Речная вода содержит как растворенные атмосферные газы, так и примеси, обусловленные составом почвы, растительностью, гидробионтами, деятельностью человека, климатом, гидрогеологическими, гидродинамическими условиями и проч. В этой связи речная вода обычно характеризуется высокой цветностью, низкой щелочностью, большим количеством взвешенных веществ, наличием различных ядохимикатов (в результате смыва с сельскохозяйственных полей), а также бактериальной загрязненностью, наличием привкусов и запахов.

Количество растворенных газов (кислород, азот, углекислота), содержащихся в речной воде, относительно постоянно, так как зависит от атмосферного давления. Литр речной воды содержит от 40 до 55 см³ газа. Зимой содержание газов больше, чем летом и осенью.

Количество растворенных солей зависит от свойств и состава пород, размываемых рекой. Преобладают в речной воде углекислые и сернокислые соли кальция, магния, а также хлориды щелочных металлов, кремнезем и органические соли.

Состав взвешенных веществ (речной мути, ила), близок к составу глин: преобладают кремнезем и глинозем, оксиды железа, кальция, магния, соли калия и натрия. Значительная доля приходится на органические вещества – гуминовые и фульвокислоты, лигнины, танины и проч.

Поверхность рельефа, с которой речная система собирает свои воды, называется водосбором, или водосборной площадью. Водосборная площадь вместе с верхними слоями земной коры, включающая в себя данную речную систему и отделенная от других речных систем водоразделами, называется речным бассейном.

В руслах рек чередуются глубокие плёсы и мелководные перекаты. Линия наибольших скоростей течения называется стрежнем.

Речная система – это совокупность рек, изливающих воды одним общим руслом в другой водоем (озеро, море, океан). Речная система состоит из главной реки и включает притоки первого, второго и следующих порядков. Притоками первого порядка называются реки, непосредственно впадающие в главную реку, второго порядка – притоки притоков первого порядка и т. д. Название речной системы дается по названию главной реки.

Бассейн водоема (водосборный бассейн, водосборная площадь или водосбор) – территория, с которой все поверхностные и подземные воды стекаются в данный водоем. Чаще всего речь идет о бассейнах рек. Бассейн водоема включает в себя поверхностный и подземный водосборы. Для простоты за величину речного бассейна принимается только поверхностный водосбор.

Бассейны рек делятся на сточные и бессточные. Бессточными называются области внутриматерикового стока, лишенного связи через речные бассейны с океаном.

В основу классификации рек положен режим стока, или годовой водный режим. В соответствии с этой классификацией реки делятся на три группы: с весенним половодьем, с летним половодьем и реки с паводочным режимом.

Паводок, в отличие от половодья, возникает нерегулярно и характеризуется быстрым, непродолжительным подъемом уровня в каком-либо створе реки и почти столь же быстрым спадом. Причиной паводка обычно бывают обильные дожди или интенсивное кратковременное снеготаяние в период зимних оттепелей. Подъем уровней и увеличение расходов воды при паводках иногда могут превышать уровень и наибольший расход в половодье.

Меженью называют периоды, характеризующиеся низкой водностью вследствие снижения поступления воды с водосборной площади. Межень обычно отвечает одним и тем же срокам годового цикла. В зависимости от времени наступления различают летнюю и зимнюю межень.

К другим важнейшим характеристикам реки относятся ее длина и площадь водосбора, то есть площадь, с которой атмосферные осадки стекают в данную реку. При этом выделяют большие, средние и малые реки.

Большие реки протекают через несколько географических зон. Сюда условно относят равнинные реки с площадью водосбора больше 50 тыс. км².

Средние реки протекают в пределах одной географической зоны; это равнинные реки с площадью водосбора в пределах от 2 до 50 тыс. км².

Малые реки – это те реки, которые не пересыхают в течение года или пересыхают на короткое время, протекают в равнинной местности и имеют площадь водосбора менее 2 тыс. км²

Мировой речной сток выносит ежегодно в океаны и моря более 3 млрд тонн растворенных минеральных веществ, он еще называется сток солей или ионный сток. Речные воды имеют небольшую минерализацию и относятся к пресным водам. Выделяют реки с малой (до 200 мг/л), средней (200–500 мг/л), повышенной (500–1000 мг/л) и высокой (>1000 мг/л) минерализацией. Большинство рек России относятся к первым двум категориям. В половодье и паводки, когда преобладает снеговое или дождевое питание рек, минерализация речных вод уменьшается, а в межень, когда возрастает вклад в питание рек более минерализованных подземных вод, увеличивается.

