Тема 3. Гидрология

Гидрология как наука

• Гидрология – наука, изучающая природные воды, их распространение по Земному шару, а также происходящие в них явления и процессы.

Вода как вещество

• Вода - одно из наиболее распространенных веществ на Земле:

• в физически и химически свободном состоянии входит в состав минералов и горных пород;

• в свободном состоянии образует гидросферу;

• служит средой обитания многих организмов и основой их питания;

• сами организмы состоят в большей своей части из воды.

• Минерализация– суммарное содержание в воде растворенных минеральных веществ, выраженное в мг/л или г/м³.

• Соленость– содержание растворенных в воде веществ, выраженное в г/кг или в промилле (‰).

По содержанию солей природные воды подразделяют на:

• Пресные:

• минерализация - 0-1000 мг/л, соленость - 0-1 ‰ - большинство рек и озер, подземных вод.

• Солоноватые:

• минерализация - 1000-24700, соленость - 1-24,7 ‰ - Каспийское море (11-12 ‰), Балтийское море (8-9 ‰).

• Соленые:

• соленость 25-50 ‰.

• Рассолы:

• соленость >50 ‰ - оз. Баскунчак, Мертвое море.

• Основной химический состав природных вод определяется содержанием наиболее распространенных анионов: НСО₃^-,SO₄^2-, Сl^-и катионов:Ca²⁺,Na⁺,Mg²⁺, К⁺.

• Соотношение указанных элементов определяет основные свойства вод – щелочность, соленость и жесткость.

• По анионам выделяют три типа воды:

• 1) гидрокарбонатные;

• 2) сульфатные;

• 3) хлоридные.

• Вода – единственное вещество, у которого в твердом состоянии плотность меньше, чем в жидком.

• При нормальном давлении плотность жидкой воды при tот 0 до 4^оС ведет себя аномально: увеличиваясь с возрастанием температуры от 999,87 до 1000 кг/м³.

• Поэтому при охлаждении от 4 до 0 ^оС, т.е. непосредственно перед замерзанием, охлаждающаяся вода не опускается вниз, что сохраняет на глубинах в пресноводных водоемах положительную температуру и предохраняет водные организмы от гибели.

• При последующем увеличении tвыше 4^оС плотность воды уменьшается.

• Плотность льда заметно меньше жидкой воды, что также аномально.

• При температуре меньшей 0С с уменьшением температуры плотность падает и составляет 920 кг/м³при температуре –20^оС.

• Это приводит к тому, что лед, как вещество более легкое, чем вода всплывает и экранизирует водную толщу, защищая ее от охлаждения.

Метод водного баланса

• основан на составлении универсального уравнения водного баланса для данной территории, анализе его составляющих и определении неизвестных компонентов (плохо поддающихся расчету) по известным.

• Приходная часть уравнения– атмосферные осадки, поверхностный и подземный сток (естественный и искусственный);

• Расходная часть уравнения– испарение, поверхностный и подземный сток (естественного и искусственного), изменение количества воды в объекте.

Уравнение водного баланса

X + Y₁⁺ + W₁⁺ = Z + W₂^- + Y₂^-  U

•  где

• Х – атмосферные осадки,

• Y₁– поверхностный приток,Y₂– поверхностный отток,

• W₁– приток подземных вод,W₂– отток подземных вод,

• Z– испарение,

• U– изменение количества воды в пределах водного объекта,

• +U– накопление воды (ледники, снег, водоемы, грунтовые воды),

• - U– опускание уровня водоема (грунтовых вод).

Понятие о гидросфере

• Гидросфера– водная оболочка Земли, включающая всю химически не связанную воду независимо от ее состояния: жидкую, твердую и газообразную.

• Свыше 96% объема гидросферы составляют моря и океаны,

• около 2% - подземные воды,

• около 2% - льды и снега,

• около 0,02% - поверхностные воды суши (реки, озера, болота).  

Круговорот воды

• Все воды на Земле – океанические, поверхностные и подземные воды суши – благодаря лучистой энергии солнца и силе тяжести тесно взаимосвязаны и образуют единый круговорот водыв природе.

• Различают два звена глобального круговорота воды – малый круговорот(океан-океан) ибольшой круговорот(океан-суша)

• Количественным выражением круговорота воды является уравнение водного баланса.

Уравнение водного баланса, описывающее круговорот воды над океаном:

x_ок (458) + w (2) + y (45) = z_ок (505)

• x_ок – осадки, выпавшие над океаном,

• w– подземный сток в океан,

• y– поверхностный сток в океан,

• z_ок – испарение с поверхности океана.

