Общий объем воды на земном шаре составляет около 1338 млн. км3. Основной ее запас (96,5 %) находится в Мировом океане. В жизни человека наибольшую ценность представляют пресные воды. Ледники и постоянный снежный покров содержат 24,1 млн. км3 пресной воды, т. е. около 69 % общих ее запасов. Свыше 50 % (10,5 млн. км3) пресной воды сосредоточено в почвогрунтах (подземные воды). Пресные озера России содержат около 28 тыс. км3 воды, из них 25 тыс. км3 – в озере Байкал. Вода в болотах составляет около 12 тыс. км3, или 0,03 % запаса пресных вод. Годовой сток рек нашей страны составляет 4720 км3 в год. В руслах рек России единовременно находится около 500 км3 воды. Вода в природе под влиянием солнечной радиации, вызывающей испарение, и силы земного притяжения совершает непрерывный круговорот (влагооборот) между гидросферой, почвой и атмосферой. Водяной пар поступает в атмосферу в результате испарения с водной поверхности и поверхности почвы, растительности, снежного и ледяного покрова, а также вследствие транспирации. В атмосфере непрерывно протекают процессы конденсации и сублимации водяного пара, образование облаков и перенос их воздушными массами. Из облаков при определенных условиях выпадает на поверхность земли вода в виде жидких (дождь) или твердых (снег) осадков.
Различают два типа влагооборота – большой и малый. Большой, или мировой, влагооборот захватывает обширные пространства, когда водяной пар, поднявшийся с поверхности океанов, переносится воздушными потоками на материки, выпадает там в виде атмосферных осадков и возвращается в океан в виде стока.
Малый влагооборот происходит на меньших пространствах и бывает океанический, когда водяной пар, образовавшийся при испарении воды с поверхности океанов, снова выпадает в виде осадков в океан, и внутриконтинентальный, когда влага, испарившаяся с поверхности суши, вновь выпадает на сушу в виде атмосферных осадков.
Испарение с поверхности земного шара составляет в среднем за год 577 тыс. км3 воды. Из этого объема 505 тыс. км3 приходится на Мировой океан и 72 тыс. км3 – на сушу. Воздушными потоками на сушу переносится и стекает обратно в океан 47 тыс. км3 воды. Из этого объема реками выносится в океан 45 тыс. км3, поступает в океан в виде стока грунтовых вод 2 тыс. км3. Если распределить этот объем воды равномерно по поверхности суши, получится слой осадков, равный 515 мм.
Единовременно объемы воды в руслах рек мира почти полностью заменяются в среднем за 16 дней. Воды озер в среднем возобновляются в течение 17 лет, изменяясь от нескольких лет (для малых озер в засушливых областях) до нескольких сотен лет. В озерах ежегодно возобновляется в среднем от 1 % до 2 % воды от их объема. В водном балансе нашей страны приход влаги с осадками составляет 11 700, испарение – 7340, сток – 4360 км3.
Соотношение прихода и расхода влаги за определенный интервал времени называется водным балансом. Его принято выражать уравнением, которое составляют для определенного участка территории: бассейна, реки, страны, материка или земного шара в целом. Под бассейном понимается часть земной поверхности, включая и толщу почвогрунтов, откуда происходит сток воды в определенную реку, речную систему или озеро. Синонимом понятия «бассейн» является понятие «водосборная площадь».
Составляя уравнение водного баланса за ограниченный период (месяц, год), необходимо учитывать изменение запасов влаги в бассейне (снежном покрове, почве, поймах рек и пр.). Величина этих изменений в многоводные годы может быть положительной, а в маловодные – отрицательной. Следует учитывать и подземный водообмен с соседними бассейнами. С учетом сказанного, уравнением водного баланса будет
где O – осадки;
С – сток;
Е – испарение (суммарное);
ΔW – изменение запасов влаги в бассейне;
ΔU – подземный водообмен с прилегающими участками.
Уравнение водного баланса позволяет установить степень обводненности территории, выявить избыток или недостаток влаги. Если приходная часть водного баланса превышает расходную, то наблюдается избыток влаги и требуется осушение территории, если расходная часть больше приходной, то требуется орошение.
Средние многолетние значения составляющих уравнения водного баланса (элементов водного баланса), которые при увеличении длительности периода наблюдений существенно не меняются, называются нормой гидрологических величин (норма осадков, норма стока, норма испарения).
Роль почвенной влаги в почвообразовании исключительно велика. Не менее важное значение имеет почвенная влага как фактор плодородия почв, а отсюда и как фактор сельскохозяйственного производства. Исходя из этого, вытекает весьма важная задача мелиорации – регулирование водного режима и водного баланса почв.
Проведение гидротехнических мелиорации (орошение, осушение, двустороннее регулирование водного режима) всегда должно увязываться с содержанием и доступностью влаги в почве, т.е. обусловливаться степенью ее связи с почвой, количественным и качественным соотношением различных ее форм. Поэтому четкое представление о формах воды в почве, границах отдельных ее категорий, в пределах которых вода обладает одинаковыми свойствами, важно не только в теоретическом плане, но и в практическом отношении.
В почве вода находится в различных состояниях и формах, а следовательно, обладает различной степенью доступности для растений.
Согласно взглядам А.А. Роде, наиболее полно обобщившим все предыдущие исследования по этому вопросу, различают следующие категории (формы) почвенной воды:
1) Химически связанная:
а) конституционная;
б) кристаллизационная;
2) Парообразная вода;
3) Физически связанная или сорбированная вода:
а) прочносвязанная вода;
б) рыхлосвязанная (пленочная) вода;
4) Свободная вода:
а) Капиллярная вода:
– капиллярно-подвешенная;
– капиллярно-подпертая;
– капиллярно-посаженная (подперто-подвешенная вода);
б) Гравитационная вода:
– просачивающая;
– грунтовая;
5) Твердая вода – лед.
Химически связанная вода находится в почве в составе гидратных минеральных, органоминеральных и органических веществ. Ее количество невелико и лишь иногда может достигать от 5 % до 12 %, что указывает на значительное содержание в почве выветривающихся силикатов и алюмосиликатов. Эта вода подразделяется на конституционную и кристаллизационную, объединяемых иногда общим понятием гидратной или кристаллогидратной воды.