1.2: Джерела та характеристики води

У цій главі будуть розглянуті джерела води в Каліфорнії і особливості води.

Результати навчання студентів

Прочитавши цю главу, ви повинні мати можливість:

• Поясніть різні етапи гідрологічного циклу
• Визначте різні джерела постачання
• Перелічіть первинні джерела постачання для району Південної Каліфорнії
• Обговорити фізичні, хімічні та біологічні аспекти води

Гідрологічний цикл води

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Зображення USGS знаходиться у відкритому доступі

Звідки береться наша вода? Одним з найбільш унікальних аспектів нашої планети є величезна кількість води, що покриває її. Близько сімдесяти одного (71) відсотка земної поверхні становить вода. Саме те, що важливо для підтримки життя, охоплює майже три чверті нашої планети. Однак приблизно дев'яносто сім з половиною (97,5) відсотків всієї води на землі - це морська вода. Це дорівнює приблизно трьохсот двадцяти шести (326) мільйонам трильйонів галонів води, яка непридатна для пиття. Це означає, що два з половиною (2,5) відсотки води планети є прісноводною або водою, що не містить солі. Поки це ще багато води, майже сімдесят (70) відсотків її недоступні. Ця вода знаходиться у вигляді льодовиків або постійного снігового покриву. Приблизно тридцять один (31) відсоток цієї води є підземними водами і менше одного (1) відсотка вважається поверхневими водами.

Чи означає це, що у нас в кінцевому підсумку закінчиться прісна вода? Якщо більшість земної води є або морською, або недоступною, чи означає це, що ми маємо обмежений запас для підтримки життя? Коротка відповідь - ні, у нас не закінчиться прісна вода, і ми не маємо обмеженого запасу. Однак доступ до прісної води - це питання, яке потребує вирішення, і на нашій планеті є місця, де не вистачає безпечних та адекватних запасів питної води. У цьому розділі ми звернемося до «короткої відповіді». Причина, по якій ми маємо доступ до прісної води в більшості районів на землі, пов'язана з чимось відомим як гідрологічний цикл. Гідрологічний цикл - це безперервний рух води по всій землі. Це фізичний процес випаровування, конденсації, опадів, інфільтрації та поверхневого стоку. Вода змінюється від однієї форми до іншої, а потім іншої. Три фази, через які проходить вода, - це рідина, газ та тверда речовина. Ми щодня розуміємо і стикаємося з водою в цих трьох фазах. Вода в найпоширенішому вигляді - рідка. Однак ми можемо заморозити його, щоб зробити лід (твердий), або кип'ятити, щоб зіткнутися з парою (газом). Протягом усього гідрологічного циклу вода також переноситься через ці фази.

Зображення нижче (люб'язно надано Геологічною службою США - USGS) показує багато деталей щодо гідрологічного циклу. По-перше, спробуйте зосередитись на трьох фазах, які ми щойно обговорювали (рідина, газ та тверда речовина). Опади - це рідкий стан, лід і сніг - твердий стан, а випаровування являє собою стан газу або пари. Як видно з цієї діаграми, вона трохи складніша, але вода проходить через ці три фази (стани) безперервним рухом по, вище і під поверхнею землі. Є три (3) інші терміни, з якими ви повинні ознайомитися в цьому процесі. Терміни - це випаровування, інфільтрація та сублімація.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Зображення USGS знаходиться у відкритому доступі

Евапотранспірація - це процес перенесення води з землі в атмосферу з грунту і інших поверхонь і шляхом транспірації від рослин. Транспірація - це випаровування з листя рослини. Подумайте про це як про рослини, що потіють. Сублімація - це процес, за допомогою якого речовина (вода в даному випадку) переходить безпосередньо з твердої фази в парову або газоподібну фазу. Зазвичай це відбувається в атмосфері. Третій термін - інфільтрація. Інфільтрація - це процес потрапляння води на поверхню грунту. Якщо геологічні умови будуть правильними, вода буде продовжувати переноситися глибше в земну поверхню, поки не стане грунтовими водами. Цей більш глибокий процес перенесення відомий як просочення. Єдиний інший процес у гідрологічному циклі, який ви повинні взяти до уваги, - це процес конденсації. Це коли водяні пари переходять з газової фази в рідку. Тепер, коли ми маємо загальне розуміння гідрологічного циклу, прийшов час звернути свою увагу на різні джерела водопостачання.