Речные воды России по химическому составу, как правило, относятся к гидрокарбонатному классу. Обычно это воды малой минерализации севера европейской и большей части азиатской территории страны.

Значительно меньшую площадь занимают воды средней минерализации, которые распространены в зонах лесов и лесостепей в средней полосе европейской части России.

Еще меньшая площадь занята бассейнами рек с водами повышенной минерализации. Они распространены преимущественно на юге европейской части России в зонах лесостепей и степей.

Гидрокарбонатные воды с минерализацией свыше 1000 мг/л в природе встречаются крайне редко.

Реки с водой, относящейся к сульфатному классу, сравнительно малочисленны, но превосходят воды гидрокарбонатного класса по величине минерализации. В них, как правило, преобладает кальций.

Реки, воды которых относятся к хлоридному классу, встречаются почти так же редко, как и реки, в воде которых преобладают сульфаты. Они расположены на территории преимущественно степных районов и полупустынь. Преобладающими катионами природных вод хлоридного класса являются ионы натрия. Воды хлоридного класса отличаются высокой минерализацией – свыше 1000 мг/л, реже от 500 до 1000 мг/л.

Природная зональность ионного состава речной воды связана не только с действием климатических условий настоящего времени, но и в значительной степени подготовлена климатом прошлого.

Карта среднего годового речного стока органических веществ дает представление о закономерностях миграции органических веществ в различных ландшафтах и позволяет установить ее связи с другими геохимическими факторами. Так, наибольшее количество органических веществ выносится реками в северные и восточные моря из таежно-лесных и горно-таежных регионов. Наличие на севере страны почвенных зон тундры, лесотундры и тайги, а также грунтовых вод с существенной концентрацией органических веществ обусловливает формирование маломинерализованных, в основном гидрокарбонатных, высокоцветных вод. Особенности их очистки и обеззараживания будут рассмотрены ниже.

Озера

Воды, заполняющие естественные впадины на поверхности Земли, образуют озера. Это водоемы с замедленным водообменом.

Озера питаются водами поверхностного, подземного стока и атмосферными осадками. Расход воды происходит путем поверхностного испарения и подземного стока.

Почти все запасы озерных вод находятся в 16 наиболее крупных озерах. Так, объем озера Байкал составляет 23 тыс. км³.

Запасы пресных озерных вод Земли оценивают в 120 тыс. км³ [20].

Водный баланс озер определяют климатическая зональность и особенности геологического и тектонического строения региона.

Химический состав озерных вод зависит от состава пород водосбора и ложа озера и определяется также составом воды питающих притоков и подземных вод. Обычно доминирующими являются ионы НСО^-, соли жесткости с Са²⁺ и Mg²⁺. Ионы О^-, Cl^-, Na⁺ и К⁺ присутствуют обычно в малых количествах. Имеется и биогенный азот.

Количество растворенных примесей зависит от наличия или отсутствия стока из озера. В проточных озерах накопление солей незначительно. В сточных озерах возможно некоторое накопление солей, особенно под влиянием биохимических процессов. Самое же значительное накопление происходит в бессточных озерах, аккумулирующих принесенные в них соли. По степени солености воды озера делятся на следующие типы:

1) пресные – до 12 промилле;

2) солоноватые – 12–24,7 промилле;

3) соленые – 24,7–47 промилле;

4) минеральные, или соляные, – выше 47 промилле.

Соленость воды озер изменяется по их площади, глубине и во времени.

Озера по минерализации воды, как и реки, подразделяются на карбонатные (содовые), сульфатные (горько-соленые) и хлоридные (соленые). Уровень концентрации солей в таких озерах близок к насыщению, и дальнейшее повышение ее приводит к осаждению и кристаллизации солей. Минеральное озеро, в котором происходит садка соли, называется самосадочным, а его вода, представляющая насыщенный раствор, – рассолом или рапой.

Озерные воды характеризуются очень большими колебаниями pH: от 1,7 в некоторых вулканических озерах до 12,0 в ряде закрытых озер – например, в содовых озерах Восточной Африки и Южной Америки.

Почти все озера, воды которых имеют pH меньше 4, располагаются в вулканических областях, куда поступают сильные неорганические кислоты. Низкие значения pH также обнаруживаются в природных водах, обогащенных растворенными органическими веществами, например в заболоченных озерах. Обычные величины pH для открытых озер колеблются в пределах от 6 до 9.