Уравнение водного баланса для материкового звена, состоящего из периферийной и внутренней зон:

x_с (110)= y (45) + w (2) + z_c (63)

• x_с – осадки, выпавшие над сушей,

• w– подземный сток с суши,

• y– поверхностный сток с суши,

• z_с – испарение с поверхности суши

Водные объекты

• Скопления природных вод на земной поверхности или в толще грунтов, имеющие определенный гидрологический режим называют водными объектами.

Различают три типаводных объектов:

• Водотоки– водные объекты, которые имеют вытянутые углубления (русла), поступательное движение воды происходит по уклону: реки, ручьи, каналы.

• Водоемы– водные объекты, обладающие замедленным водообменом и располагающиеся в понижениях земной коры: океаны, моря, озера и водохранилища.

• Особые водные объектывключают ледники, подземные воды и болота.

Гидрология морей

Моря внутриматериковые

Гидрология морей

Гидрология подземных вод

• Подземные воды– природные воды Земли, расположенные в горных породах, в верхней части земной коры в твердом, жидком и парообразном состоянии, связанные с поверхностными и атмосферными водами и участвующие в общем круговороте воды.

• Образуются главным образом за счет просачивания вглубь атмосферных осадков во время дождей или таяния снега (инфильтрационные).

• На равнинах, сложенных осадочными горными породами, обычно чередуются слои, обладающие различной водопроницаемостью.

• Одни из них легко пропускают воду (пески, гравий, галечник) – водопроницаемые грунты.

• Другие задерживают воду (глина, кристаллические сланцы) – водоупорные грунты.

• На водоупорных породах вода задерживается, заполняет промежутки между частицами вышележащей водопроницаемой породы и образует водоносный горизонт.

В зоне аэрациивыделяют:

• Почвенные воды

• распространены в почвенном слое близ поверхности;

• их формирование связано с процессами инфильтрации атмосферных осадков .

• Верховодка

• образуется, когда инфильтрирующаяся вода встречает на своем пути линзы водонепроницаемых пород;

• на сравнительно небольшой глубине и имеют ограниченное по площади распространение, мощностью до 1 м;

• временные скопления воды (весна).

В зоне насыщения выделяют:

• Грунтовые воды – свободные (гравитационные) воды первого от поверхности Земли стабильного водоносного горизонта, заключенного в рыхлых отложениях или верхней трещиноватой части коренных пород.

• Порода, насыщенная водой, называется водоносным горизонтом, мощность которого определяется расстоянием по вертикали от уровня грунтовых вод до водоупора.

• Движение грунтовых вод подчиняется силе тяжести.

Межпластовые напорные воды

• К напорным (артезианским) водам относятся подземные воды, находящиеся в водоносных горизонтах, заключенных между двумя водоупорными слоями горных пород. Водоносный горизонт находится под гидростатическим напором.

Гидрология рек

• Река– водоток относительно большого размера, питающийся атмосферными осадками со своего водосбора и имеющий четко выраженное, сформированное своим водотоком русло и с площадью бассейна более 50 км².

• Водосбор– часть территории и толщи грунтов, откуда данный водный объект получает питание.

• Бассейн– территория, ограниченная водоразделом и включающая данную реку со всеми ее притоками.

• Бассейны отдельных рек разделяются водоразделами.

Классификация рек

• По размерам:

• большие реки – S_{бассейна}более 50000 км²,

• средние реки – S_{бассейна}2000-50000 км²;

• малые реки – с S_{бассейна}50-2000 км^2.

• По водному режиму:

• с паводочным режимом,

• с половодьем весной,

• с половодьем в теплое время года;

• По типам питания:

• снеговое,

• дождевое,

• ледниковое,

• подземное.

Классификация рек

• По месту расположения речного бассейна:

• горные,

• предгорные,

• равнинные.

Критерием для разделения является число Фруда:

• Fr = v²/gh,

• где h– глубина потока (м),

• v– скорость течения (м/с),

• g– ускорение свободного падения (м/с²);

к равнинным рекам относят реки

• с числом Фруда менее 0,1;

• к полугорным – 0,1 – 1;

• к горным – более 1.

Факторы, характеризующие реку и ее бассейн

• Географическое положение: высота истока и устья, удаленность крупных водных объектов, природная зона.

• Рельеф: характерные высоты, расчлененность долины.

• Климат: осадки, испарение, температура, преобладающие ветра.

• Почвы:водопроницаемость

• Геологические условия: водопроницаемость грунтов.

• Растительный покров: испарение, транспирация.

• Водные объекты: наличие ледников, болот, озер водохранилищ.

• Хозяйственная преобразованность бассейна: распашка, сведение лесов, осушение болот, мелиорации.