Джерела води

Поверхневі води

Коли вода залишає океани та інші райони на суші, вона випаровується в атмосферу і врешті-решт повертається через певну форму опадів. Коли сніг і лід тануть або випадає дощ на сушу, він стає стіком. Цей стік увійде в струмки, річки або озера. Це вважаються поверхневими водами. У південній Каліфорнії є три (3) основні джерела постачання поверхневих вод, державний водний проект, акведук річки Колорадо та Акведук Лос-Анджелеса. Кожен з цих джерел поверхневих вод обслуговує конкретні райони і належать і експлуатуються різними водними агентствами.

• Акведук Лос-Анджелеса - Акведук Лос-Анджелеса належить і управляється Департаментом води та енергетики Лос-Анджелеса (LADWP). Єдині користувачі цієї води - клієнти LADWP. Акведук зайняв приблизно п'ять (5) років, щоб побудувати і бере свій початок в долині Оуена, доставляючи воду клієнтам LADWP через всю гравітаційну систему.
• Акведук річки Колорадо - Акведук річки Колорадо приносить воду з річки Колорадо на озері Хавасу до Південної Каліфорнії. Він управляється столичним водним округом. Вода протікає через два (2) резервуари та п'ять (5) насосних станцій і подає воду на південь до округу Сан-Дієго.
• Державний водний проект — Державний водний проект є одним з найбільших комунальних водоканалів у світі. Він приносить воду з Північної Каліфорнії і розподіляє її в районах і навколо Сан-Франциско, а також до великих мегаполісів Південної Каліфорнії. Він підтримується Каліфорнійським департаментом водних ресурсів і має двадцять дев'ять різних підрядників, що тягнуть воду з цієї системи. В рамках цієї системи більше десятка водойм для зберігання води і насосних установок.

За даними USGS, приблизно вісімдесят (80) відсотків всієї води, що використовується в Сполучених Штатах, надходить з поверхневих джерел води. Поверхневі води є важливим природним ресурсом, який використовується для багатьох цілей, особливо для зрошення та громадського питного водопостачання.

Підземні води

Грунтові води - це вода на поверхні, яка проникає і врешті-решт проникає досить глибоко в підземні системи, відомі як водоносні горизонти. Водоносний шар - це підземна система проникного грунту (піску, гравію, гірської породи), яка може містити і передавати воду під землею або грунтовими водами. Підземні води існують з двох основних причин, гравітаційного та геологічного утворення.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Цей матеріал був відтворений з groundwater.org з дозволу Фонду підземних вод. © Фонд підземних вод. Всі права захищені.

Гравітація тягне воду в землю і якщо геологічне утворення сприяє утриманню води, утворюються водоносні горизонти. Вода накопичується в порожнечах і просторах в межах підземної геології. Деякі приклади цих утворень складаються з пісковика, вапняку і навіть граніту. Існує три (3) основних типи водоносних горизонтів: необмежені, замкнуті та тріщинисті породи. Кожен з них має унікальні характеристики і властивості.

