Грунтовые воды. Реки

Ребята, сегодня мы поговорим об одном из самых удивительных и жизненно важных явлений на нашей планете — о воде. Мы с вами знаем, что без воды жизни нет, но задумывались ли вы, как устроен её круговорот? Почему реки, которые несут свои воды в моря тысячи лет, до сих пор не иссякли? Или откуда в колодце берётся вода?

Начнём с самого начала. Ещё древний царь Соломон подмечал, что реки постоянно впадают в море, но оно не переполняется, будто вода возвращается к своему истоку. Лишь спустя тысячелетия люди смогли разгадать эту загадку, поняв, что всё дело в постоянном круговороте, который мы называем гидрологическим циклом.

Представьте себе гигантский механизм, в котором двигателем служит солнечное тепло. Оно ежегодно испаряет с поверхности океанов и морей колоссальный объём воды — около 350 тыс. км³. Примерно 80 % этой влаги сразу же возвращаются обратно в океан в виде дождя или снега. А вот оставшиеся 20 % — это то, без чего мы не можем жить. Это те самые 35 тыс. км³ воды, которые выпадают на сушу и дают начало всему живому.

Чтобы вернуться в океан, вода проделывает долгий и сложный путь. Капля, упавшая высоко в горах, может на тысячи лет вмёрзнуть в ледник, а потом, растаяв, дать начало бурному горному потоку. Другая капля может попасть в озеро и провести там много времени, прежде чем вытечь в реку. Третья — уйдёт глубоко под землю, пополнив запасы грунтовых вод. А если осадки выпадут в районе вечной мерзлоты, вода может замёрзнуть и пролежать в подземном «холодильнике» тысячи лет, храня, к примеру, останки древних мамонтов. Вся эта вода, в отличие от морской, не содержит солей и называется пресной. Она-то и является основой нашей жизни.

А теперь давайте мысленно возьмём лопату и начнём копать яму. Вы наверняка знаете, что почти всегда на какой-то глубине мы увидим воду. Шахтёры и метростроевцы сталкиваются с этим постоянно: вода мешает их работе, и её приходится откачивать. Оказывается, под землёй скрываются просто гигантские запасы воды — почти в 40 раз больше, чем во всех реках и озёрах мира вместе взятых!

Существует определённый уровень, ниже которого все поры в почве и горных породах заполнены водой. Этот уровень так и называется — зона насыщения. Если мы выкопаем колодец ниже этого уровня, он всегда будет наполнен водой. Вся вода, что заключена в этой зоне, называется грунтовыми водами.

Верхняя граница зоны насыщения — это уровень грунтовых вод. Интересно, что он обычно повторяет рельеф местности: под холмами он выше, под долинами — ниже. А возле рек и озёр грунтовые воды подходят очень близко к поверхности. Бывают и удивительные явления, например, линзы подвешенной воды, которые располагаются выше основного уровня. В Индии, например, в таких линзах хранится вода, выпавшая в виде дождя тысячи лет назад. Это настоящий невозобновляемый ресурс. Если его бездумно израсходовать, люди могут остаться без пресной воды.

Грунтовые воды не стоят на месте, они очень медленно движутся через мельчайшие трещинки и поры. Это движение называется фильтрацией. Его скорость зависит от нескольких факторов. Во-первых, от проницаемости породы: сквозь песок вода пройдёт гораздо быстрее, чем через сплошную гранитную плиту. Во-вторых, от перепада давления, который определяется разницей высот между двумя точками. В общем, подземные реки подчиняются тем же законам, что и наземные: они текут туда, где ниже, и чем больше перепад высот, тем скорость течения выше. Разница лишь в том, что воде приходится пробираться сквозь своеобразный «фильтр» — горную породу.

Если мы измерим проницаемость породы и уклон грунтовых вод в конкретном месте, можно вычислить скорость их течения. Обычно она совсем небольшая — от нескольких миллиметров до нескольких метров в день. Так что подземная река — это совсем не бурный поток.

