10.2: Гідрологічний цикл

Гідрологічний цикл, або кругообіг води, - це циклічність води через земну систему. Гідрологічний цикл - це не тільки кругообіг води, але й цикл енергії. На наступних кількох сторінках ми простежимо воду, як вона проходить через земну систему та енергію, яка її супроводжує.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Гідрологічний цикл

Випаровування та конденсація

Випаровування - це фазова зміна рідкої води на пару (газ). Випаровування є важливим засобом передачі енергії між поверхнею і повітрям вище. Енергія, яка використовується для випаровування води, називається «прихованою енергією». Латентна енергія «замикається» в молекулі води, коли вода зазнає фазової зміни з рідини на газ. Вісімдесят вісім відсотків всієї води, що надходить в атмосферу, походить з океану між 60 ^o північ і 60 ^o південна широта. Велика частина води, що випаровується з океану, повертається прямо назад в океан. Деяка вода транспортується по суші, перш ніж вона випадає в осад. Коли водяна пара конденсується назад у рідину, вона виділяє приховане тепло, яке перетворюється на розумне тепло, що зігріває навколишнє повітря. Прогрівання навколишнього повітря піднімає підйом палива, щоб сприяти адіабатичному охолодженню та подальшій конденсації. Коли краплі води зливаються у більші краплі, вони досягають розміру, достатньо великого, щоб впасти до землі як опади. Розташовані високо в тропосфері, краплі дощу мають високий ступінь потенційної енергії, яка перетворюється в кінетичну енергію, як тільки вони починають падати до поверхні. Впливаючи на поверхню, вони перетворюють цю кінетичну енергію в роботу, виконану на поверхні (наприклад, ерозія).

Перехоплення та інфільтрація

У міру потрапляння води на поверхню в різних формах опадів вона перехоплюється рослинами або падає безпосередньо на поверхню. Опади, які збираються на листках або стеблах рослин, відомі як перехоплення. Кількість води, яку перехоплює рослина, багато в чому залежить від форми рослини. Вода утримується на поверхні листя, поки вона або не стікає, як через падіння, або не стікає вниз по стеблу листя, нарешті досягаючи землі, як потік стебла. Перехоплення падаючого дощу буферує поверхню проти ерозії. Хвойні дерева, як правило, щорічно перехоплюють більше води, ніж листяні дерева, оскільки листяні дерева скидають листя протягом певного періоду часу.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Крапельки води, перехоплені листом дерева. (Джерело: М.Марзот ФАО. Використовується з дозволу)

Дійшовши до землі, частина води проникає в грунт, можливо, просочуючись вниз до зони грунтових вод, або вона може протікати по поверхні як стік. Інфільтрація відноситься до води, яка проникає в поверхню грунту. Інфільтрація контролюється текстурою ґрунту, структурою ґрунту, рослинністю та станом вологості ґрунту. Високі показники інфільтрації відбуваються в сухих грунтах, при цьому інфільтрація сповільнюється в міру намокання грунту. Грубі текстуровані ґрунти з великими добре пов'язаними поровими просторами, як правило, мають вищу швидкість інфільтрації, ніж дрібні текстуровані ґрунти. Однак грубі текстуровані ґрунти заповнюються швидше, ніж дрібні текстуровані ґрунти через меншу кількість загального порового простору в одиниці об'єму грунту. Стік генерується швидше, ніж можна було б мати при більш тонкому текстурованому грунті.

Рослинність також впливає на інфільтрацію. Наприклад, інфільтрація вища для ґрунтів під лісовою рослинністю, ніж голі. Коріння дерев розпушують і забезпечують канали, через які вода може потрапляти в грунт. Листя та поверхнева підстилка зменшують вплив падаючого дощу, утримуючи ґрунтові проходи від герметизації.

