9.2: Виникнення, доступність та використання води на Землі

Значна частина води Землі приблизно 1,4 мільярда кубічних кілометрів (1,4 × 109 км3), яка не пов'язана хімічно, циркулює через гідрологічний цикл, представлений на ілюстрації гідросфери, показаної на малюнку 8.1. Близько 97,6% цієї води становить солона вода в океанах. З приблизно 33 мільйонів км ³ води, що залишилися, 86,9% знаходиться у твердій формі в снігопаку, льоду та льодовиках; 12,0% - доступна вода під землею (підземні води), 0,37% - у прісноводних озерах, водоймах та ставках; 0,31% - в солоних озерах; 0,19% - вологість ґрунту; 0,19% - в біосфері організмів; 0,039% знаходиться в атмосфері у вигляді крапель пари та хмари; 0,011% знаходиться у водно-болотних угіддях; і лише 0,0051% становить воду у всіх річках, струмках та каналах Землі. Тому надзвичайно малий відсоток води Землі є відносно доступним для використання, що є основним фактором стійкості цієї важливої частини природного капіталу Землі.

Прісні поверхневі та підземні води є основними джерелами для використання людиною. Опресненная морська вода є зростаючим джерелом прісної води в деяких районах, які не мають доступу до цього цінного ресурсу. Більшість установок для опріснення морської води знаходяться на Близькому Сході, посушливому регіоні із загалом багатими джерелами енергії, які можна використовувати для опріснення. Найбільшим у світі заводом опріснення є багатоступінчаста установка флеш-дистиляції Джебель-Алі в Об'єднаних Арабських Еміратах, яка може виробляти 300 мільйонів кубічних метрів питної води на рік. У всьому світі є значні ресурси солонуватих (солоних) підземних вод. У багатьох випадках ця вода має менший вміст солі, ніж морська вода, що полегшує та економічніше опріснення.

Основним занепокоєнням щодо доступності води є її нерівномірний розподіл щодо часу та місця розташування. Деякі райони відчувають величезні опади та повені під час вологих (мусонних) сезонів із сухими умовами між ними. У той час як ці коливання передбачувані і компенсація за них може бути зроблена, більші проблеми виникають з довгостроковими посухами. Регіони Африки періодично страждають від посухи, які тривають протягом декількох років, вбиваючи сільськогосподарські культури і тварин і завдаючи великих труднощів людям в регіоні. Докази з кілець дерев вказують на доколумбову посуху тривалістю майже три століття в тому, що зараз на південному заході США! Нерівномірний географічний розподіл води відбувається по всьому світу і проілюстровано для континентальної частини США на малюнку 9.2. Видно, що опади, як правило, адекватні у східній частині країни, хоча в цьому регіоні трапляються руйнівні посухи. Однак західна континентальна частина США має дефіцит опадів із суттєво постійними умовами посухи в деяких регіонах, включаючи Неваду, Арізону та південну Каліфорнію. Проблема посилюється популярністю цих регіонів як районів, в яких люди хочуть жити, і вимогами, які вони пред'являють до обмежених водних ресурсів.

Малюнок 9.2. Розподіл середньорічної кількості опадів в континентальній частині США, становить в сантиметрах на рік.

Поверхневі потоки води

Основним джерелом води є поверхневі води, які течуть струмками і річками. Ділянки суші, на які випадають опади для забезпечення потоків поверхневих вод, називають вододілом. Що стосується використання води, то вододіли є одним з найважливіших зв'язків між геосферою та гідросферою; характер вододілу значною мірою визначає кількість та якість води, доступної для використання людиною. Хороший вододіл утримує воду протягом значного відрізка часу, що зменшує затоплення, дозволяє забезпечити стійкий стік води, а також максимально підживлення води в підземні водойми (підживлення водоносного шару, рис. 9.3). Заходи, що застосовуються для підвищення якості вододілу, включають мінімізацію обробітку та вирубки лісу, особливо на крутопологих ділянках вододілу, будівництво терас і водних шляхів, висаджених до трави на оброблюваних землах для мінімізації ерозії та накопичення осаду, будівництво невеликих нагромадження на фідерних потоках вододілу, і, звичайно, мінімізація забруднення, наприклад, гербіцидами.

Малюнок 9.3. Ілюстрація підземних вод у водоносних горизонтах в геосфері. Грунтові води надходять у водоносні пласти з поверхневих вод в зони підживлення і скидаються через джерела або відкачуються через свердловини.

Важливим аспектом потоків, що впливає на використання та якість води, є їх здатність мобілізувати осадові матеріали за допомогою ерозії, транспортувати матеріали разом із потоком потоку та відкладати їх як тверді речовини. Зазвичай бажано, щоб потоки, що використовуються в якості джерела води, мали мінімальний осадовий матеріал, який доводиться видаляти під час очищення води.