Водный баланс

• Уравнение водного баланса для речного бассейна:

x = y + z  u

x– осадки,y– поверхностный сток,z– испарение,u– подземный сток

• Если приходная часть превышает расходную (ех., зимой при накоплении снега), то запасы воды в бассейне увеличиваются: u> 0.

• Если расходная часть больше приходной (в период снеготаяния, в межень), то запасы воды в бассейне истощаются: u< 0.

• Для многолетнего периода uблизко к нулю.

Строение реки

• Речная долина– относительно широкая отрицательная форма рельефа, образованная постоянным водотоком в течение геологического времени, характеризующаяся общим наклоном дна от истока к устью.

• Долина рекихарактеризуется наличием высоких (коренных) и террасированных берегов, на которых различаютрусло,поймуи ряднадпойменных террас (обычно 2-3).

• Русло реки – наиболее пониженная часть речной долины, по которой происходит сток воды в межпаводочные периоды.

• Пойма – часть дна речной долины, покрываемой водой в половодье или во время паводков.

• Речные террасы– горизонтальные или слабо наклоненные поверхности на склонах речных долин, ограниченные уступами.

• Меандр – изгибы русла реки.

• Отчленившийся от реки меандр превращается в старицу– замкнутый водоем – озеро, имеющее извилистую или подковообразную форму.

• Исток – место, где река берет свое начало, от которого наблюдается постоянное течение воды в русле.

• Устье– место впадения реки в другую реку, озеро, море или океан. Различают несколько видов:

• Дельта– низменная равнина в низовьях реки, сложенная наносами, и прорезанная сетью протоков. В плане имеет треугольную форму.

• Эстуарий– воронкообразное затопляемое устье реки, расширяющееся в сторону моря. Образуется у рек, впадающих в моря, где сильно воздействие на устье реки приливов.

• В каждой речной сети выделяют главную реку, впадающую в водоем (океан или бессточное озеро) и притоки разных порядков.

• Реки впадающие в главную реку называются притоками 1 порядка, реки, впадающие в притоки первого порядка, называются притоками второго порядка и т.д.

Количественные характеристики стока

• Сток– процесс стекания воды и содержащихся в ней веществ.

• Расход воды(м³/с) – количество воды, проходящее через поперечное сечение русла за единицу времени, обозначаетсяQи измеряется в м³/с.

• Cреднемесячный расход воды вычисляется по формуле:Q=ΣQ_i/31

• среднегодовой - Q=ΣQ_i/365.

Количественные характеристики стока

• Объем стока, W (м³, км³)– количество воды, проходящее через поперечное сечение русла за некоторый промежуток времени (t).

W = Q_(t)t,гдеQ_(t) – расход воды заt.

• Модуль стока, М (л/км²с)– расход водыQ, выраженный в л/с, с единицы площади речного бассейнаF(км²):

M=Q10³/F

• Слой стока, у (мм)- объем стокаW, равномерно распределенный по площади речного бассейнаFза интервал времени:

y=M10^-3/F

• Коэффициент стока, η– отношение слоя стокау (мм) к осадкамх(мм) за некоторый промежуток времени:

Ŋ=y/x

Водный режим рек

• Для наблюдения за изменением расхода реки и определением максимальных и минимальных расходов рек используют гидрограф– график изменения расходов воды во времени за год или часть года в данном створе водотока, строится по среднесуточным расходам воды.

Расчленение гидрографа

• Годовой цикл водного режима рек подразделяется на фазы: половодье, паводок, межень.

• Половодье– повторяющийся в одно и тоже время года высокий и длительный подъем уровня воды в реке. На равнинных реках умеренного пояса наблюдается весной во время снеготаяния. На реках, берущих начало в горах или рек с муссонным климатом, половодье летнее.

• Паводок– временное поднятие уровня воды в реке, вызвано выпадением большого количества осадков.

• Межень– самый низкий уровень воды в реке.

Классификация по типам питания

• Дождевое питаниехарактерно для рек в условиях теплого климата: чем больше интенсивность и продолжительность дождей, тем больше при прочих равных условиях величина дождевого паводка.

• Снеговое питаниепреобладает в умеренных широтах. Запасы воды в снеге в бассейне реки зависят от величины зимних осадков, распределяются неравномерно в зависимости от высоты местности, экспозиции склонов, неровностей рельефа, характера растительности.

• Подземное питаниеопределяется характером взаимоотношений подземных и речных вод. Реки получают подземное питание в течение всего года.

• Ледниковое питаниеимеют лишь реки, вытекающие из районов с высокогорными ледниками и снежниками.