• Необмежений водоносний горизонт - Необмежений водоносний горизонт має верхню поверхню, відкриту для атмосфери через проникний матеріал, такий як пісок та гравій. Цей тип водоносного горизонту, як правило, більш схильний до забруднення від розливів або скидів на поверхні грунту.
• Обмежений водоносний горизонт - замкнутий водоносний горизонт має подібний склад, як і необмежені водоносні горизонти. Вони складаються з пористих матеріалів, таких як пісок і гравій. Основна відмінність полягає в тому, що знаходиться над непроникною породою або глиняним шаром, що відокремлює його від атмосфери. Зазвичай цей непроникний шар складається з глин. Через цей непроникний шар замкнуті водоносні горизонти, як правило, менш схильні до забруднення.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Зображення Ганса Hillewaert ліцензовано відповідно до CC BY-SA 3.0

• Тріщинована скеля - Підземна система водоносних горизонтів з тріщинами гірських порід набагато відрізняється від необмежених та обмежених водоносних горизонтів. У деяких районах зустрічаються скельні утворення, які практично не мають проникності, але вони все одно можуть містити воду. Вода зберігається в складних тріщинами (тріщинами) всередині гірських порід. Цю воду можна вивести, але мінливість переломів ускладнює розташування ділянок з водою.

Як необмежені, так і замкнуті водоносні горизонти можуть давати велику кількість води для побутового та сільськогосподарського використання. Багато громад покладаються виключно на грунтові води з цих типів водоносних горизонтів. Хоча тріщини породи можуть зберігати воду під землею, ці типи водоносних горизонтів не такі поширені і не виробляють майже стільки води. У районі Південної Каліфорнії існує безліч різних систем водоносних горизонтів. За даними Департаменту водних ресурсів Каліфорнії (DWR), в гідрологічному регіоні Південного узбережжя є сімдесят сім (77) басейнів і підбасейнів підземних вод. Сюди входять округи Вентура, Лос-Анджелес, Сан-Бернардіно, Ріверсайд, Оранж та Сан-Дієго.

Малюнок\(\PageIndex{5.1}\): Карта USGS знаходиться у відкритому доступі

Малюнок\(\PageIndex{5.2}\): Поперечні діапазони та вибрані півострівні діапазони провінції складається з наступних навчальних одиниць

Перероблена вода

Ще одним джерелом постачання, яке стає все більш помітним і необхідним, є оборотна вода. У минулому термін «рекультивована» вода використовувався частіше. Частково це було пов'язано з джерелом води, меліоративними заводами. Однак, оскільки використання стало більш поширеним, термін перероблений став більш поширеним. Вони взаємозамінні.

Перероблена вода очищається стічними водами. Всі стічні води проходять по мережевій системі каналізаційних трубопроводів. Ця мережа є перш за все самопливною системою, але в моменти, коли висоти змінюються, для «підйому» стічних вод потрібні насоси. Після того, як стічні води надходять на станцію рекультивації стічних вод (також зазвичай використовується очисна споруда), вона повинна пройти процес очищення. Вимоги до очищення для граничного скидання варіюються залежно від того, де будуть випущені очищені стічні води. Іноді ці очисні споруди розташовуються уздовж узбережжя і вода скидається в океан. У той час як в інший час рослини розташовані у внутрішніх громадах, а вода скидається в місцеві річкові системи.

Для того, щоб очищені стічні води використовувалися як оборотна вода, вона повинна принаймні пройти третинну очистку. Перші два етапи очищення стічних вод (первинний і вторинний) призначені для видалення сміття і твердих речовин через процес осадження, а потім процес видалення біологічного вмісту. Процес третинного лікування, як правило, є останнім етапом лікування, якщо не використовується якась форма розширеного лікування. Зазвичай цей процес передбачає якусь форму фільтрації, до складу якої входить пісок. Додаткові поживні речовини також можна видалити.

Хоча оборотна вода, як правило, відповідає всім державним та федеральним стандартам питної води, вона не дозволена для споживання людиною. Першочерговим використанням оборотної води є зрошення. Парки, дитячі майданчики, спортивні майданчики, озеленення вулиць та автострад, а також поля для гольфу є одними з найбільш поширених видів використання оборотної води. Перероблена вода також може використовуватися для промислових і комерційних систем охолодження.