Наземные и подземные воды постоянно обмениваются между собой. Во время сильного ливня или таяния снегов река выходит из берегов, и часть её воды уходит в грунт, пополняя подземные хранилища. Но когда река возвращается в свои берега, уровень грунтовых вод часто оказывается выше речного, и тогда начинается обратный процесс: грунтовые воды питают реку, выходя на поверхность в виде родников на склонах берегов или бьющих со дна ключей.

Люди давно научились использовать подземные воды. В сельской местности для водоснабжения бурят скважины до водоносных слоёв. В скважину опускают насос, который качает чистую воду на поверхность. Бывает, что вода в скважине поднимается выше того уровня, на котором её обнаружили. Такие скважины называются артезианскими. В них вода может даже фонтанировать на поверхность, потому что давление в водоносном пласте очень высокое.

Вам уже известно, что с древнейших времён люди селились возле рек. Река давала воду, пищу, а с изобретением лодок стала и главной дорогой. Например, Нил был «федеральной трассой» для Древнего Египта, Тигр и Евфрат — для Вавилона, а в России такую роль играли Днепр и Волга. Река — это символ вечного движения и жизни. Но откуда же берут начало реки и почему вода в них не кончается?

Очень часто реки рождаются там, где грунтовые воды выходят на поверхность. Если это происходит на склоне, получается ручеёк, если на равнине — может образоваться болото. Например, река Урал начинается родниками на склонах гор. А Волга вытекает из болота. Многие горные реки питаются водой от тающих ледников. Но какой бы ни был источник питания — дождь, снег, лёд или грунтовые воды, — первоисточник всего один — атмосферные осадки. Интересно, что даже величайшие реки мира у своего истока — всего лишь маленькие ручейки. Исключение — реки, вытекающие из больших озёр, например, Ангара или Нева. Обычно в озеро впадает много рек, а вытекает всего одна. В Байкал, например, впадает 336 рек и ручьёв, а вытекает одна-единственная Ангара.

Это происходит потому, что вода находит и прокладывает себе самое глубокое русло. Все другие возможные пути оказываются выше уровня озера. Совсем редко встречается раздвоение русла, когда река разделяется на две ветви, которые больше не сливаются и могут впадать в разные моря. Яркий пример — река Ориноко в Южной Америке, от которой ответвляется река Касикьяре. Но и такое раздвоение — явление временное, через тысячи лет более глубокий рукав станет единственным.

А возле устья, там, где река впадает в море, часто происходит обратный процесс — русло делится на множество проток. Такое разветвление называется дельтой, потому что на карте оно похоже на греческую букву «дельта». Дельты образуются из-за того, что река, замедляясь, теряет свою силу и начинает откладывать принесённый с собой песок и ил.

Теперь давайте разберёмся, как реки пополняются водой. Мы уже знаем, что их питают грунтовые воды. Но не менее важную роль играют притоки, а также такие явления, как половодье и паводок.

Половодье — это ежегодный, регулярный и продолжительный подъём уровня воды в реке. Время его наступления зависит от того, чем в основном питается река. Если талым снегом — половодье будет весной, если дождями — в сезон дождей. У рек, что берут начало в ледниках, половодье случается летом. А если питание смешанное, то может быть и два пика. Чтобы запастись водой на засушливый период, люди строят на реках плотины. Выше плотины образуется огромное искусственное озеро — водохранилище, где и копится вода. Её затем используют в течение года для орошения полей, снабжения водой населённых пунктов, выработку энергии на гидроэлектростанциях.

А вот паводок — это нерегулярный, кратковременный и часто опасный подъём воды из-за сильных ливней или резкого таяния снега. Он может случиться в любое время года.

Теперь ответим на вопрос, почему реки такие извилистые. Казалось бы, вода под действием силы тяжести должна течь по самому короткому пути — по прямой. Но на самом деле реки всегда образуют плавные изгибы — меандры.