Підводні води

Грунтові води та ґрунтові води разом складають приблизно 0,5% всієї води в гідросфері. Води під поверхнею по суті можна розділити на дві зони (рис.\(\PageIndex{3}\)), ненасичену зону (також відому як «зона аерації»), яка включає зону ґрунтових вод, і зону насичення, яка включає грунтові води. Повітря і вода займають порові простори між земними матеріалами в зоні аерації. Іноді, особливо під час сильних опадів, ці порові простори заповнюються водою. Рівень води ділить зону аерації від зони насичення. Висота ґрунту води буде коливатися з опадами, збільшуючись по висоті в вологі періоди і зменшуючись під час сухого. Зверніть увагу, як рівень води перетинається з рівнем поверхні потоку на рис\(\PageIndex{3}\). Просочування грунтових вод в струмок забезпечує базовий потік води для багаторічних струмків.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Зони води під поверхнею (Надано USGS; Джерело)

Грунтова вода

Ґрунтова вода утримується в порових просторах між частинками грунту. Грунтова вода - це вода, яка відразу доступна рослинам. Ґрунтові води можна додатково розділити на три категорії: 1) гігроскопічна вода, 2) капілярна вода та 3) гравітаційна вода. Гігроскопічна вода зустрічається у вигляді мікроскопічної плівки води, що оточують частинки грунту. Ця вода щільно пов'язана з частинкою ґрунту молекулярним притяганням настільки потужним, що її неможливо видалити природними силами. Гігроскопічна вода зв'язується з частинками грунту за допомогою сили адгезії, які перевищують 31 бар і можуть бути такими ж великими, як 10 000 барів (Нагадаємо, що тиск на рівні моря дорівнює 1013,2 мілібару, що становить приблизно 1 бар!). Капілярна вода утримується силами зчеплення між плівками гігроскопічної води. Тиск зв'язування капілярної води набагато менше, ніж у гігроскопічної води. Ця вода може бути видалена сушінням на повітрі або шляхом поглинання рослин, але не може бути видалена самопливом. Рослини витягують цю воду через своє коріння до тих пір, поки капілярна сила ґрунту (сила утримує воду до частки) не буде дорівнює екстрактивній силі кореня рослини. У цей момент рослина не може витягнути воду з зони вкорінення рослин, і вона в'яне (називається точкою в'янення). Гравітаційна вода - це вода, що переміщається по грунту під дією сили тяжіння. Кількість води, що утримується в грунті після зливу надлишку води, називається польовою ємністю грунту. Кількість води в грунті контролюється текстурою грунту. Ґрунти, де переважають глинисті частинки, мають більше загального порового простору в одиниці об'єму, ніж ґрунти, де переважає пісок. В результаті дрібнозернисті ґрунти мають більш високі польові потужності, ніж крупнозернисті.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Представницькі діапазони пористості для осадових матеріалів

На діаграмі нижче показана залежність між текстурою ґрунту, точкою в'янення, місткістю поля та доступною водою. Різниця між точкою в'янення і місткістю поля полягає в доступній воді.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Взаємозв'язок між наявною водою та текстурою ґрунту

Відзначимо, що найменша кількість доступної води пов'язано з грубішою текстурою грунту, піском. Кількість доступної води збільшується до центру графіка, де знаходять ґрунти із сумішшю частинок різного розміру (суглинні ґрунти). Потім наявна вода падає до дрібних текстурованих грунтів праворуч. Як пояснити взаємозв'язок між наявною водою та текстурою ґрунту? Грубий ґрунт не має багато доступної води, оскільки спочатку він не містить багато води. На іншому кінці спектру низька доступна вода в дрібних грунтах обумовлена міцним зв'язком між частинками грунту і водою. У цих умовах рослинам важче відтягувати воду від частинок ґрунту.

Підземні води

Грунтові води займають зону насичення. Як зображено на гідрологічній діаграмі циклу, грунтові води рухаються вниз через ґрунт шляхом просочування, а потім до каналу потоку або великої водойми як просочування. Рівень води відокремлює зону насичення від зони аерації. Рівень води коливається в залежності від умов вологості, у вологий час рівень води підніметься, оскільки більше пір простору зайнято водою. Грунтові води знаходяться в водоносних горизонтах, тілах земляного матеріалу, які мають здатність утримувати і передавати воду. Водоносні горизонти можуть бути як необмеженими, так і замкнутими. Незамкнуті (відкриті) водоносні горизонти «з'єднуються» з поверхнею вище. Закриті (закриті) водоносні горизонти затиснуті між щільними непроникними шарами земляного матеріалу, званого водоносним шаром. Грунтові води поповнюються за рахунок просочування води із зони аерації вниз до зони насичення, або в зоні підживлення замкнутого водоносного горизонту. Зона підживлення - це місце, де обмежений водоносний шар виставляється на поверхню і вода може потрапити в нього.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Беззамкнуті і замкнуті водоносні горизонти. (Люб'язно USGS; Джерело)