Классификация по типам питания М.И. Львовича

Исключительно…

• снеговое >80%

• подземное >80%

• дождевое >80%

• ледниковое >50% питание

Преимущественно …

• снеговое 50-80%

• подземное 50-80%

• дождевое 50-80%

• ледниковое 25-50% питание

Смешанное …

• снеговое 30%

• подземное 40%

• дождевое 30% питание

Классификация по типам питания

• В среднем по миру наибольшая доля приходится на снеговое и дождевое питание (по 30-35%), незначительна доля ледникового (около 1%), на подземное – 25-30%.

• Для рек Европейской части России основной вид питания – снеговое (50-70%),

• на Дальнем Востоке питание реки получают главным образом за счет дождей.

• Ряд рек горных районов (Кавказ) имеет место смешанное питание.

Гидрология озер

• Озеро– естественный водоем с замедленным водообменом, не имеющим непосредственной связи с океаном.

• Как правило, из озера вытекает не более одной реки, а впадает сколь угодно много.

• Общая площадь озер на Земле более 2 млн.км²(около 2% площади суши).

• Исторически сложилось так, что крупнейшее озеро на Земле называют Каспийским морем.

Классификация озер

По размеру: очень большие –Sзеркала озера > 1000 км², большие – 1000-100 км², средние – 100-10 км², малые – около 10 км²;

По характеру водообмена: сточные (проточные) – Ладожское, Онежское, Байкал; бессточные – Каспийское море, Балхаш;

По происхождению котловин:

• а) тектонические: образованные в крупном тектоническом прогибе (Ладожское, Онежское), в тектонических разломах (Байкал);

• б) вулканические: в кратерах вулкана (Кроноцкое);

• в) метеоритные (Каали в Эстонии);

• г) ледниковые: троговые, моренные, приледниковые;

• д) речные: дельтовые, старицы, пойменные. 

Водный режим озер

X+ ΣY_i+ W₁= Y+ Z + W₂ ±ΔU

• X– осадки,

• ΣY_i– сумма поверхностных стоков,

• W₁– подземный сток в озеро,

• Y – поверхностный отток из озера,

• Z – испарение,

• W₂– подземный отток,

• ±ΔU– изменение объема озера.

Температурный режим озер

• прямая температурная стратификация- увеличение температуры воды от дна к поверхности;

• гомотермия- равномерное распределение температуры воды по глубине;

• обратная температурная стратификация- уменьшение температуры от дна к поверхности.

Гидрология водохранилищ

• Водохранилище- искусственный водный объект, созданный в долине реки, в искусственном или естественном понижении путем возведения водоподпорных сооружений, предназначенный для накопления и использования воды, а также регулирования речного стока.

• Характеризуется замедленным водообменом, по режиму занимает промежуточное место между рекой и озером.

Гидрология водохранилищ

• Накопление сопровождается повышением уровня до некоторой оптимальной величины – нормального подпорного уровня(НПУ).

• Предельно возможный уровень снижения уровня воды в водохранилище – уровень мертвого объема(УМО).

• Объем, находящийся ниже УМО – мертвый объем(МО).

• Для регулирования стока и периодической сработки используется объем, расположенный между НПУ и УМО – полезный объем(ПО).

Гидрология болот

• Болото– участок земной поверхности с избыточным увлажнением, с затрудненным водообменом и кислородным режимом.

• Характеризуется процессом торфообразования и болотной растительностью.

Типы болот

• Низинные – эвтрофные болота–с богатым минеральным питанием, питаются главным образом за счет грунтовых вод, несущих много солей. Расположены в поймах рек, по берегам озер, в местах выхода водных источников. Имеют разнообразную растительность (ольха, ива, береза, ель, рогоз, осока, зеленые мхи).

• Верховые – олиготрофные болота– питание осуществляется только за счет атмосферных осадков, с бедным содержанием минеральных веществ.

• Расположены на водоразделах, для них характерно чередование повышенных участков с понижениями (мочажины).

• Помимо сфагновых мхов характерны пушица, вереск, багульник, кассандра, клюква, карликовые формы сосны, лиственницы и березы.

• Верхний торф, образующийся здесь, имеет минимальную зольность (2-4%) и используется в качестве топлива.

• Переходные – мезотрофные болота– тип болот по растительности и питанию переходный между эвтрофным и олиготрофным, болото с умеренным минеральным питанием.

• Растения, обитающие на повышенных участках (кочки, возвышения у пней), где прирост торфа больше, живут за счет увлажнения атмосферными осадками.

• В понижениях, где связь с грунтовыми водами сохраняется, распространены растения эвтрофных болот.