Представьте, что русло делает поворот. Вода на повороте ведёт себя хитро. Вода у поверхности, испытывая центробежную силу, устремляется к внешнему, дальнему от центра поворота берегу. А вода у дна, замедленная трением, наоборот, движется к внутреннему берегу. Так возникает поперечная циркуляция, своеобразная воронка. Эта воронка размывает внешний, крутой берег, а у внутреннего, пологого — откладывает песок и гальку, создавая пляж. Так небольшая излучина постепенно увеличивается, становится всё более выразительной.

Иногда петля становится такой большой, что река в половодье прорывает узкий перешеек и спрямляет своё русло. А старая, заброшенная петля превращается в озеро-старицу, часто имеющую форму подковы. Со временем старица мелеет и зарастает, превращаясь в болото.

На направление течения рек влияет даже вращение Земли! Это влияние описывается силой Кориолиса. В Северном полушарии она прижимает воду к правому берегу, а в Южном — к левому. Из-за этого в Северном полушарии правые берега рек обычно более крутые и подмытые, а левые — пологие. В Южном полушарии всё с точностью до наоборот.

Ну и наконец, поговорим о скорости течения. От чего она зависит? Во-первых, от уклона русла. Чем уклон больше, тем скорость выше — всем известно, что горные реки быстрее равнинных. Во-вторых, от шероховатости дна и берегов. Каменистое дно создаёт меньше трения, чем илистое или песчаное. Неровности дна также вызывают турбулентность — водовороты, которые тормозят общий поток. В-третьих, на скорость влияет форма русла. Если представить два русла с одинаковой площадью поперечного сечения, то меньшее трение будет у того, которое имеет форму, близкую к полукругу.

Для описания движения жидкости в реке учёные используют модель стационарного течения. Это такое течение, при котором в каждой точке реки скорость воды постоянна и по величине, и по направлению. Можно представить, что река состоит из множества тонких, несмешивающихся слоёв-трубочек, текущих параллельно друг другу. Эти воображаемые трубочки называются трубками тока.

Если мы мысленно выделим такую трубку, то для неё будет справедлив важнейший закон — уравнение неразрывности струи. Он гласит, что для несжимаемой жидкости (а вода практически несжимаема) количество жидкости, протекающее через любое сечение трубки, одинаково.

S₁v₁ = S₂v₂

Из этой формулы сразу становится понятно, почему в узких местах река течёт быстрее.

А теперь давайте вспомним закон Бернулли, который вы, возможно, проходили на физике. Он утверждает, что в стационарном потоке жидкости или газа полное давление вдоль линии тока остаётся постоянным. Это полное давление складывается из статического давления, динамического давления и гидростатического.

P + (ρv²)/2 + ρgh = const

Если пренебречь перепадами высоты (для горизонтального потока), то формула упрощается:

P + (ρv²)/2 = const.

Отсюда следует фундаментальный вывод: где скорость потока больше, там статическое давление меньше, и наоборот.

Этот закон объясняет множество удивительных явлений. Например, почему два корабля, идущие параллельным курсом, может притянуть друг к другу. В узком пространстве между их бортами скорость воды возрастает, а значит, давление падает. А с внешних сторон бортов давление остаётся высоким. Эта разница давлений и заставляет корабли сближаться, что может привести к столкновению.

То же самое происходит и в воздухе. Когда мимо вас на большой скорости проносится поезд или грузовик, вы чувствуете, как вас «засасывает» в его сторону. Воздух между вами и транспортом движется быстрее, давление падает, а давление с другой стороны остаётся нормальным. Эта сила может быть очень опасной. Именно поэтому на платформах метро и вокзалов нарисована ограничительная линия. Стоять за ней, когда мимо проносится «Сапсан» на скорости 200 км/ч, смертельно опасно!

Вода — это не просто формула H₂O. Это сложная, динамичная и живая система, одна из главных сил, что формируют облик нашей планеты. Понимание её законов позволяет нам не только пользоваться её дарами, но и жить с ней в гармонии, предвидеть опасность и беречь этот бесценный ресурс для будущих поколений.