Водоносні горизонти поповнюють запас води дуже повільно. Швидкість потоку грунтових вод залежить від проникності водоносного шару і гідравлічного ухилу. На проникність впливають розміри і зв'язність порових просторів. Більші, краще пов'язані порові простори створюють високопроникний земляний матеріал. Гідравлічний градієнт - це різниця висот між двома точками на грунті води, розділена на горизонтальну відстань між ними. Швидкість витрати грунтових вод виражається рівнянням:

Витрата грунтових вод = проникність X гідравлічний градієнт

Витрати підземних вод зазвичай досить повільні. Середній витрата грунтових вод 15 м на добу є звичайним явищем. Високопроникні матеріали, такі як гравій, можуть мати швидкість потоку 125 м на добу.

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Рух грунтових вод (люб'язно USGS; Джерело)

Грунтові води в водоносному шарі знаходяться під тиском, званим гідростатичним тиском. Гідростатичний тиск в обмеженому водоносному шарі штовхає воду вгору при бурінні свердловини в водоносний шар. Висота, на яку піднімається вода, називається пьезометрической поверхнею. Якщо гідростатичний тиск досить великий, щоб проштовхнути пьезометрическую поверхню над висотою поверхні, вода легко витікає як артезіанська свердловина.

Малюнок\(\PageIndex{8}\): Поворотне зрошення на ячмінному полі в Саудівській Аравії. Ячмінь використовується як корм для молочних корів. (Джерело: F. Mattioli, ФАО Використовується з дозволу)

Підземні води та діяльність людини

Підземні води є важливим джерелом води для такої діяльності людини, як сільське господарство та побутова питна вода. У 2000 році 68% прісних ґрунтових вод було використано для зрошення, тоді як ще 19% було видобуто для цілей громадського постачання, переважно питної води. Для тих, хто постачає власну воду для побутового використання, понад 98 відсотків припадає на грунтові води.

Ілюстрація\(\PageIndex{9}\): Відведення підземних вод США (2000) (надано USG)

У сухих регіонах і в місцях, де ґрунти є високопроникними, сільське господарство використовує велику кількість грунтових вод для зрошення. Високий рівень використання води для сільського господарства породив напруженість між міськими та сільськими інтересами. 4 грудня 1998 року «Розмова про націю - наукова п'ятниця» сегмент «Сан-Антоніо: водні права» обговорює конкуруючі вимоги міського та сільського населення, що використовує водоносний горизонт Едвардс на півдні Техасу.

Малюнок\(\PageIndex{10}\): Оголення освіти Огаллала (пісковика), основної водоносної одиниці водоносного шару Високих рівнин, поблизу Канадської річки в Техасі. (Люб'язно USGS. )

Однак швидкість відведення грунтових вод людиною іноді перевищує підживлення водоносного шару. Такий випадок водоносного горизонту Високих рівнин Арізони, Колорадо, Нью-Мексико та Юти. Перекачування запасів грунтових вод може привести до ущільнення і деградації водоносного шару. У міру видалення води водоносний шар часто руйнується, внаслідок чого поверхня стихає. Ущільнення водоносного шару зменшує простір пір, ускладнюючи підживлення. Одним з найяскравіших прикладів є те, що відбувається в долині Сан-Хоакін в Каліфорнії. Серпень 6, 2013 NPR All Things Розглядається сегмент NPR Ранкове видання від липня 2, 2013 "Свердловини сухі в частині Канзасу" описує становище фермерів та скотовочів у Канзасі, де запаси підземних вод стають дефіцитними.