Причиной мутности озерных вод могут быть компоненты состава почв и горных пород, вымываемые реками из своего русла, а также талые воды и ливневый сток, то есть твердые осадки, смываемые дождями с почвы лесов, полей, лугов и улиц населенных мест.

Одним из самых главных параметров озерной воды является содержание в ней кислорода, так как кислород играет весьма существенную роль в метаболизме водных аэробных организмов. Поступление растворимого в воде кислорода из атмосферы и образование его путем фотосинтеза сбалансированы его расходом на дыхание аэробных организмов.

Воды озер весьма разнообразны по своему химическому составу. При этом содержание водного гумуса может колебаться от 1 до 150 мг/л. Содержание гуминовых и фульвокислот в озерных водах оценивают по показателю цветности. Следует отметить биологическое загрязнение озер и весьма частую их эвтрофикацию. Растворенное и взвешенное органическое вещество природных вод является основным регулятором метаболизма водных экосистем. При исследовании состава микрофлоры озер обнаружены представители всех основных групп микроорганизмов, обеспечивающих круговорот азота, углерода, фосфора и других элементов.

По водному балансу озера подразделяются на бессточные, сточные и с перемежающимся стоком:

– бессточные озера не имеют ни поверхностного, ни подземного стока, и потеря воды происходит только при испарении;

– сточные озера теряют воду за счет поверхностного и подземного стока. Среди сточных озер выделяются проточные, сток у которых составляет значительную долю объема водной массы. В них наблюдаются течения, связанные с режимом впадающих и вытекающих рек;

– озера с перемежающимся стоком занимают промежуточное положение между обеими группами. Сток воды из этих озер происходит только в период высоких вод, в межень вытекающие из них водотоки пересыхают.

Особенностью озерной воды является частое развитие микроскопических одноклеточных водорослей – так называемое цветение, способное в значительной мере ухудшить органолептические свойства воды и придать ей аллергенные свойства.

Питьевая водоподготовка озерных вод с учетом их специфики требует применения более сложных технологий.

Водохранилища

Водохранилище – искусственный водоем, созданный для накопления и последующего использования воды, в том числе для орошения земель, водоснабжения населенных мест и промышленных предприятий, улучшения судоходных условий и проч.

Система водохранилищ на реке называется каскадом. С помощью водохранилищ регулируют речной водный сток для гидроэнергетики с целью предотвращения наводнений. Водохранилища используют также для организации рыбного хозяйства, водного транспорта, рекреации (отдыха людей), водного спорта.

Водохранилище состоит из трех основных частей: озерной, озерно-речной и речной.

• Озерная часть – это зона водохранилища, примыкающая к плотине и простирающаяся вверх по течению на значительное расстояние (70–150 км) от створа. Она наиболее глубоководна при любых уровнях воды, скорость течения незначительна, волнение наибольшее по сравнению с другими частями водохранилища.

• Озерно-речная часть – средняя зона водохранилища. При сработке ниже нормального уровня она характеризуется незначительными глубинами на пойме. Судоходство осуществляется только по судоходным трассам. Наблюдается сильное волнение, а также течение воды по направлению главного русла реки.

• Речная часть даже при высоких уровнях представляет собой мелкий водоем. Волнение слабое, скорость течения значительна. При низких уровнях вода входит в меженное русло реки.

Типы водохранилищ различают по способу заполнения водой:

• запрудные – их заполняет вода водотока, на котором они расположены;

• наливные – заполняются водой рядом расположенного водотока или водоема. К наливным водохранилищам относятся, например, водохранилища гидроаккумулирующих электростанций.

Форма водохранилища определяется характером заполненного водой понижения земной поверхности. Котловинные водохранилища обычно имеют озеровидную форму, долинные – вытянутую.

По степени регулирования речного стока водохранилища бывают:

• многолетнего регулирования;

• сезонного регулирования;

• суточного регулирования.

К основным характеристикам водохранилища относятся площадь его поверхности (зеркало), объем воды и амплитуда колебания уровней воды в условиях его эксплуатации.

Гидрогеологический режим водохранилищ регулируется исходя из хозяйственных потребностей. По степени регулирования речного стока водохранилища могут быть многолетнего, сезонного, недельного и суточного регулирования. Характер регулирования стока определяется назначением водохранилища и соотношением полезного объема водохранилища и величины стока воды реки.