Характеристики води

Вода - дивовижне з'єднання і володіє деякими дуже унікальними властивостями. Через молекулярної структури води вона має спорідненість до інших молекул. Вода вважається «полярним» з'єднанням. Це означає, що відбувається нерівномірний розподіл електронної щільності. Зв'язки між атомом кисню і двома атомами водню знаходяться під кутом (див. Нижче).

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Водно-3D-кулі Benjah-BMM27 знаходиться у відкритому доступі

Червона точка вище представляє атом кисню у воді, а дві білі точки представляють атоми водню, що прирівнюється до молекулярної формули «H2O». Структура води має частковий негативний заряд поблизу кисню і частковий позитивний заряд біля атомів водню. Така структура дозволяє воді володіти як когезійними, так і адгезійними властивостями. Згуртованість - це здатність води притягуватися до інших молекул води. Ця згуртована властивість - це те, що надає поверхневий натяг води і дозволяє комахам, таким як Water Strider, ходити по воді. Така полярність також дозволяє воді розчиняти безліч різних сполук.

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Gerris від webrunner ліцензується відповідно до CC BY-SA 3.0

Вода також має тяжіння між молекулами. Це властивість іменується адгезією. Коли ви наповнюєте склянку водою, вода навколо склянки «прилипає» до склянки, змушуючи воду «підніматися» на скляну стіну. Це призводить до того, що вода має меніск увігнутий вигляд.

Малюнок\(\PageIndex{8}\): Зображення Jleedev ліцензовано відповідно до CC BY-SA 3.0 (зображення, модифіковане COC OER)

Вода також є єдиною поширеною речовиною на земній поверхні, яка існує як газ, рідина, так і тверда речовина. Температура впливає на воду, змушуючи її зберігатися в кожній з цих фаз. Це, як правило, безбарвна речовина без запаху.

Фізичні характеристики

Вода, як правило, безбарвна. Це одне з найважливіших естетичних якостей води, про яке піклуються клієнти. Ніхто не хоче пити воду, яка має колір. Однак це також поширена проблема якості води професіоналам доводиться стежити. У системі розподілу є кілька речей, які можуть призвести до того, що вода має колір. Деякі приклади включають повітря (білий), залізо (жовтий або коричневий), марганець (викликає чорні плями). Існують рішення цих прикладів, але професіоналам водоканалу важливо стежити за якістю води в системі розподілу, щоб зберегти воду в її природному безбарвному стані.

Окрім безбарвної, вода, як правило, не має смаку. Однак, як і колір, певні речі в водопроводі можуть надати воді неприємний смак. Хлор - це хімічна речовина, яка зазвичай використовується для дезінфекції води, щоб зробити її безпечною для пиття. Однак це також може надати воді неприємний смак покупцям.

Остаточне фізичне властивість води ми обговоримо в цьому тексті - температура. У міру зміни температури води змінюється і фізична природа води. Наприклад, коли вода наближається до 0° C, вона змінює форму з рідини на тверду. І навпаки, коли вода наближається до 100° C, вона починає кипіти і переходить з рідини в газ.

Зразки питань

1. Яка з них не є однією з фаз води протягом усього гідрологічного циклу?
   1. Рідина
   2. Газ
   3. Тверді
   4. Сублімація
2. Очищені стічні води, що використовуються для поливу, називають ___________.
   1. Непитна вода
   2. Зрошувана припливна вода
   3. Сільське господарство води
   4. Перероблена вода
3. Вода, як правило, ___________.
   1. Безбарвний
   2. Небезпечно пити
   3. Рясний у всіх областях
   4. Все вищесказане
4. Який з перерахованого не вважатиметься водоносним горизонтом?
   1. Обмежений
   2. Необмежений
   3. Акведук
   4. Тріщини гірської породи
5. Три основні поверхневі джерела води Лос-Анджелеса включають всі наступні, крім ___________.
   1. Акведук Лос-Анджелеса
   2. Річка Колумбія
   3. Річка Колорадо
   4. Державний водний проект