Малюнок\(\PageIndex{11}\): Просідання землі в Каліфорнії. Джо Польща, вчений USGS показує осідання з 1925 і 1977 10 миль на південний захід від Мендоти, Каліфорнія. Знак читає «Сан-Хоакін Долина Каліфорнія, BM S661, просідання 9M, 1925-1977" (З USGS Professional Paper 1401-A, «Грунтові води в Центральній долині, Каліфорнія- Короткий звіт»; Фото Діка Ірландії, USGS, 1977)

Поверхневі води

Як тільки опади потрапляють на поверхню, вода може проникати в грунт або рухатися по поверхні як стік. Поверхневий стік зазвичай виникає, коли інтенсивність опадів перевищує швидкість інфільтрації або якщо ґрунт знаходиться на водоутримуючій здатності. Інфільтрація та водоутримуюча здатність є одночасно функцією текстури та структури ґрунту. Грунт, що складається з високого відсотка піску, дозволяє воді проникати через нього досить швидко, оскільки він має великі, добре пов'язані порові простори. Ґрунти, де переважають глинисті, мають низьку швидкість інфільтрації через менші розміри порових просторів. Однак насправді менше загального простору пор в одиничному об'ємі грубого піщаного ґрунту, ніж у ґрунті, що складається здебільшого з глини. Як результат, піщані ґрунти швидко заповнюються і зазвичай утворюють стік раніше, ніж глинисті ґрунти.

Малюнок\(\PageIndex{12}\): Звивистий потік (Джерело: Геологічна служба Канади, що використовується з дозволу)

Якщо інтенсивність опадів перевищує інфільтраційну здатність грунту, або якщо грунт досяг своєї польової ємності, відбувається поверхневий стік. Вода протікає по поверхні як обмежений, так і необмежений потік. Необмежений потік рухається по поверхні в широких листах води, часто створюючи ерозію аркушів. Обмежений потік відноситься до води, обмеженої каналами. Потік потоку - це форма замкнутого потоку.

Вода, яка проходить уздовж поверхні, може опинитися в пастці в поглибленнях і утримуватися як депресія зберігання. Тут вода може або випаровуватися назад в повітря, проникати в землю або, виливатися з поглиблення в міру її заповнення.

Потік потоку вимірюється різними способами, одним з яких є потік скидання. Потік скидання - це обсяг води, що проходить через певний перетин потоку за одиницю часу. Витрата потоку вимірюється в кубічних футах в секунду або кубічних метрах в секунду. «Нормальний» або базовий потік потоку забезпечується за рахунок просочування грунтових вод в русло струмка. Це просочування - це те, що тримає багаторічні струмки, що йдуть цілий рік. Коли випадають опади від шторму, скид потоку збільшується в міру додавання води в потік, або від прямих опадів в русло, або стік.

Малюнок\(\PageIndex{13}\): Гідрограф потоку

Гідрограф потоку (праворуч) ілюструє взаємозв'язок між скиданням і стоком. Синій гістограма - це опади, а лінійний графік - розряд. З плином часу (вимірюється вздовж осі х) розряд збільшується в міру випадання опадів. Зверніть увагу, що час пікових опадів настає до пікового розряду. Це пояснюється тим, що потрібен час, щоб вода текла по поверхні і увійшла в потік.

Розмір, форма, землекористування, рослинність та геологія вододілу визначають стік та форму графіка скидання.

Малюнок\(\PageIndex{14}\): Загальні вилучення води в США, 2000 (надано USGS)

Поверхневі води є важливим джерелом водопостачання, особливо на південному заході США. Постійне збільшення чисельності населення і розвитку напружує регіональні водні ресурси. Коли річка Колорадо пробивається через пустелю, вона втрачає половину потоку на випаровування, а решту - на зрошення та муніципальне водопостачання. Нещодавня посуха та тепліші температури, прогнозовані в майбутньому, викличуть більший попит на цей дорогоцінний товар. Нижня течія рідко досягає Каліфорнійської затоки, як це було в минулі часи. Тепер ця колись могла річка зазвичай закінчується невеликим струмком або сухим каналом.

Малюнок\(\PageIndex{15}\): Зараз суха дельта річки Колорадо лежить у пустелі Баха/Соноран в 5 милі на північ від Кортекського моря, Мексика (надано USGS)

Деякі вважають, що ми досягли максимальної швидкості видобутку нафти. Іншими словами, ми досягли «піку» в нашій здатності добувати нафту і темпи видобутку продовжуватимуть знижуватися. Чи можна те ж саме сказати і про наше використання води? Перегляньте відео нижче, щоб вивчити відповідь на це питання.