Любое водохранилище рассчитывается на накопление некоторого объема воды в период наполнения и на сброс этого же объема в период его сработки. Накопление нужного объема воды сопровождается повышением уровня до некоторой оптимальной величины. Такой уровень обычно достигается к концу периода наполнения, может поддерживаться плотиной в течение длительного времени. Предельно возможным снижением уровня воды в водохранилище является достижение уровня мертвого объема, сработка объема воды ниже которого технически невозможна.

Сооружение водохранилищ привело к увеличению объема вод суши приблизительно на 6,6 тыс. км³ и к замедлению водообмена приблизительно в 4–5 раз. Наиболее сильно замедлился водообмен в речных системах Азии (в 14 раз) и Европы (в 7 раз). После сооружения каскада водохранилищ водообмен в бассейнах рек Волги и Днепра замедлился в 7–11 раз.

Давая несомненный положительный экономический эффект, водохранилища нередко вызывают и весьма неоднозначные экологические последствия.

Расход стока воды водохранилищ на хозяйственные нужды и потери на испарение с его поверхности ведут к увеличению концентрации органических примесей в водоеме. В то же время водохранилища служат мощными поглотителями биогенных и загрязняющих веществ благодаря процессам их разложения и осаждения. Однако это положительное воздействие водохранилищ на качество воды возможно лишь при правильном режиме их эксплуатации, при условии ограничения антропогенной нагрузки на качество воды и проведения природоохранных мероприятий. В некоторых случаях требуется и реконструкция самого водохранилища.

Водохранилища изменяют микроклиматические условия, почвенно-растительный покров на подтопленных землях и на сопредельной территории. Нередко ухудшается качество воды вследствие возникновения в некоторые периоды года дефицита кислорода в придонных слоях, накопления солей и биогенных веществ, цветения воды.

Вода водохранилищ обычно характеризуется малой мутностью, высокой цветностью и окисляемостью, наличием планктона в теплое время года, низкой минерализацией и малой жесткостью. Эти особенности затрудняют ее очистку для питьевых нужд.

В период таяния снега вода в реках, озерах и водохранилищах имеет более низкую минерализацию, чем в период, когда большая часть питания осуществляется за счет грунтовых и подземных вод. Это обстоятельство используют при регулировании наполнения водохранилищ и сброса из них воды. Как правило, водохранилища наполняют в период весеннего половодья, когда приточная вода имеет меньшую минерализацию.

То есть при эксплуатации водохранилищ необходимо проведение экологического прогноза.

Приблизительно 95 % объема всех водохранилищ мира сосредоточено в крупных искусственных водоемах с полным объемом более 0,1 км³. В настоящее время таких водохранилищ более 3 тыс. Большинство из них расположены в Азии и Северной Америке, а также в Европе.

В России насчитывается более 100 крупных водохранилищ с объемом более 0,1 км³ каждое. Их суммарные полезный объем и площадь равны, соответственно, около 350 км³ и более 100 тыс. км². Всего же в России более 2 тыс. водохранилищ.

Самые большие по площади водохранилища в мире (без учета подпруженных озер) – это Вольта в Гане на реке Вольте, Куйбышевское в России на реке Волге, Братское в России на реке Ангаре, Насер (Садд-эль-Аали) в Египте на реке Нил. Самый большой полезный объем (без учета подпруженных озер) имеют водохранилища Вольта, Насер, Братское, Кариба (на реке Замбези в Замбии и Зимбабве).

Общая площадь всех водохранилищ мира – более 400 тыс. км², а с учетом подпруженных озер – 600 тыс. км². Суммарный полный объем водохранилищ достиг почти 6,6 тыс. км³. Многие реки земного шара – Волга, Миссури, Колорадо, и другие – превращены в каскады водохранилищ. Через 30–50 лет водохранилищами будет зарегулировано 2/3 речных систем земного шара [21].

Дождевая вода

Дождевая вода также является источником питьевого водоснабжения.

По сравнению с другими частями гидросферы содержащаяся в воздухе вода составляет очень небольшую долю – всего 0,001 %. Но значение этой части велико. Водяной пар участвует в образовании парникового эффекта, в поглощении и дифракции солнечного излучения. Путешествуя с воздушными потоками, вода переносится во все уголки Земли.

Вода быстрее переходит в газообразное состояние с поверхности пресных водоемов, чем с поверхности соленых. Рыхлая почва, лишенная капилляров, испаряет меньше влаги, чем плотная; больше всего воды атмосфера получает с глинистой почвы.