Більшість річок, колись вільно протікають і безперешкодно втручаються людиною, були модифіковані людьми для отримання енергії, для водопостачання та зменшення наслідків повені. Починаючи зі зливу води з Долини Оуенс на півночі Каліфорнії і поширюючись на річки Перо, Сакраменто та Колорадо, ненажерлива спрага Лос-Анджелеса до води обслуговується величезною системою гребель, каналів та тунелів. Відведення води з долини Оуенс перетворило раніше продуктивну сільськогосподарську територію в одну з обмежених сільськогосподарських потреб. Багато несприятливих наслідків відведення води були спричинені дамбами, побудованими для обмеження річок. В результаті будівництва греблі багато колись красивих річкових долин були вкриті водою, а продуктивні сільськогосподарські угіддя в долині річок були втрачені. Наприклад, прекрасна долина Гетчі-Хетчі в національному парку Йосеміті в Каліфорнії була затоплена з початку 1900-х років будівництвом греблі, побудованої для забезпечення водою та гідроелектроенергією Сан-Франциско. Зараз розглядаються серйозні пропозиції щодо зняття греблі і відновлення долини колишньої краси.

Стоячі водойми

Значна частина води, яку використовують люди, походить від стоячих водойм, включаючи природні озера та водосховища, побудовані шляхом розміщення гребель на річках. Водно-болотні угіддя - це водойми, досить мілководні, щоб підтримувати ріст рослин, що вкорінюються знизу. Лимани утворюються там, де прісна річкова вода впадає в океани. Вони мають унікальні фізичні, хімічні та біологічні властивості завдяки змішуванню прісної та морської води. Водно-болотні угіддя та лимани є важливими місцями розмноження ряду організмів, і дуже важливо, щоб вони були збережені. Багато водно-болотних угідь осушені під сільськогосподарські угіддя, і важливими зусиллями щодо збереження є їх збереження та відновлення.

Важливою характеристикою озера або водойми, що розвивається протягом літа в результаті температурного/щільного поведінки води, є розшарування, показана в зв'язку з хімією води на малюнку 9.4. Піддаючись впливу атмосферного кисню і світла, верхній шар, епілімніон, в нормі має значну концентрацію розчиненого кисню і є токсичним. Фотосинтетичні водорості

Малюнок 9.4. Хімія води, як впливає на розшарування водойми, в якій більш теплий, менш щільний шар води в епілімніон знаходиться над більш прохолодним, більш щільним гіполімніоном. Ця стратифікація запобігає проникненню кисню на нижчі глибини, де переважають хімічно відновлені види (CH _{4, NH 4} ⁺, H ₂ S). У токсичному епілімніон присутні хімічно окислені види (CO ₂, NO ₃ ^-, _{SO 4} ^2-).

процвітають в епілімніоні і під час денного світла виробляють O2 шляхом фотосинтезу. Виділений з атмосферного кисню гіполімніон, розташований в донних областях водойми, стає аноксичним, оскільки O ₂ споживається бактеріями. Хімічно окислені види, включаючи CO ₂, NO ₃ - та SO ₄ ^2-, переважають в епілімніоні та хімічно відновлених видах, таких як CH _{4, NH 4} ⁺ та H ₂ S, знаходяться в гіполімніоні. Під час осені в помірному кліматі охолодження епілімніона призводить до того, що він стає більш щільним і занурюється, що призводить до перекидання водойми. Це явище має тенденцію розбурхувати осадовий матеріал і вивільняти поживні речовини з осаду в воду.

Підземні води

Малюнок 9.3 ілюструє шлях підземних вод у водоносні горизонти від опадів, що потрапляють на вододіл і проникають в водоносний шар через зону підживлення. Зона насичення складається з геосферних гірських порід і шарів грунту, в яких всі пори заповнені водою, верх якої визначає рівень ґрунту. Фракцією освіти водоносного шару, що складається з пір, є пористість і здатність пласта допускати рух води - це його проникність. Як правило, висока проникність і висока пористість є бажаними властивостями водоносних пластів, які дозволяють виводити відносно великі обсяги води через свердловини, пробурені в водоносні горизонти. На якість грунтових вод сильно впливає його контакт з мінеральними утвореннями в геосфері. Інфільтрація через породу і пісок очищає воду, фільтруючи мікроорганізми і зважені тверді речовини. Контакт з геосферними твердими речовинами значною мірою визначає хімічний склад води шляхом додавання бажаних рівнів розчинених іонів Ca ²⁺ та лужності, а іноді і небажаних розчинів, таких як хлорид натрію.

Артезіанські свердловини

Артезіанські водоносні горизонти - це ті, що обмежені щільною глиною або сланцем, таким чином, що вода протікає природним шляхом з пробуреної в них артезіанської сверд Назва походить від римського міста Артезум на місці французького міста Артуа, відомого сипучою водою з колодязів, виритих в середні століття. Артезіанські свердловини часто є високо цінними джерелами води. Деякі сучасні розливні компанії здали в оренду або закуповували ділянки артезіанських свердловин і рекламують свій продукт як артезіанську воду, хоча за якістю вона не відрізняється від перекачуваної свердловинної води. Багато артезіанські свердловини втратили свої сипучі якості через виснаження свого водного ресурсу.