюючи конус поглиблення. Просадка знаходиться між грунтом води і конусом поглиблення. Опади представлені краплями води, що падають з хмари. Вона просочується в грунт, підживлюючи водоносний шар. На дні водоносного шару розташовується обмежувальний вузол, який непроникний для води. Зображення Тари Грос/USGS (суспільне надбання).

Ще однією проблемою водних ресурсів, пов'язаною з видобутком підземних вод, є вторгнення морської води, де перекачування прісних водоносних горизонтів біля берегових ліній океану призводить до потрапляння морської води в прісноводні зони. Падіння рівня води навколо конуса поглиблення в водоносному шарі може змінити напрямок регіонального стоку підземних вод, що могло б направити довколишнє забруднення в бік насосного колодязя, а не подалі від нього. Нарешті, можуть розвинутися проблеми просідання (поступове занурення поверхні землі на велику площу) і воронок (швидке занурення поверхні землі на невелику площу) через падіння рівня ґрунту води. Оскільки пори в водоносному шарі руйнуються в міру просідання, це постійно знижує здатність водоносного шару утримувати воду в майбутньому.

Підземні води поповнюються за допомогою інфільтрації, просочування з поверхневих вод (озер, річок, водосховищ, боліт), поверхневих вод, навмисно закачування в грунт, зрошення, підземних систем очищення стічних вод (септики). Області підживлення - це місця, де поверхневі води проникають у землю, а не впадають у річки або випаровуються (малюнок\(\PageIndex{k}\)). Області підживлення, як правило, топографічно найвищі місця розташування водоносного горизонту. Для них характерні потоки, що залягають нижче рівня води, і осадом або породою, що дозволяє проникати в надра. Водно-болотні угіддя, наприклад, є чудовими районами підживлення. Області підживлення позначають початок шляхів стоків підземних вод.

Поповнення може бути індуковано за допомогою практики управління водоносним горизонтом зберігання та відновлення водоносних горизонтів. Нагнітальні свердловини дозволяють людині збільшити швидкість підживлення в систему водоносного шару шляхом закачування води в водоносний горизонт (рис.\(\PageIndex{k}\)). Нагнітальні свердловини регулюються державними та федеральними урядами, щоб гарантувати, що закачується вода не впливає негативно на якість або постачання існуючих підземних вод у водоносному шарі. Деякі водоносні горизонти здатні зберігати значну кількість води, дозволяючи водним менеджерам використовувати систему водоносних горизонтів як поверхневий резервуар. Вода зберігається в водоносному шарі в періоди низької потреби у воді та високого водопостачання, а пізніше видобувається в періоди високої потреби у воді та низького водопостачання.

Малюнок\(\PageIndex{k}\): Підземні води можуть заповнюватися через природні райони підживлення, а також штучні нагнітальні свердловини. На цій діаграмі опади виходять з грозової хмари. Частина води змивається як стік, а частина вода проникає через пісок (природна підживлення від опадів). Вода заповнює пісок і гравій в водоносному шарі (маркований резервуар грунтових вод). Нижче водоносного шару знаходиться корінна порода, яка непроникна для води. Ще одне природне джерело підживлення - від струмків. Через штучний колодязь підживлення вода надходить з труби через регулюючий клапан в нагнітальну трубу. Це також додає грунтових вод. Зображення USGS (суспільне надбання).

Атрибуції

• Цикл води та прісне водопостачання, проблеми та рішення водопостачання та біогеохімічні цикли з екологічної біології Метью Р. Фішер (ліцензований відповідно до CC-BY)
• Цикл води, використання та розподіл води та підземні води від введення в геологію Кріса Джонсона та ін. (ліцензована відповідно до CC-BY-NC-SA)
• Біогеохімічні цикли та потік енергії в земній системі від сталого розвитку: Комплексний фонд Тома Тайса та Джонатана Томкіна, редакторів (ліцензований відповідно до CC-BY). Завантажте безкоштовно на CNX.
• Біогеохімічні цикли з біології 2e за OpenStax (CC-BY). Доступ безкоштовно на openstax.org.